红外高光谱成像的光谱聚焦

红外成像探 测技术 的应用提高 了武器 的作 战性 能和效 能，但 在复杂光 电环境 中 ，单 波段红外 成像探 测 、制导武器的作战效能被 日益削弱 。20世纪 80年 代起 发展 起来 的高 光谱 探测 技术 为 红外探测技术 的革 新提供 了技术基础 。在更多谱 段上获取 目标信 息 ，就 可在能量 信息 、空间 信息 、时 间信息基础 上引入光谱信息进 行探测 和识 别 ，从而大大提高 制导武器在复杂 环境 与强对抗条 件下 的目标识别 能力 、抗干扰能力 、反 隐身能力以及精确制导能力[1-2]。

近年来 ，高光谱技术获得了很大发展 ，在卫星和机载遥感领域获得了成功应用 。然而 ，这些应用 中，探测(遥感)和识别是有人参与 的、独立非连续 的两个过程 。首先是用载于卫星或飞机上 的成像光谱仪将感兴趣区域 的光谱 、强度等信息数据实时采集并存储下来 ，然后通过数据链路下载 ，最后 由人利用计算机技术 判读获取 的信息并 进行离线地分 类和识别。对于某些特殊应用环境 ，比如需要实时处理或机器 自动识别的系统中，这种处理模式无法满足需求。

这种情况下 ，应该尽早剔除冗余和杂乱光谱信息 ，提高光谱信息利用效率 ，便于 目标检测和识别 ，同时减轻系统信息处理的资源需求。

文 中将光学系统 中能量维聚焦引 申至光谱维 ，在红外高光谱成像系统 中通过信号处理获取感兴趣目标与其环境的光谱特征差异 ，从 中得到调控参数控制成像系统中的可调谐部件 ，自适应调谐到最有利于探测和识别 的若干个光谱通道 ，从而实现光谱聚焦 ，达到光谱 自适应探测的目的。利用光谱聚焦技术可 以在图像获茸段 即进行信息分选 ，将图像信息获取的重点集 中在对 目标探测和识别最有利 的光谱通道上，从而减少后续对信息处理的资源需求 ，降低系统复杂度 ，有助于提高系统实时性和小型化 ，非常适合弹载环境应用。

1 国内外研究现状20世纪末 ，国外进行 了高光谱成像技术在 导弹上 的应用概念研究 。然而 ，由于弹载应用特殊 的高实 时性 、智能化 要求 以及 体积 、成本 、环境 等方面的限制 ，未见高光谱 成像技术 已用于装备 的明确报道 。

20世纪 90年代 ，怀特实验室(Wright Labs)资助OKSI(Opto.Knowledge Systems Inc)公 司进行 了智能导引头(Inteligent Missile Seeker：IMS)的研究口 ，在可见光(500～l 000 nm)和中波红外(2.5-5.0 tLm)两个波段 ，采用两个光栅作为分光元件 ，配置可调宽度狭缝确定光谱分辨率 ，接收元件采用 256x256元可见光 CCD和 160x120元 InSb制冷焦平面探测器制作了成像光谱仪阁，见 图 1所示 。

Dichroic图 1 IMS光谱仪光路以及原理装置Fig.1 Optical layout of IMS sensOr，and photograph ofthe assembly在实验研究的基础上 ，0KSI的研究人员还探讨了空空导弹导引头采用高光谱探测技术的方案以及面临的高速信息处理难题 。

John Nella等人也对高光谱探测技术应用进行了研究 ，并 申请 了专利[61，在专利 中给出了-种典型的分光光谱仪示意图，如图 2所示。

图 2分光 光谱 仪不 蒽 图Fig.2 Pictorial illustration of dispersive spectrometerDavid.O.Light等人也对高光谱成像技术在导弹上的应用进行 了研究 ，其专利口 采用 电压调谐滤波器或声光调谐滤波器构想了-种用于导弹制导 的高光谱成像系统 ，如图 3所示。具有体积小 、可靠性高 、易于控制 、易于集成等优点 。

