地面目標(biāo)的中波紅外高光譜成像特性測量

江岳鵬, 曹運(yùn)華, 吳振森, 曹軼森, 胡綏靖

西安電子科技大學(xué)物理學(xué)院, 陜西 西安 710071

引 言

紅外高光譜遙感與傳統(tǒng)的單波段和多波段紅外遙感不同, 它能獲得上百個(gè)波段的目標(biāo)光譜信息。 因此, 在高光譜遙感發(fā)展日趨成熟的今天, 紅外高光譜成像由于其具有“圖譜合一的特點(diǎn)”, 越來越受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。 常規(guī)的紅外高光譜波段可分為短波紅外、 中紅外、 遠(yuǎn)紅外和超遠(yuǎn)紅外波段, 它們在紅外輻射特性測量的研究上起著至關(guān)重要的作用, 尤其是3～5 μm的中波紅外波段在實(shí)時(shí)偵測地面環(huán)境變化、 資源環(huán)境調(diào)查與評估等方面有著十分廣泛的應(yīng)用。

國內(nèi)各高校和研究機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了不同的測量系統(tǒng), 并做了各種紅外輻射特性的統(tǒng)計(jì)分析實(shí)驗(yàn)。 中國空空導(dǎo)彈研究院黃莉等使用紅外熱像儀和光譜輻射計(jì)進(jìn)行地面雷達(dá)目標(biāo)的紅外輻射實(shí)際測量[1], 將光譜儀的光譜分布和熱像儀的空間分布特征結(jié)合, 進(jìn)行紅外輻射特性測量的研究。 中國洛陽電子裝備試驗(yàn)中心的王東等采用長波測量設(shè)備對固定翼飛機(jī)地面滑跑狀態(tài)的紅外輻射特性進(jìn)行了測量[2], 得到了8～14 μm長波波段飛機(jī)不同部位, 不同方向的紅外輻射亮度與測試方位關(guān)系圖。 中國科學(xué)院李春來等利用其所設(shè)計(jì)的ATHIS熱紅外高光譜成像儀[3], 在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了典型礦物樣本發(fā)射率光譜的測量實(shí)驗(yàn)[4], 總結(jié)了ATHIS在8～11 μm長波波段下針對礦物發(fā)射率光譜和氣體透過率光譜的傳輸模型。 在生物快速分類檢測方面, 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)李凱楠等基于近紅外高光譜成像技術(shù)識別紫斑和霉變大豆[5], 吳葉蘭利用高光譜成像對柑橘病蟲藥害葉片進(jìn)行研究[6], 其基于可見/近紅外高光譜成像數(shù)據(jù)已經(jīng)進(jìn)行了一系列多種類生物快速精準(zhǔn)檢測方法的研究。 但是受背景輻射抑制、 制冷技術(shù)、 探測器等技術(shù)方面的影響, 國內(nèi)在紅外高光譜成像方面還處于緩慢發(fā)展的階段, 國外在紅外高光譜成像方面的研究要早于國內(nèi)。 國外研究方面, Katari設(shè)計(jì)了一種近紅外高光譜成像系統(tǒng)[7], 通過對高光譜成像顯微系統(tǒng)進(jìn)行改造, 將其拓展到近紅外波段(950～1 300 nm), 用于檢測分散在水溶液中的單壁碳納米管的光致發(fā)光光譜。 Hamed Akbari利用高光譜成像系統(tǒng)進(jìn)行了腫瘤檢測, 研究癌組織與非癌組織反射率特性的差異性[8], 提出了光譜區(qū)域在1 226～1 251和1 288～1 370 nm之間的第一批衍生物作為成功區(qū)分非癌組織和癌組織的標(biāo)準(zhǔn)。 Notarstefano通過傅里葉變換紅外高光譜成像(FTIR-HSI)研究人類胰腺癌組織[9], 采用FTIR-HSI分析了診斷為胰管腺癌和胰腺神經(jīng)內(nèi)分泌腫瘤的組織樣本, 并將光譜數(shù)據(jù)與健康和異型增生樣本進(jìn)行了比較, 確定不同病變的明確光譜標(biāo)志物。 加拿大公司Telops也推出了一款基于傅里葉變換的熱紅外高光譜成像儀Hyper-Cam, Notesco Gilal使用Hyper-Cam高光譜長波紅外成像儀(8～12)對土壤進(jìn)行礦物分類[10], 通過采集90個(gè)以色列土壤樣品的地面高光譜長波紅外圖像, 并計(jì)算了每個(gè)樣品的發(fā)射光譜, 鑒定礦物相關(guān)的發(fā)射率特征。

