热红外遥感

第1章绪论 　　1.1热红外遥感的定义 　　遥感是20世纪60年代发展起来的一项对地观测综合性技术，是指从不同高度的平台上，使用各种传感器，接收来自地球表层的各种电磁波信息，并对这些信息进行加工处理，从而对不同的地物及其特性进行远距离探测和识别的综合技术。 　　根据工作平台、工作波段、应用目的、工作方式等的不同，可以将遥感分为不同类型。其中，依据探测电磁波的工作波段，可将遥感分为紫外遥感、可见光遥感、红外遥感、微波遥感等。红外遥感是指传感器工作波段位于红外波段范围之内（0.76～1000^m）的，通过探测目标反射或辐射红外能量获取目标有关信息的遥感手段，以确定地面物体性质、状态和变化规律。红外波段又可以分为四个部分：近红外/短波红外（0.76～2.5），卫星传感器在这个光谱范围接收到的主要是地表对太阳辐射的反射能量，地球自身辐射的贡献非常小；中红外（2.5～6.0μm），在白天，遥感传感器接收到的信息中既包含目标自身的热辐射，又包含目标对太阳中红外辐射的反射辐射，两者数量级相当；热红外（6.0～15.0μm），以地物的自身热辐射为主，反射太阳辐射的部分可以忽略；超远红外（15.0～1000μm），该波段范围在对地遥感观测中应用得相对较少。 　　无论是中红外还是热红外波段范围，都提到了“热辐射”。热辐射是一种自然现象，是指温度超过绝对零度（0K或-273.15°C）的所有物质不断地向外发射的红外辐射，是自然界中存在*为广泛的辐射。红外辐射是一种看不见、摸不着的电磁辐射。红外辐射依赖于温度，因而称“热辐射”，辐射能量大小与波长有关。例如，根据人体体温，可以计算出人体所发出的不同波段辐射能量。 　　热红外遥感就是通过热红外探测器收集、记录地物辐射出来的人眼看不到的热红外辐射信息，并利用这种热红外信息来识别地物和反演地表参数（如温度、发射率、湿度、热惯量等）的遥感技术。从大气窗口角度来看，热红外遥感的工作波段范围一般为8.0～14.0μm。 　　1.2热红外遥感的特点 　　可见光-反射红外遥感用于研究、监测和对比地面物体反射太阳辐射能的差异，通过不同地物的反射率光谱特征差异来识别区分地物和反演估算地物特征参数。热红外遥感主要探测地面物体发射辐射能的差异，是获取地表热状况信息的重要手段，在植物生长、地表水分蒸发及循环、气候变迁、城市热环境等领域被广泛应用。 　　相对于可见光-反射红外遥感，热红外遥感具有不同的特点，主要表现为如下6个方面。 　　（1）热红外遥感是一种全天时的遥感手段。温度超过0K的物体在任何时间都会不断地向外辐射热红外能量，因此热红外遥感可以在白天或黑夜的任何时候进行。 　　（2）地物本身的热过程非常复杂。地物从辐射能量吸收（增温）到能量发射（降温），存在着一个热储存和热释放的过程。这个过程不仅与地物本身的热导率、热容量、热惯量等热学参数有关，还与环境条件等多因素有关。整个热过程存在着“滞后”效应，要定量表达这一过程，是相当复杂的。 　　（3）热红外信息受地表状况与环境条件的影响。风速、风向、空气温度、湿度等微气象参数，土壤含水量、植被生长状况、地表粗糙度、地形地貌等多种因素共同影响热红外波段传感器的探测结果。 　　（4）热红外遥感的大气影响更为复杂。电磁辐射在穿过大气层时，与大气层相互作用，产生了随波长变化的反射、散射、吸收等现象，从而使到达传感器的辐射能量衰减。在热红外波段，大气对辐射的散射削弱较小，一般可忽略不计。但是，大气分子与悬浮粒子对辐射的吸收作用却非常明显，尤其是在热红外大气窗口内，大气水汽、二氧化碳和臭氧等成分的影响尤为显著。除了大气对电磁辐射的吸收以外，大气自身的热辐射也是不可忽视的，这种热辐射与所探测的地面信息无关，它叠加于地面目标的热辐射信号之上，从而使热红外遥感问题变得更加复杂。 　　