第44卷第8期红外与激光工程2015年8月Vol.44No.8Infrared and Laser Engineering Aug.2015红外双波段点目标双比分析与处理 王文博，王英瑞
(北京遥感设备研究所，北京100854)
摘要：红外双比能够表征目标的温度信息，但点目标双比受噪声、探测器盲闪元以及跨像元因素干扰，难以准确测量，影响测温精度。应用递归图法定性分析和判断了点目标双比的非平稳性。
针对这一特性，先对点目标信号应用移动平均滤波做预处理，再通过小波软阈值去噪对双比进行降噪处理。试验结果表明，在信噪比大于12的条件下，该方法可以实现静态点目标1K温度分辨率，慢速动态点目标2K温度分辨率。 关键词：红外双波段；点目标；温度测量；非平稳；小波软阈值
中图分类号：TN219文献标志码：A文章编号：1007-2276(2015)08-2347-04
Analysis and processing of infrared dual waveband radiation
ratio based point target
Wang Wenbo,Wang Yingrui
(Institute of Beijing Remote Sensing Device,Beijing100854,China)
Abstract:Infrared dual waveband radiation ratio can denote the blackbody′s temperature information,and can be used for temperature measurement.When using infrared dual waveband radiation ratio to measure the temperature of point target,it is difficult to achieve high-accuracy because of various kinds of noises.
The recurrence plot theory was used to analyze the non-station of infrared dual waveband radiation ratio.
According to the non-station of infrared dual waveband radiation ratio,the target′s response signal in IR single waveband was processed by moving average filter.The IR dual waveband radiation ratio was processed by wavelet soft-threshold filter.Experimental result indicate that,when the SNR>12,1K temperature accuracy can be achieved with above processing method for static point target,and2K temperature accuracy can be achieved for slow moving point target.
Key words:infrared dual waveband;point target;temperature measurement;non-station;
电机支架
wavelet soft-threshold
收稿日期：2014-12-11；修订日期：2015-01-14
作者简介：王文博(1990-)，男，硕士生，主要从事光电信息处理方面的研究。Email:webowang@163
绕线电阻
导师简介：王英瑞(1961-)，男，研究员，主要从事红外光电系统设计方面的研究。Email:wyrui25060101@sina
红外与激光工程第44卷
0引言
为了提高目标识别能力，红外双波段(多波段)系
统得到了越来越多的应用，如美国为了提高对付具
有诱饵等对抗措施的弹道导弹的能力，将其动能拦
截弹SM-3的Block1B和Block2采用双长波红外
的红外成像导引头来代替原先的单导引头[1]。红外
双波段探测系统可以通过双比测温获取目标和诱
饵的温度信息。双比的精度越高，系统对目标的温
度分辨率越高，也越有利于识别。但是受到大气透过
率、探测系统噪声等因素的影响，双比难以准确获
取，尤其是在对远距离点目标探测的红外系统中，运
动点目标的双比还受到光学弥散、目标跨像元现
象和盲闪元等的影响，波动更大。因此，分析研究点
目标红外双比的特性和处理方法，对红外探测系
统实现较高温度分辨率，区分真实目标与诱饵具有
重要意义。
1红外双波段测温原理
黑体辐射遵从普朗克公式，在一定温度下，
λ1~λ2、λ3~λ4的两个波段内辐射之比为一定值，温
度不同该比值不同，由该比值，可以反推出黑体的
温度。考虑到两个波段的目标辐射面积和接收光
学孔径等参数相同，双波段红外探测系统对目标
两个波段的响应信号之比，即双比，只与目标的
温度、发射率、大气衰减、系统响应率等有关，如公
式(1)所示：
K=R1×ε1×τ1
R2×ε2×τ2×M(λ1，λ2，T)
M(λ3，λ4，T)
(1)
式中：R1、ε1、τ1和R2、ε2、τ2分别为波段1和波段2的平均响应率、平均发射率、大气平均透过率。
当大气透过率、目标发射率和系统波段响应已知时，通过公式(1)双比，可以对目标进行测温，为系统识别真假目标提供温度信息。
图1为计算的长/长波波段(7.5~9μm/9.5~11μm)双比曲线，这里不考虑大气衰减且目标在两个波段上的发射率、波段响应率相等，温度为250~350K 时。该曲线的最大斜率为0.0035/K，这意味着当系统要求温度测量精度为1K时，双比的提取误差要小于0.0035。
图1中长波波段目标双比仿真曲线
Fig.1Simulated curve of MW/LWIR radiation ratio
2红外双波段点目标双比特性分析
对于面目标，目标辐射功率分布在多个焦平面像元上，两个波段上目标的响应信号受噪声影响小，波动范围较小，由此可直接获取较高精度双比。
