一种用于目标检测的红外辐射特性分析方法技术

本发明专利技术属于红外成像目标特性分析及图像处理应用领域，提出了一种用于目标检测的红外辐射特性分析方法，实现了将红外传感器前端的物理信息与后端图像处理方法相结合，为遥感对地观测红外目标检测和识别任务提供了一种结合红外目标物理特性与传感器前端辐射传输过程的正、反演协同建模思路。其主要方案包括：红外图像成像基本辐射特征描述集的构建；典型红外场景以及遥感场景的辐射传输过程建模；针对特定红外目标辐射特征进行建模及分析；将红外目标数据库中的目标通过结合传输过程中的物理特性和自身辐射特性进行数值矫正，与仿真背景进行像素级融合；最后，获得多个波段下含有红外目标辐射特征的仿真数据。红外目标辐射特征的仿真数据。红外目标辐射特征的仿真数据。

【技术实现步骤摘要】
一种用于目标检测的红外辐射特性分析方法


[0001]本专利技术属于红外成像目标特性分析及图像处理应用领域，具体涉及一种用于目标检测的红外辐射特性分析方法。

技术介绍

[0002]红外搜索与跟踪系统的研究在现代防空、军事侦察领域一直为一热点问题。其中红外目标检测技术作为红外搜索与跟踪系统的一个基本功能，在红外搜索、红外预警、红外跟踪方面具有重要意义。由于红外成像特殊的波段特性，红外探测不仅拥有全天候的工作能力，并且在特定波段下对呈现出不同特性辐射特性的目标进行检测任务时，红外探测方法也彰显出其显著优势。
[0003]作为国防领域的关键组成部分之一，天基红外卫星在对地遥感观测及导弹预警方面发挥着重要作用。此外，作为红外搜索与跟踪系统的重要观测手段之一，天基遥感中的红外目标检测任务在红外制导、反导、军事、民用等领域也拥有着广泛的应用。天基红外卫星一般利用其星载的红外对地探测器，通过探测视场中的高强度红外辐射，从而实现对全球范围内实时的导弹、飞行器等红外目标的预警监测。
[0004]近年来，针对红外目标的检测方法层出不穷，然而在实际的工程应用中，部分现有方法难以处理在天基红外探测器宽成像波段内检测到的大量具有高辐射特性的红外虚警源，例如：雪山、结冰湖泊以及高空卷云等。典型的情况为：当目标被淹没在高辐射亮度虚警源中，目标往往被漏检，这将导致不可估计的后果；而当目标与虚警源相互独立时，虚警源可能造成大量误检测从而消耗针对真实目标检测所需的大量软、硬件资源。
[0005]当下，大量红外目标数据缺乏应用背景以及场景信息，目标及其背景缺乏相应的物理属性。此外，大量的红外目标检测方法均是从纯图像或数值的角度出发进行检测，遗漏了在实际工程上可以利用的部分有用的前端信息如：传感器信息、目标的物理属性、红外波段信息等。可见，将红外辐射特性分析与红外目标检测工作的结合尚处于初步探索阶段，研究结合红外辐射特性分析的目标检测方法，为检测模型提供物理约束，形成正、反演协同建模的红外目标检测思路对于工程应用具有长远意义。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中红外目标检测方法缺乏物理属性约束的问题，本专利技术提出了一种用于目标检测的红外辐射特性分析方法。
[0007]本专利技术采用的技术方案如下：
[0008]一种用于目标检测的红外辐射特性分析方法，包括如下步骤：
[0009]步骤1：对典型的红外场景进行辐射特性分析，建立红外辐射特征描述集以及不同场景下的辐射特性传输模型；
[0010]步骤2：结合辐射特性进行遥感背景建模仿真，通过对含有大面积、高辐射亮度的典型卷云虚警源的红外遥感场景进行仿真，作为含有红外目标的数据集生成的基础；
[0011]步骤3：结合步骤1进行基于物理特性约束的红外目标辐射特征建模，作为红外目标仿真数据集生成的基础；
[0012]步骤4：结合步骤2中生成的的多波段红外遥感数据和步骤3中的目标
‑
邻域背景温度矫正参数，进行基于物理模型的像素级的红外目标
‑
背景数据仿真融合以及数值矫正，获取含有红外目标辐射特征的仿真数据。