（5）温度与发射率的分离是热红外遥感的一个难点。热红外探测器所获得的物体发射辐射信息中既包含了物体温度，也包含了表示物体辐射能力的发射率（或比辐射率）。根据热红外波段辐射传输原理，要从一个方程中同时获取两个未知数，这在数学上是欠定的。为了从热红外遥感中获取地表温度和发射率，需要其中一个参数已知，如何将两者有效分离是定量热红外遥感的难点问题。 　　（6）热红外遥感图像的非同温混合像元问题突出。热红外遥感图像的空间分辨率一般低于可见光-近红外遥感图像，混合像元问题就显得特别突出。对于热红外遥感而言，一个像元由多个组分组成，不同组分的表面温度不同，加大了地表温度反演的难度。热辐射定律，例如普朗克定律，适用于表面温度均一的地表，而当地表包含两个及以上显著不同温度的地物时，需要对这些定律进行尺度校正。 　　1.3热红外遥感的发展 　　1.3.1热红外遥感系统发展 　　根据热红外遥感的应用领域，热红外遥感系统的发展史可以从红外热成像系统和对地热红外遥感发展两个方面进行介绍。 　　1.红外热成像系统 　　自从赫歇尔1800年发现了红外线，人类开辟了应用红外技术的广阔道路。1840年，赫歇尔的儿子约翰爵士，把一个热的图像聚焦在一张薄油膜上时，发现薄油膜不同部位的蒸发稍有差别。根据油膜对光的反应，人眼能够从反射光中看到热成像。约翰爵士设法在纸上粗糙地记录下了这个热成像，将其称之为“热记录器”这在历史上被称为**个所谓的“热像”直到1962年，**台真正意义上的红外测温仪才诞生，可用于测量一个区域内的平均温度，获得单点温度。 　　1）**代红外热成像系统 　　第二次世界大战后，美国得克萨斯仪器公司在1964年根据响尾蛇的捕猎原理，首次研制成功**代用于军事领域的红外热像装置一“红外前视”（forward looking infrared，FLIR）系统。这类装置先利用光学元件的机械运动，对目标的热辐射进行图像分解扫描，然后应用光电探测器进行光/电转换，*后形成视频图像信号，并在荧屏上显示。FLIR是一种非实时的自动温度分布记录仪，随着锑化铟和锗掺汞光子探测器的发展，高速扫描及实时显示目标热图像的系统才开始出现。**代热像仪采用多元线列或小面阵探测器，光机扫描机构复杂，信号处理简单，图像质量低于黑白电视图像。红外前视系统至今仍是军用飞机、舰船和坦克上的重要装置。 　　2）第二代红外热成像系统 　　20世纪60年代中期，瑞典AGA公司和瑞典国家电力局在红外前视装置的基础上，开发了具有温度测量功能的热红外成像装置。这种第二代红外热成像系统由红外光学系统、红外探测器、后续电路、图像处理软件等部分组成，通过探测目标物体的红外辐射，经过光电转换、电信号处理等手段，将目标物体的温度分布图像转换成视频图像，并能够为人体肉眼所见。 　　由于保密等原因，红外热成像系统在发达国家中也仅限于军事使用。它可穿过黑夜或浓厚云雾探测对方目标，识别伪装目标和高速运动目标。在红外热成像系统发展的初始阶段，仪器成本很高，需要投入的研制开发费用很大。为了工业生产中的实用性，并结合工业红外探测特点，降低生产成本，研发人员通过减小扫描速度等措施来提高图像分辨率，使得红外热成像系统逐渐发展至民用领域。 　　20世纪70年代，法国汤姆孙公司研制出不需制冷的红外热成像产品。1986年，瑞典研制出工业用的实时成像系统，该系统无须液氮或高压气，以热电方式制冷，可用电池供电；1988年又推出全功能红外热成像系统，它将温度的测量、修改、分析，图像采集、存储合于一体，重量小于7kg，仪器的功能、精度和可靠性都得到了显著的提高。 　　20世纪90年代中期，美国研制成功由军用技术的焦平面阵列（focal plane array，FPA）转民用并商品化的新一代红外热像仪-电荷親合器件（charge-coupled device，CCD），它属于焦平面阵列式结构的一种凝视成像装置，技术功能更加先进。