光譜輻射亮度的相對不確定度是衡量高光譜成像儀成像質(zhì)量的重要指標(biāo)之一, 中國科學(xué)院的劉俊池等人對中波紅外大氣透射率的測量以及誤差進(jìn)行了研究[11], 劉增燦對地面裝備紅外輻射測量不確定度進(jìn)行了分析, 系統(tǒng)的分析了復(fù)雜環(huán)境下的動態(tài)紅外輻射測量不確定度[12]。 但是國內(nèi)學(xué)者的研究主要集中在目標(biāo)紅外輻射特性測量不確定度的影響因素, 對于目標(biāo)表觀光譜輻射亮度測試不確定度和光譜輻射亮度相對不確定度, 特別是中波紅外特性測量方面的光譜相對不確定度卻少有研究。

本工作利用Telops公司設(shè)計(jì)的Hyper-Cam拓展中波高光譜成像儀對某坦克模型進(jìn)行了中波高光譜成像測試研究。 對水泥地上的坦克目標(biāo)進(jìn)行了測試, 同時(shí)測試了大氣環(huán)境參數(shù)、 目標(biāo)表面溫度以及測試場景的三維模型等輔助數(shù)據(jù)。 對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了定標(biāo)、 大氣校正和不確定分析。 在此基礎(chǔ)上, 從空間分布和光譜分布兩個(gè)角度對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 地面目標(biāo)中波紅外高光譜成像測試

1.1.1 實(shí)驗(yàn)場景布局

實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2021年10月15日, 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)位于河北省承德, 其地理位置的經(jīng)緯度為: 北緯41°32′16″, 東經(jīng)117°26′42″。 測試設(shè)備架設(shè)于辦公樓樓頂, 高16.2 m, 如圖1(a)所示。 測量點(diǎn)距離被測目標(biāo)的斜距為102.5 m, 測量方位角340°, 俯角范圍: -12°, 如圖1(b)所示。 測試目標(biāo)為某坦克模型, 目標(biāo)位于水泥路面上, 如圖1(c)所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)場地示意圖

1.1.2 測量方案

(1) 主要測試儀器指標(biāo)

采用的測試儀器有: MS Smart 傾斜攝影相機(jī)如圖2(a)所示、 IBS-F60綜合氣象站如圖2(b)圖所示、 SSN-61熱電偶溫度采集儀、 Hyper-Cam拓展中波光譜成像儀如圖2(c)所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)使用主要儀器照片

主要儀器指標(biāo)如表1—表4所示。

表1 Hyper-Cam拓展中波光譜成像儀主要技術(shù)參數(shù)

表3 SSN-61熱電偶溫度采集儀技術(shù)參數(shù)表

表4 IBS-F60綜合氣象站技術(shù)參數(shù)表

(2) 總體測量方案

在進(jìn)行地面目標(biāo)的中波紅外高光譜成像測試時(shí), 除了高光譜成像測試外, 還進(jìn)行了一些輔助參數(shù)的測量, 包括: 實(shí)驗(yàn)場地的三維重建、 氣象參數(shù)的測試和目標(biāo)表面溫度的測試。

①實(shí)驗(yàn)場地的三維重建

為了還原測試場的真實(shí)場景, 并獲得各測試目標(biāo)、 測試儀器的相對位置, 利用大疆無人機(jī)掛載傾斜攝影相機(jī)系統(tǒng)對測試場進(jìn)行了拍攝, 并完成了三維重建。

