[01361394]高性能红外成像关键技术及应用

本项目来源于863课题、国防科工委民用航天计划、航天支撑基金、湖北省自然科学基金等计划项目以及校企合作横向科研项目。 红外成像是通过光学系统捕获目标物体的温度辐射分布,使用红外热成像装置进行光电转换,依靠信号、图像处理技术实时加工成高质量视频流,借助图像分析显示控制软件根据实际应用需求输出特殊图像、数据的技术。 该技术具有被动接受目标自身红外热辐射的特点,因此不受光线、雨、雪、雾、烟等各种环境的影响,可在全天时、全天候状况下工作,具有较强的抗干扰能力、隐蔽性好等优点,已从特殊军事用途向交通、电力、警用执法、消防、医疗、建筑、无损探测等民用领域扩展。 实现光电转换的红外热成像装置称为红外探测器,它是由纵横排列的能够将接收到的红外辐射信号转换为电荷信号的红外感光像元阵列和读出电路构成。受生产工艺、材料、技术等限制,造成红外感光像元进行电荷信号转换的响应不一致及部分像元工作不正常的现象,形成通常所说的非均匀性响应和“盲元”两大问题,导致电信号失真、信号噪声大,使得原始图像质量严重退化,需要特定的图像处理算法提升图像质量。 随着技术的发展,红外探测器由最初64×64、160×120感光像元个数（即分辨率）,逐步发展到目前主流大面阵的384×288、640×512,使得感光像元呈几何级数增加,也导致非均匀性响应和“盲元”两大问题更加突出。在分辨率（即感光像元个数）提高的同时,高速运动的机载、车载红外成像要求每幅图像生成的时间更短,即成像具有更高的帧频,例如目前主流的大面阵640×512分辨率的红外成像,在每秒实时生成100幅图像时,需要处理高达500Mb/s的数据。这也使得海量数据的实时处理成为亟待解决的问题。 另外,交通、电力、警用执法、消防、医疗等实际应用中,需要有针对性的进行图像分析、数据挖掘及参数控制,因此必须开发出一系列图像分析显示控制平台以满足不同的功能需求。红外成像系统一般分为4部分组成：光学系统、红外探测器、图像处理系统、分析显示控制平台。 本项目的研究内容主要围绕图像处理系统与分析显示控制平台来展开,通过这两部分上的技术创新实现红外成像系统的整体性能提升。具体技术指标如下： 成像分辨率：640×480,384×288,320×256 热灵敏度：≤30mK（制冷）,≤80mK（非制冷） 成像帧频：100Hz（制冷）,50Hz（非制冷） 红外测温精度：≤0.08℃（非制冷）。 主要创新点如下： （1）提出了基于全硬件逻辑的红外信号和图像处理构架、基于长短积分细节融合以及自适应双平台直方图的红外图像增强新方法,有效解决了大面阵高帧频红外图像的实时处理、噪声抑制和信号增强等核心难题; （2）提出了基于场景的自动分段和模板法无快门等新方法,实现了大动态范围下持续稳定的非均匀性校正,解决了电荷信号转换响应不一致造成的非均匀性问题; （3）提出了静动态结合的盲元检测补偿新方法,有效克服了因“盲元”造成的图像噪声强、目标难检测等问题。 （4）研制了一系列红外图像分析显示控制平台软件,满足了各行业应用的具体需求。对于一个产品的技术成熟度通常可采用美国军方广泛采用的技术成熟度评估方法,即“技术成熟度水平（TRL）”框架。该框架中,技术以其最终形式在任务条件下得到实际应用为最高成熟度水平。 目前,应用本项目技术已开发出六大系列40余型号产品,与国外同类相比,具有可靠性好、性价比高的特点,通过了欧洲CE标准认证、中国军工产品质量体系认证、武器装备科研生产许可证、医疗器械生产许可证认证等。 项目在国内多个重大事件中,经受住了实际应用的考验,如： 在2003年国家非典疫情突发时,成功阻截了高温患者的入境,在全国抗击非典的战场上发挥了巨大的威力,为政府建立疫情检测网络起到了积极作用; 在5.12汶川地震抗震救灾工作中,作为唯一选用的红外产品成功完成了唐家山堰塞湖及北川夜间险情实时监控的任务; 在2009年全球爆发甲型H1N1流感疫情时,为全国28个省、市出入境检验检疫局提供红外检测设备,并成为中国援助疫情首发地墨西哥的唯一红外检测设备; 在国庆六十周年庆期间,红外安全检测设备被选用安装于天安门城楼、人民大会堂等国家领导机关重要场所。 此外,项目产品还广泛应用于包括首都机场T3航站楼在内的多个国内机场、口岸、消防局、电力系统等。获得湖北航天技术研究院总体设计所、沈阳自动化研究所等单位的一致好评,并寄来感谢信。同时,销往70个海外国家,得到了广泛认可。 可见,本项目技术研制的红外成像产品,可靠性好、成熟度高、质量优异。应用本项目技术,依靠产学研结合,武汉高德红外股份有限公司开发出六大系列40余型号产品,通过欧洲CE标准认证、中国军工产品质量体系认证、武器装备科研生产许可证、医疗器械生产许可证等资质认证。 作为现代和未来高科技战争的重要技术平台,项目产品广泛应用于卫星、战机、导弹、防空、舰船、装甲、火炮等各种武器装备,对反隐身、精确打击、全天候、全天时作战、现代防空等尤为重要和突出。产品结合武器的特殊要求进行特殊设计,并与激光、CCD、雷达、随动平台、通讯、火控、火力单元等组成一个精密而先进的系统,技术居国内领先,达到国际先进水平。具有完全自主知识产品的军用高端红外热成像仪及光电系统,经实际测试达到战略需求,性能优异。 在民用领域,产品畅销全国各地,已广泛应用于电力、医疗、消防、公安、冶金、化工等领域。迄今已销售1.4万余台（套）,累计销售额13.5亿元、利税7.1亿元、降低成本1.26亿元、节汇约2000万美元、出口创汇5000万美元;近三年销售9.8亿元、利税4.9亿元、降低成本1.04亿元、节汇超1700万美元、出口创汇3300万美元。