[0013]在上述技术方案的基础上，所述步骤1具体包括以下步骤：
[0014]步骤1.1：根据红外图像成像自身的辐射特性，针对不同波段下、不同辐射对象呈现的红外辐射参数进行描述，建立反映出图像中不同对象的红外辐射特征描述集包括：目标
‑
背景辐射温度差、目标
‑
背景辐射温度对比度、目标辐射亮度、波长
‑
辐射曲线；
[0015]其中，目标
‑
背景辐射温度差的描述公式如下：
[0016]T
t
(x，y)＝σ
t
(I
t
(x，y))T
b
(x，y)＝σ
b
(I
b
(x，y))ΔT＝|T
t
‑
T
b
|
[0017]其中，下标t，b分别代表目标和背景区域，T
t
和T
b
分别为目标或背景的实际平均温度，σ
t
与σ
b
分别为在图像I中(x，y)处由灰度值到目标温度的线性或非线性映射函数，ΔT主要反映给定成像系统或检测算法在检测目标时对于目标和背景的实际温度分辨率；
[0018]关于目标
‑
背景辐射温度对比度的三种描述形式如下：
[0019][0020][0021][0022]其中T
bmax
以及分别代表背景邻域平均辐射温度、背景邻域最大辐射温度和背景邻域最大n像素加权辐射温度；T
tmax
以及分别代表目标区域平均辐射温度、目标最大辐射温度和目标最大n像素加权辐射温度；C
mean
、C
max
以及C
maxn
分别代表平均辐射温度对比度、最大辐射温度对比度和最大n像素加权辐射温度对比度；Φ
t
为图像中目标所在的连通区域，Φ
B
为图像中目标邻域背景的连通区域；n
t
、n
b
分别对应上述连通域所包含的像元个数，n1、n2均为人为设定的常数，一般取5≤n1≤20且n1≈n2/2，当目标及背景分别具有辐射温度T
t
和T
b
时，相应的目标辐射亮度计算形式如下：
[0023][0024]其中，M
t
和M
b
分别为目标区域和背景区域在发射角为θ时的黑体辐射出射度，ε
t
和ε
b
为M
t
和M
b
二者对应的辐射发射率，M
t
和M
b
、ε
t
和ε
b
均为波长λ与温度T相关的函数；
[0025]步骤1.2：针对红外传感器探测到的一般红外场景，建立四种相应的辐射特性分析模型包括：低反射率背景+高反射率背景辐射模型、高反射率背景+目标辐射模型、地物背景辐射+目标辐射模型、天空背景辐射+虚警源辐射+目标辐射模型；
[0026]步骤1.3：针对天基红外遥感观测系统中传感器探测到的红外场景，建立三种相应的辐射特性分析模型包括：高反射虚警源辐射+目标辐射模型、大气辐射效应+目标辐射模型、部分大气辐射效应+目标辐射模型，此外，针对天基传感器的硬件特性建立相应的辐射传输模型。
[0027]在上述技术方案的基础上，所述步骤2包括如下步骤：
[0028]步骤2.1：根据遥感卫星基础数据获取云相态数据，所述云相态数据包括卷云、背景像元分类，卷云所在的经纬度信息、观测时间信息；
[0029]步骤2.2：针对卷云像元，通过固定场景中的光学厚度、有效尺度、单散射反照率、非对称修正因子、太阳天顶角参数，利用离散坐标辐射传输本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于目标检测的红外辐射特性分析方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：对典型的红外场景进行辐射特性分析，建立红外辐射特征描述集以及不同场景下的辐射传输模型；步骤2：进行遥感背景建模仿真，通过对含有大面积、高辐射亮度的典型卷云虚警源的红外遥感场景进行仿真，获取包含虚警源的多波段红外遥感数据；步骤3：根据步骤1得到的红外辐射特征描述集以及不同场景下的辐射传输模型，计算目标
‑
邻域背景温度矫正参数；步骤4：结合步骤2中生成的的多波段红外遥感数据和步骤3中的目标
‑
邻域背景温度矫正参数，进行基于目标部分物理属性的像素级的红外目标
‑