②氣象參數(shù)測量

測試環(huán)境的溫度、 濕度、 氣壓、 能見度等參數(shù), 會對測試數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響, 在測試數(shù)據(jù)大氣校正時(shí)需要相關(guān)參數(shù)。 因此, 利用IBS-F60綜合氣象站對測試場的氣象參數(shù)進(jìn)行了測試。

③測試目標(biāo)表面溫度測量

目標(biāo)表面的溫度在目標(biāo)表面材料溫度、 發(fā)射率分離, 以及測試不確定度分析時(shí)是必不可少的。 利用熱電偶溫度采集儀, 測量了目標(biāo)表面典型點(diǎn)位的溫度。

④地面目標(biāo)中波紅外高光譜成像測量與定標(biāo)

利用高光譜成像儀, 調(diào)節(jié)合適的積分時(shí)間[13], 對地面目標(biāo)的高光譜成像進(jìn)行采集。 為了精度和不確定度分析, 同一狀態(tài)采集3幅圖像。 利用雙溫定標(biāo)法, 對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)。 獲取不同距離下探測器接收的DN值和輻射亮度之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系[13]。

1.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

1.2.1 大氣校正

實(shí)驗(yàn)過程中, 探測器接收到的輻射亮度包含三部分: 幾何路徑輻射、 目標(biāo)本身對太陽和大氣的背景輻射的散射以及目標(biāo)自身的熱輻射[14]。 探測器接收到的光譜輻射亮度如式(4)所示。

L(λ)=τatm(λ)[Lself(λ,T,ελ)+Lreflect_bg(λ)]+Lpath(λ)

(4)

式(4)中,L(λ)為探測器接收到波長為λ的光譜輻射亮度,τatm(λ)是大氣透射率;Lself(λ,T,ελ)為目標(biāo)自身的熱輻射,ελ為波長λ時(shí)目標(biāo)表面的發(fā)射率。T是目標(biāo)自身溫度,Lreflect_bg(λ)為目標(biāo)反射的太陽和大氣背景的輻射亮度,Lpath(λ)表示大氣的路徑輻射。 大氣校正即為去除大氣的路徑輻射和傳輸衰減對測試數(shù)據(jù)的影響, 獲取目標(biāo)本體的輻射亮度,

處理方法如(5)式所示。

(5)

在目標(biāo)高光譜成像測試的同時(shí), 對測試場的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行同步測試, 測試結(jié)果如表5所示。 基于表5中的環(huán)境參數(shù), 利用Modtran4.0算出測試路徑的光譜透過率和大氣程輻射[15]。 Modtran計(jì)算時(shí)的輸入條件為: 中緯度夏季模型, 2020年10月15日(第289天), 云層情況為無云無雨, 觀測高度為1 km, 大氣厚度為10 km。 計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

表5 實(shí)驗(yàn)場地環(huán)境參數(shù)

圖3 目標(biāo)到傳感器路徑上的大氣傳輸特性, 光譜透過率(a)和程輻射(b)

在圖4中, 給出了逐個(gè)像素點(diǎn)大氣校正前后4.7 μm波段輻射亮度圖的對比圖。

圖4 大氣校正前(a)后(b)4.7 μm波段輻射亮度圖

在圖5(a)圖中給出目標(biāo)及地表各部位典型點(diǎn)的位置標(biāo)識: A點(diǎn)代表側(cè)面上半部分、 B點(diǎn)代表履帶、 C代表水泥地面; 圖5(b)圖中, 給出了目標(biāo)上各典型位置處, 在大氣校正前后的光譜輻射亮度對比圖。

圖5 目標(biāo)典型位置標(biāo)識(a)和大氣校正前后光譜輻射亮度對比圖(b)