- ㈨h审776 红外与激光工程 第 42卷；plan e-：9 1 1 lI lIltrol U I PRIOR ART anmdecmlo tonics) f1汪 .J!塾 pIelectronics l二二匝 09) gimbal L-lectronics 1- - 5Glmba1 l Precession r- -]/ 3 I 3commands J Sela/O l图 3高光 谱成 像系 统功能 框 图Fig.3 Block diagram of hyperspectral serlsor functionsRockwell科学公司的研究人员[31用基于 MEMS技术制作的可调谐滤波器实现了 8.O～10.7 Izm长波红外波段的高光谱成像 ，光谱分辨率约 100nm。

以上研究 报道和专利文献都将 重点放在 了分光器或是 系统构成上 ，没有针对 多通道 、实 时高光谱 图像处理进行研究和表述 ，没有发 现利用 图像 信息 处理的结果调控可调谐滤波器实现光谱 聚焦 的进-步阐述。

2008年以来 ，在航空科学基金资助下 ，作者进行了弹用红外高光谱成像探测技术的相关研究 。。 ，采用基于法布里-珀罗(Fabry-Perot，F-P)干涉原理的腔型可调谐窄带滤波器进行分光 ，提出了适合弹载应用的高光谱红外成像探测系统方案 ，设计并制作了 F-P可调谐滤波器阵列 ，进行了光学 系统设计，对调谐控制器进行了试验研究 ，探讨了利用高光谱图像信息处理的结果调控可调谐滤波器的光谱聚焦技术。

2 系统构成如图 4所示，实现光谱聚焦的红外高光谱成像系统包含光学系统(含前置光学系统和成像光学系统)、图 4光谱聚焦功能框图Fig.4 Block diagram of spectrally focusing光谱调谐分光器 、红外焦平面探测器 、光谱聚焦处理器、聚焦控制器等几部分 ，其 中的关键是光谱调谐分光器和光谱聚焦处理器。

目标和背景的红外辐射通过窗 口进入 系统 ，首先经过前置光学系统进行光束压缩 ，以减小入射角 ，然后经过光谱调谐分光器进行光谱分离 ，接着 由成像光学系统汇聚到探测器 的焦平面上 。探测器完成光 电转换，通过预处理单元形成高光谱数字图像 ，聚焦处理器根据应用需求通过对不同光谱图像的分析得到聚焦调控参数 ，由聚焦控制器驱动光谱调谐分光器完成光谱聚焦。

根据典型 目标的光谱特性 ，分光器工作在 中波35 m波段 ，峰值波长取 4 m。

对 于高光谱成像系统 ，光谱通道越多 ，光谱的分辨率就越高 ，但光谱细分太多会增加后面的信息处理量 ，对于弹载应用十分不利。综合考虑 ，在 3-5 m波段范围内选择 10-20个通道 ，每个通道的光谱宽度为 100～200nm。在实际工作中可以根据典型 目标的辐射窗 口合理对光谱范 围进行选择 ，也可 以将某几个通道合并从而选择该 目标的典型辐射窗 口。

系统采用 的探测器为中波制冷型凝视探测器 ，像元为边长 30 Ixm的方形结构。光学系统的工作波段为 3-5txm，有效焦距-厂为 55mm，F数 1.5，全视场2。，全视场内弥散斑直径小于 30 m。为抑制杂散光系统采用 100%冷光阑。

表 1红外高光谱成像 系统主要指标Tab.1 M ain parameters of hyperspectral imagingIR systemParameter ValueW aveband/pmBandsBandwidth/nmTuned time/msFOV/(。)Transmittance，peak/%3 关键技术3.1 光谱调谐分光器调谐分光器是实现光谱聚焦的关键元件 ，系统S ) O ； ) 778 红外与激光工程 第 42卷波 、短波方向移动 ，带宽也略有不 同。另外 ，光线入射角度增大会引起峰值波长向短波漂移 ，需将入射角控制在 l0。以内，这也是光学系统前端配置光束压缩单元的原 因。

3.2 光谱 聚焦 处理 器光谱聚焦处理器通过对光谱 图像的处理调控光谱调谐分光器，实现光谱聚焦。光谱聚焦处理器首先进行图像特征分析 ，获取感兴趣 目标与其环境光谱特征的差异 ，然后根据应用需求 ，选择光谱聚焦策略 ，根据调控函数生成调控参数送给聚焦控制器实施光谱聚焦。