对于点目标，一方面，当目标运动时存在跨像元现象，目标的响应信号值有起伏，且探测器像元的填充率越小，跨像元引起的信号起伏越大；另一方面，探测器噪声、盲闪元等因素会直接拉偏目标响应信号真值。这些因素会导致点目标双比难以测准。
图2所示为点目标在运动过程中的几种典型情况：图(a)中目标的主要能量集中在一个像元上，这时目标的响应信号值主要受像元噪声影响，起伏较小；图(b)中目标运动过程中跨两个像元，主要能量分散在两个像元上，目标响应信号值从(a)到(b)有较大起伏；图(c)中目标主要能量分散在四个像元上，目标响应信号值从图(a)到图(c)起伏更大；图(d)中运动目标经过盲闪元等坏元，目标响应信号值直接被拉偏，不能表示目标信号的响应。
图2点目标几种典型跨像元现象
Fig.2Crossing-pixels phenomenon of moving point target
多倍频感应耐压试验装置图3为某红外双波段探测系统实测的300K黑体点靶标的双比。由图3可知，静态点目标双比波动范围较小，大约为0.004(见图3(a))；动态点目标双比波动范围较大，其波动范围大约为
0.02
(见图3(b))，为静态点双比波动范围的5倍，其测
2348
第8期
温精度相比下降5倍。
图3300K黑体点靶标双比
Fig.3IR dual waveband radiation ratio of300K blackbody point target
点目标在连续帧上的双比可以看作一个时间序列，为了研究双比的特性，可以应用时间序列分析方法。这里应用递归图法对双比进行定性分析。递归图法可以定性分析与判断时间序列非平稳性、周期性以及混沌性[2]。它基于相空间重构，可以直观地反映时间序列的内在属性。递归图法方法如下：设{X n}N
n=1
为观测获得的长度为N时间序列，将其重构为m维的状态向量：
X i=(X i，X i-τ，…，X i-(m-1)-τ)∈R m
n=N0，N0+1，…，N(2)式中：N0=(m-1)×τ+1，τ是延迟时间间隔。m是嵌入空间的维数。每一个X i是m维嵌入空间的一个点，表示系统在i时刻的状态。用L2范数定义R m空间中X i到X j的距离为||X i-X j||2，当两个时刻的距离小于某个取定的阈值ε时，认为两个时刻状态相似，系统处于递归状态，在递归图中用1表示；当大于阈值ε时，认为系统状态不相同，系统不处于递归状态，在递归图中用0表示[3]。
分别对实验采集的静态和动态点目标双比应用递归图法进行分析，图4(a)、(b)为计算得到两个
图4静态点目标双比递归图和动态点目标双比递归图Fig.4Recurrence plot of IR dual waveband radiation ratio based static point target and that of moving point target 双比序列的递归图。可以看出，递归图上点的分布是不均匀的，且存在与主对角线平行的直线。符合非平稳时间序列在递归图中点的分布特征[4]，说明点目标双比是非平稳的。
3红外双波段点目标双比处理
对于非平稳的时间序列分析和处理，一般有短时傅里叶变换(STFT)、Hilbert-Huang变换、小波变换等算法[5]。这里采用小波软阈值去噪方法处理点目标双比。小波变换能很好地检测信号中的各个奇异
点；软阈值方法则能根据各小波空间上特征分量和噪声的统计特性选择合适的阈值来消除噪声，在去噪的基础上能很好地保留信号的特征值，两者的结合可以很好地滤除噪声、保留有效信息[6]。
微冻技术在实验室搭建了由黑体点靶标、速度可控二维转台、平行光管组成的测试平台，图5为测温实验平台示意图。使用某红外双波段探测系统，在293~343K 温度范围内，每隔1K采集了大量信噪比大于12的静态和动态点目标双波段图像，其中动态点目标的帧间位移不大于两个像元。
图5双波段点目标测温测试平台示意图
彩钢板安装工程Fig.5Schematic diagram of dual waveband IR temperature measuring system
选取实验采集的点目标双比进行小波软阈值滤波，原始数据和处理结果如图6所示。图6(a)为293K和294K的静态点目标双比，其波动较大，存在一定的交叠；图6(b)为303K和305K的动态点目标双，波动范围更大，交叠更多。这意味着如果不对双比序列做相应的处理，不能达到较高的温度分辨率
。在对双比应用小波软阈值去噪后，
仍具
有较多突变值，不能很好地实现静态点目标1K温
度分辨率和动态点目标2K温度分辨率。
王文博等：红外双波段点目标双比分析与处理2349
红外与激光工程第44卷
图6静态和动态点目标双比原始数据和小波软阈值去噪
处理结果
Fig.6Static and moving point target radiation ratio and the
processing result of wavelet soft -threshold denoising
点目标由于跨像元、盲闪元导致的单波段响应信号起伏较大是双比突变值产生的主要原因。为了平滑单波段点目标响应信号的波动，减小双比突变值的影响，同时保持信号的主要特征，首先对点目标在单波段上的信号做预处理，即应用移动平均滤波器分别对双波段上的点目标信号滤波，减小信号突变值的影响。然后计算双比，并对双比进行小波软阈值滤波，处理结果如图7所示。由图7可见，在应用上述方法后，处理结果仍然能够反映原始信号的主要特征，并且有效地减小了信号中突变值的影响，能很好地区分两条双比曲线，实现了静态点目标1K 温度分辨率和动态点目标2K 温度分辨率。
图7文中方法处理结果
Fig.7Processing result of the method in this paper
4结论
应用递归图法分析了点目标红外双比具有非平稳性。通过对点目标信号应用移动平均滤波，减少了运动过程中响应信号突变值的干扰；在此基础上再应用小波软阈值去噪，对双比进行滤波处理，提高了测温精度。试验结果表明，在信噪比大于12条件下，对于静态点目标可以实现1K 温度分辨率，对于慢速动态点目标可以实现2K 温度分辨率。该点目标双比的分析和处理方法对红外探测系统的点
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