從圖5(b)圖可以看出, 在目標(biāo)側(cè)面上半部分典型位置處, 4.3 μm波段附近大氣校正后的光譜輻射亮度相比大氣校正前出現(xiàn)了一個(gè)波谷。 結(jié)合圖3的光譜透射率和程輻射可以發(fā)現(xiàn): 在3～5 μm波段中除了4.3 μm波段, 其余波段的路徑輻射和透射率對表觀光譜輻射亮度的測量值影響較小, 所以校正前后的數(shù)據(jù)幾乎重合, 4.3 μm波段處于大氣吸收帶上, 該波段Modtran計(jì)算的平均透射率幾乎為0, 在進(jìn)行真實(shí)值校準(zhǔn)的過程中, 探測器所測得的光譜輻射亮度值與大氣程輻射差值為無窮小量, 導(dǎo)致4.3 μm波段附近數(shù)據(jù)不可用。

1.2.2 測量不確定度分析

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《測量不確定度評定與表示》中給出的測量不確定度估算方法[16], 拓展源目標(biāo)光譜輻射亮度合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度ΔLt(λ)計(jì)算方法為

(7)

國內(nèi)各高校及研究所對Modtran的性能分析得出大氣透射率的平均不確定度為0.016 9; 大氣程輻射平均相對誤差為2%左右[17], 因此

(8)

(9)

(10)

式中,n為同一組實(shí)驗(yàn)中Telops拓展中波高光譜成像儀所拍的幀數(shù), 為實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差的修正因子, 本次實(shí)驗(yàn)所調(diào)的幀數(shù)為3幀, 所以n取3, 其對應(yīng)的修正因子t0.683為1.32。Δ為制造廠商的技術(shù)說明書給出的最大允許誤差, 該光譜成像儀的出廠報(bào)告給出的常溫下至100°測試目標(biāo)的Δ=±0.95 K。

利用黑體輻射公式如式(11)所示

(11)

將黑體輻射公式對各變量求全微分, 得到儀器的系統(tǒng)誤差公式

(12)

式中:c1=2πhc2=(3.741 5±0.000 3)×108W·μm4·cm-2;c2=ch/k=1.438 79×104μm·k。

最終獲取光譜輻射亮度的相對不確定度的公式如式(13)所示。

(13)

結(jié)合上述式(7)—式(13)可以得到光譜輻射亮度的相對不確定度求解公式。 圖6給出了測量數(shù)據(jù)中, 不同測試點(diǎn)的光譜不確定度。

圖6 光譜輻射亮度相對不確定度

從圖6可以看出: 在波數(shù)為2 000～3 000 cm-1波段, 測試數(shù)據(jù)相對不確定度一直穩(wěn)定在10%附近, 誤差較小。 在大于3 000 cm-1以后的波段, 其不確定度迅速上升, 超過了30%。 該波段的相對不確定度較高的原因是: 目標(biāo)在該波段的輻射很低, 且該波段目標(biāo)輻射與大氣路程輻射接近, 而引起測試不確定度增大。 從圖中還可以發(fā)現(xiàn), 在2 325 cm-1(4.3 μm)波段附近光譜相對不確定度明顯升高, 出現(xiàn)了一個(gè)波峰。 該波峰出現(xiàn)的原因是: 在該波段中大氣透射率幾乎為0, 導(dǎo)致無法獲得目標(biāo)準(zhǔn)確的光譜輻射亮度值所形成的。

對圖6中各典型特征點(diǎn)的光譜輻射亮度相對不確定度求平均值, 可以得到其平均相對不確定度, 如表6所示。

表6 典型特征點(diǎn)的平均相對不確定度

從表6可以看出: 各部分的平均不確定度都在20%以內(nèi), 測試的平均相對不確定度較小。

2 結(jié)果與討論

2.1 典型特征點(diǎn)光譜輻射亮度隨波長的變化

選取實(shí)驗(yàn)中具有典型特征點(diǎn)的數(shù)據(jù), 例如坦克側(cè)面上半部分、 側(cè)面下半部分、 履帶、 炮口以及水泥地面這五個(gè)部分的3×3個(gè)像素點(diǎn)的平均值數(shù)據(jù)進(jìn)行分析, 如圖7(a)、 (b)所示。