背景数据仿真融合以及数值矫正，获取含有红外目标辐射特征的仿真数据。2.根据权利要求1所述的一种用于目标检测的红外辐射特性分析方法，其特征在于：所述步骤1具体包括以下步骤：步骤1.1：根据红外图像成像自身的辐射特性，针对不同波段下、不同辐射对象呈现的红外辐射参数进行描述，建立反映出图像中不同对象的红外辐射特征描述集包括：目标
‑
背景辐射温度差、目标
‑
背景辐射温度对比度、目标
‑
背景辐射亮度、波长
‑
辐射曲线；其中，目标
‑
背景辐射温度差的描述公式如下：T
t
(x，y)＝σ
t
(I
t
(x，y))T
b
(x，y)＝σ
b
(I
b
(x，y))ΔT＝|T
t
‑
T
b
|其中，下标t，b分别代表目标和背景区域，T
t
和t
b
分别为目标或背景的实际平均温度，σ
t
与σ
b
分别为在图像I中(x，y)处由灰度值到目标温度的线性或非线性映射函数，ΔT主要反映给定成像系统或检测算法在检测目标时对于目标和背景的实际温度分辨率；关于目标
‑
背景辐射温度对比度的三种描述形式如下：背景辐射温度对比度的三种描述形式如下：背景辐射温度对比度的三种描述形式如下：其中T
bmax
以及分别代表背景邻域平均辐射温度、背景邻域最大辐射温度和背景邻域最大n像素加权辐射温度；T
tmax
以及分别代表目标区域平均辐射温度、目标最大辐射温度和目标最大n像素加权辐射温度；C
mean
、C
max
以及C
maxn
分别代表平均辐射温度对比度、最大辐射温度对比度和最大n像素加权辐射温度对比度；Φ
t
为图像中目标所在
的连通区域，Φ
B
为图像中目标邻域背景的连通区域；n
t
、n
b
分别对应上述连通域所包含的像元个数，n1、n2均为人为设定的常数，取5≤n1≤20且n1≈n2/2，当目标及背景分别具有辐射温度T
t
和T
b
时，相应的目标
‑
背景辐射亮度计算形式如下：其中，M
t
和M
b
分别为目标区域和背景区域在发射角为θ时的黑体辐射出射度，ε
t
和ε
b
为M
t
和M
b
二者对应的辐射发射率，M
t
和M
b
、ε
t
和ε
b
均为波长λ与温度T相关的函数；步骤1.2：针对红外传感器探测到的红外场景，建立四种相应的辐射传输模型包括：低反射率背景+高反射率背景辐射模型、高反射率背景+目标辐射模型、地物背景辐射+目标辐射模型、天空背景辐射+虚警源辐射+目标辐射模型；步骤1.3：针对天基红外遥感观测系统中传感器探测到的红外场景，建立三种相应的辐射传输模型包括：高反射虚警源辐射+目标辐射模型、大气辐射效应+目标辐射模型、部分大气辐射效应+目标辐射模型。3.根据权利要求1所述的一种可用于目标检测的红外辐射特性分析方法，其特征在于：所述步骤2包括如下步骤：步骤2.1：根据遥感卫星基础数据获取云相态数据，所述云相态数据包括卷云、背景像元分类，卷云所在的经纬度信息、观测时间信息；步骤2.2：针对卷云像元，通过固定场景中的光学厚度、有效尺度、单散射反照率、非对称修正因子、太阳天顶角参数，利用离散坐标辐射传输模型求解辐射传输方程，进而计算出卷云顶反照率，通过反照率求解卷云反射辐射，再依次考虑卷云自身热辐射、大气热辐射、以及大气散射辐射过程，从而求解出卷云像元的大气顶辐射亮度数值，计算卷云反照率部分时选择使用δ
‑
M法标定非对称因子；步骤2.3：针对背景像元，根据经纬度信息、地表覆盖类型以及地表温度月平均数据求解合适的地表热辐射及地表反照率，从而求解出地表反射辐射，再依次考虑大气热辐射和大气散射辐射过程，从而得到背景像元的大气顶辐射亮度数值；步骤2.4：根据步骤2.2和步骤2.3，融合多个连续窄波段下卷云像元的大气顶辐射亮度数值、背景像元的大气顶辐射亮度数值，获取包含虚警源的...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭真明，且若辰，伍风翼，高祝君，余杭，陶冰洁，罗俊海，杨春平，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：