现场测温时只需对准目标摄取图像，并将信息存储到机内的PC卡上，即完成全部操作，获取的数据可后续利用专业软件进行处理与分析，并直接得出检测报告。由于技术改进和结构改变，复杂的机械扫描被取代，仪器重量已小于2kg，使用中如同手持摄像机一样，单手即可方便操作。 　　第二代红外热成像系统采用长线列或与黑白电视分辨率相当的凝视焦平面阵列，读出电路采用大规模集成电路并有一定的信号处理功能。通过缩小体积、降低功耗，在技术功能上更加先进，操作更加方便。但红外焦平面阵列的探测单元数目较小，无法获取高分辨率的红外图像。 　　3）第三代红外热成像系统 　　进入21世纪，红外焦平面阵列的研发得到进一步的发展，改善了第二代红外热成像系统中焦平面阵列探测单元少，无法获取高分辨率红外图像的问题，这标志着红外热成像系统进入了第三代。美国罗克韦尔研究中心成功研制了短波2048像素x2048像素大小的碲镉汞（HgCdTe）型红外焦平面阵列，并将其成功应用到航天和天文观测等领域。德国AIM公司成功研制中长波HiPIR-640-MCT640像素x512像素的碲镉汞型红外焦平面阵列。法国Sofradir公司成功研制一款中波1280像素x720像素碲镉汞型红外焦平面阵列，主要用于航空航天和工业监测等领域。 　　随着红外焦平面阵列技术的迅速发展，美国、日本、英国、法国、德国、以色列等西方发达国家都在竞相研制和生产先进的红外焦平面阵列摄像仪，其中美国在红外焦平面阵列传感器的发展水平方面处于领先地位，其焦平面阵列规模已达2048像素X2048像素，已接近于可见光硅CCD摄像阵列的水平。日本在世界上首先实现了100万像素集成度的单片式红外焦平面阵列，将HgCdTe、InSb、GaAlAs/GaAs量子阱和PtSi非制冷红外焦平面阵列等各类产品推向市场，抢占商机。法国、荷兰、瑞典、英国、德国和意大利等国家在非制冷红外热摄像仪技术的发展方面，处于前沿的竞争地位。 　　第三代红外热成像系统的特点是采用长线列或与高清晰度电视分辨率相当的凝视焦平面阵列，具有多个工作波段，读出电路采用超大规模集成电路并具有复杂信号处理功能。另外，焦平面阵列结构向混合型发展，读出电路向高电荷容量、高转移效率、低噪声和低功率耗散方向发展。兆像素级、多色制冷探测器，高性能非制冷探测器，以及低成本微型非制冷探测器，逐渐实现了高灵敏度、高分辨率、高帧率的图像采集功能。 　　4）我国红外热成像系统的发展 　　我国红外热成像系统的研发起步于20世纪70年代。70年代，中国有关单位已经开始对红外热成像技术进行研究。80年代末，中国已经研制成功了实时红外成像样机，其灵敏度、温度分辨率都达到很高水平。进入90年代，随着国内经济的进一步发展和科研实力增强，我国在红外成像设备上使用低噪声宽频带前置放大器、微型制冷器等关键技术方面有了发展，并且从实验走向应用，如用于部队的便携式野战热像仪、反坦克飞弹、防空雷达，以及坦克、军舰火炮等。1995年成功研制32像素和128像素线列红外探测器。2004年昆明物理研究所成功研制了128像素x128像素的非制冷型焦平面阵列。2009年，北方广微科技有限公司成功研制了一款160像素x120像素的非制冷型氧化钒焦平面红外探测器。2012年，浙江大立科技股份有限公司首次公开展示了多款国产红外探测器，器件性能接近国外水平。目前国内正朝着1024像素x1024像素或者更高分辨率的方向发展，探测器阵列面积越来越小，温度灵敏度高于0.01°C，对目标的识别精度越来越高。 　　2.对地热红外遥感 　　对地热红外遥感指通过搭载在各种平台上的红外敏感元件来探测地球表面物体的热辐射能量，通过处理后显示目标物体的发射率、辐射温度或真实温度的对地遥感技术。不同高度的遥感平台搭载的热红外传感器有所不同。