圖7 典型位置標(biāo)識(a)和大氣校正后光譜輻射亮度變化情況(b)

圖7(b)是針對測試場中坦克模型的履帶、 炮口、 側(cè)面上、 下部分涂層和水泥地表的輻射亮度隨波數(shù)的變化曲線, 從圖中可以發(fā)現(xiàn): 從整體上看該波段下的光譜輻射亮度基本滿足于:LA>LB>LC>LD>LE。

對比表7所示測溫儀測得的模型各部分的溫度數(shù)據(jù), 發(fā)現(xiàn)側(cè)邊上半部分A處的溫度會小于側(cè)邊下半部分B處的溫度, 但是它們的光譜輻射亮度關(guān)系卻相反, 這主要是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)測量時(shí)間是在上午9點(diǎn)半左右, 模型在A處散射的太陽輻射亮度要大于B處所散射的太陽輻射亮度造成的。 從圖中還可以發(fā)現(xiàn), 波長較長處, 這五個(gè)部分所對應(yīng)的光譜輻射亮度差異性較大, 隨著波長的減小, 差異性逐漸變小。 從圖7中還可以發(fā)現(xiàn), 無論是地表還是目標(biāo)的各個(gè)部分, 整體輻射亮度隨波長變化趨勢基本相同, 除去大氣吸收帶部分, 基本滿足于波長越長, 輻射亮度越大的變化趨勢。

表7 模型各部位溫度記錄表

2.2 典型波段下坦克模型空間輻射亮度分析

為了分析典型波段下坦克模型的空間輻射亮度, 將光譜輻射亮度值在各典型波段內(nèi)進(jìn)行積分, 得到目標(biāo)的空間輻射亮度分布特性如圖8所示, 計(jì)算公式如式(14)所示。

(14)

圖8 各典型波段下模型的輻射亮度空間分布圖

式(14)中,L(T)為溫度為T時(shí), 目標(biāo)在λ1～λ2波段內(nèi)的輻射亮度, 單位是W·m-2·Sr-1。

從各典型波段下(處于大氣吸收帶的波段4.2～4.4 μm除外)的空間輻射亮度分布上看, 模型側(cè)邊上輻射亮度較大, 炮口處和履帶處的輻射亮度較小, 這主要是各部分對陽光的散射不同造成的。 模型整體與周圍的地表的輻射亮度有著明顯差異性, 可以在水泥地表較為直接地甄別出目標(biāo)模型。 在3～5 μm的輻射亮度中, 4.4～4.8 μm波段下的輻射亮度占比較高, 該波段下成像效果最好。 3.2～3.8 μm波段下的輻射亮度占比較低, 該波段下成像效果較差。 隨著波長的減少, 空間各點(diǎn)的輻射亮度值在下降, 處于大氣吸收帶下的4.2～4.4 μm波段, 由于大氣透射率幾乎為0, 無法獲得其準(zhǔn)確的空間輻射亮度分布。

3 結(jié) 論

在測試場測試了某坦克模型的中波高光譜成像, 對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了定標(biāo)、 大氣校正和不確定度評估。 測試數(shù)據(jù)平均相對不確定度在20%內(nèi), 具有較高的測量精度。 該測試數(shù)據(jù)和不確定度評估方法, 具有普適性, 可應(yīng)用于各種地海環(huán)境和目標(biāo)的高光譜成像測試。 從典型特征點(diǎn)的光譜輻射亮度上看, 模型側(cè)面上、 下涂層部分以及履帶和炮口的光譜曲線上有著明顯的差異性, 且在該波段目標(biāo)對陽光輻射的散射對測試數(shù)據(jù)影響較大。 對于任意特征點(diǎn)而言, 探測器所接收到目標(biāo)發(fā)射的波長較長部分的輻射亮度要大于波長較短部分的輻射亮度。 從典型波段的空間輻射亮度分布上看, 目標(biāo)各部位輻射亮度分布與周邊水泥地表的輻射亮度具有明顯差異性, 在水泥地表下可以明顯的甄別出目標(biāo)。