典型 目标与背景图像的光谱特征分析是研究的基础 ，利用获取的图像信息 ，通过数字图像处理手段 ，对感兴趣典型目标及其背景在不同光谱通道图像 中的特征差异进行分析 ，结合具体应用需求，形成聚焦调控函数进行波段选择n 。

光谱聚焦技术可以用于不同应用 目的，如图像对 比度增强 、背景抑制、目标识别 、嘲理解 、异常检测 、变化检测等 ，针对不同应用 ，光谱 聚焦 的目的和途径不尽相同，调控 函数也具有不同的形式。对于对比度增强应用n ，其 聚焦 目标函数-般为图像 的对比度 ，调控 目标是使其最大化。但是调控过程中，还受实际应用时其他因素的制约 ，调控 目标-般不仅仅是单-的参数 ，而是-组参数集合 ，这样不但使对比度得以增强 、而且使其它不良影响减至旧能小 。

如图 9所示 ，光谱 聚焦处理的基本流程是原始的高光谱数据经过定标 、去噪等预处理后 ，进行光谱异常检测以划定可能包含有 目标信息的疑似 区域 。

针对疑似区域 ，由光谱数据统计结果或类间可分性数据驱动光谱聚焦函数获得聚焦调控参数 ，实现波图 9光谱 聚焦处 理 的-般 流程Fig 9 General flow of specMly focusing processor段 自适应选择 ，达到光谱聚焦的目的。获取光谱聚焦调控参数的关键在于光谱聚焦 目标 函数的设计 ，它反映了系统对关键图像信息特征的需求。不同的系统应用对图像信息的关注点不同，光谱聚焦函数也有所差异，即使对同样图像波段选择结果也会不尽相同。

图 l0所示是针对 ATR应用的光谱聚焦处理，分别从基于信息量 、基于类间可分性和基于光谱相似度量三方面进行组合设计 ，得到两种聚焦调控函数进行最佳波段选择。第-种将基于信息量的自动子空间划分选出的波段与基于类问可分性的离散度或 距 离(Bhattach-aryya距离)选出的波段相结合 ，所选波段相关性小 、所含信息量大且针对特定目标可分性好。第二种将基于光谱维的波段最大筛选法选出的波段和基于类间可分性的离散度或 B距离选出的波段相结合，所选波段信息量既大又有区别并且特定 目标可分性大。对结果进-步筛焉得到适用于光谱聚焦的波段子集 。

InformationquantityHyperspectfral images[ Inter-clasl Spectral similarity separabilityComparing targrt classification result幽 l0面 向应用 的光 谱聚焦 处理Fig.10 Spectrally focusing for ATR光谱聚焦处理器应满足系统实时性的要求。系统聚焦调谐可 以在每个波段图像 的帧逆程实施 ，光谱聚焦处理器对图像的处理则随着图像生成实时进行。当所有通道图像获润 ，即可得到单通道图像预处理结果 ，然后进行高光谱 图像不同波段图像的相关处理 ，得到聚焦调控参数。由于系统光谱通道不是很多，当采用多通道并行处理时，-般可以满足系统实时聚焦的需求 。

4 结 论文中提出了-种基于腔型可调谐滤光器 、具有光谱聚焦功能的红外高光谱成像系统，介绍了系统构成及关键技术。设计 了 10通道中波红外可调谐分善搴摹第3期 孟卫华等：红外高光谱成像 的光谱聚焦 779光器 ，带宽约 130nm，波长调谐时间小于 5ms。研究了利用高光谱成像信息驱动聚焦调控函数获得调谐控制参数 ，进而控制分光器调谐至最佳波段 的光谱聚焦方法 ，给出了光谱聚焦 的处理流程。利用光谱聚焦可 以实现光谱 自适应探测和处理，对弹载高光谱成像应用具有重要意义 。后续工作-方面着重于进- 步提高可调谐分光器 的性能 ，另-方面继续对聚焦调控函数的优化设计及其验证进行深入研究。