基于多光谱的空间点目标特征提取与识别

　　引　言

　　20世纪80年代以来,欧美等国竞相研究多光谱测温技术,主要用于解决高温及超高温目标真实温度及热物性的动态测量。所谓多光谱测温法即为在一个仪器中制成多个光谱通道,利用多个光谱的物体辐射亮度测量信息,经过数据处理得到物体的真实温度和材料光谱发射率。该方法由于不需要辅助设备和附加信息,对被测对象亦无特殊要求,因而表现出了极好的发展前景。本文利用某光电红外系统,获取了4种空间点目标的多光谱实测数据,从多光谱的角度出发,将目标的辐射特性与不同温度的黑体辐射特性相比较,计算四种空间点目标的温度,进行识别。

　　1　目标数据获取与分析

　　1.1　数据获取

　　由于所探测目标是空间点目标,所以探测器不仅收集了来自目标的红外辐射信号,同时也收集了目标对其他辐射的反射和大气背景的辐射,主要包括目标反射太阳的辐射、目标反射地球的热辐射、大气背景的辐射和探测系统自身的热辐射,其中占主要影响的是大气背景的辐射和系统自身的热辐射。而探测器传感器的前端处理分系统能够有效抑制系统自身热辐射对目标测量的影响。

　　在探测系统跟踪结束后,需要执行两个校准任务:PM1和PM2任务。PM1任务是在跟踪区域选一颗恒星,记录下它的辐射谱数据,用于大气校准;PM2任务是在跟踪区域选一块无恒星的空白天空,凝视一段时间,获得的辐射谱数据作为各通道窄带数据的偏置值。计算各通道的目标辐照度时,要减去这些偏置值。数据转换后得到各个通道的目标辐照度。

　　1.2　空间目标的选择

　　选择了4个空间目标,无论是红外辐射特性,还是物理结构都有其代表性。这些目标按热辐射特性可大致分为3类:

　　(1)正常热容目标,大电功率,如目标1;

　　(2)正常热容目标,中、小电功率,如目标2和目标4;

　　(3)无源球体结构,如目标3。

　　1.3　传统的多光谱目标特征分析

　　假定采集到的数据来自U×V的焦平面阵列,令n=U×V,由普朗克定律可知,对于有n个通道的多波长温度计来说,共有n个方程,却包含(n+1)个未知量,即目标真实温度T和目标的n个光谱　　发射率ε(λi,T),因此必须假设光谱发射率和波长之间存在某种函数关系,否则方程组无解。在多光谱辐射测温领域常假设光谱发射率随波长变化而变化[1,2],其中一个常用的假设方程如下式所示:

　　1.4　基于辐照度的目标特征提取

　　1.4.1　辐照度特征分析

　　考虑将所研究的红外波长分为三个波段:短波(0.8～2.4μm)、中波(2.4～5.5μm)、长波(8～11.6μm)。