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本书是作者近二十年来对红外成像开发理论和技术的全面总结，是作者搜集了国内外最新研究成果，并在研究生讲稿的基础上改编的。本书分7章，主要内容包括：第1～2章介绍红外探测器的成像原理；第3章介绍红外成像的硬件系统设计；第4章介绍红外图像的非均匀性校正算法；第5章介绍红外图像的数字细节增强算法；第6章介绍红外图像的超分辨率处理技术；第7章介绍红外成像系统的测试方法。本书可作为高等学校光电等相关专业的基础教材，也可供相关领域的工程技术人员学习、参考。

目    录
第1章  绪论	1
1.1  红外辐射	1
1.1.1  引言	1
1.1.2  红外辐射定律与特性	2
1.1.3  红外辐射在大气中的传输	3
1.1.4  红外光学系统	4
1.2  热成像技术	7
1.2.1  热成像技术解决的基本问题	8
1.2.2  热成像技术的作用与地位	8
1.2.3  热成像技术的军事应用	9
1.2.4  热成像技术在国民经济领域的应用	11
1.3  红外探测器与热成像技术的关系	12
第2章  红外焦平面阵列	14
2.1  红外焦平面阵列简介	14
2.1.1  扫描型和凝视型红外焦平面阵列	14
2.1.2  红外焦平面阵列的结构	15
2.1.3  典型的红外焦平面阵列	15
2.2  热绝缘结构的重要性	16
2.3  主要热探测机理	19
2.3.1  热电探测器和铁电测辐射热计	20
2.3.2  热电耦探测器	22
2.3.3  电阻微测辐射热计	23
2.3.4  电阻微测辐射热计的模型	25
2.3.5  温差电探测器	35
2.4  重要极限	36
2.4.1  温度波动噪声极限	36
2.4.2  背景波动噪声极限	37
2.4.3  非制冷热成像焦平面阵列设计	40
2.5  非制冷凝视红外焦平面读出电路	41
2.5.1  红外焦平面阵列读出电路读出方式	42
2.5.2  非制冷红外焦平面阵列输入电路	44
2.6  非制冷凝视红外焦平面成像模型	49
第3章  红外成像电子系统设计	53
3.1  引言	53
3.2  低噪声偏置电压及高精度数字信号的实现	53
3.3  多次采样滤波技术	63
3.4  红外焦平面自适应偏置电压技术	65
3.5  系统构架搭建	69
3.5.1  Qsys平台Avalon总线和Nios处理器	69
3.5.2  基于Qsys平台和Avalon总线的系统架构	72
3.5.3  基于Qsys平台和Avalon总线的模块算法实现	83
第4章  红外图像的非均匀性校正	96
4.1  非均匀性定义	96
4.2  非均匀性成因	97
4.3  常用的非均匀性校正方法	99
4.3.1  基于定标的非均匀性校正算法	99
4.3.2  基于场景的非均匀性校正算法	104
4.4  单帧非均匀性去条纹算法	116
4.4.1  基于边缘灰度级共生矩阵条纹非均匀性校正方法	116
4.4.2  基于中间均衡直方图条纹非均匀性校正方法	119
4.4.3  基于全变分的条纹非均匀性校正方法	120
4.4.4  基于相邻灰度继承的条纹非均匀性校正方法	123
4.4.5  基于自适应灰度调整的条纹非均匀性校正方法	126
4.4.6  基于常数先验的条纹非均匀性校正方法	128
第5章  红外图像细节增强	131
5.1  红外图像细节增强的意义和概述	131
5.2  基于频域和空域红外图像细节增强技术	132
5.3  基于双边滤波的红外图像细节增强技术	134
5.4  基于混合滤波红外图像细节增强技术	137
5.5  基于傅里叶变换的红外图像细节增强技术	139
5.6  基于直方图的红外图像细节增强技术	141
5.6.1  基于梯度直方图的红外图像细节增强技术	142
5.6.2  于自适应双平台直方图均衡细节增强算法	143
5.7  新型红外图像细节增强技术	146
5.7.1  基于Retinex红外图像细节增强技术	146
5.7.2  基于小波的红外图像细节增强技术	148
5.7.3  基于模糊域理论的红外图像细节增强技术	150
第6章  红外图像的超分辨率处理技术	153
6.1  引言	153
6.2  非制冷凝视红外焦平面微扫描理论	153
6.2.1  微扫描成像的理论基础	154
6.2.2  微扫描成像方案比较	161
6.2.3  改进的平板光学元件微扫描方案及锗片倾斜角度模型	165
6.3  微扫描成像技术的具体实现	170
6.3.1  红外光学系统选取	171
6.3.2  微扫描器的设计	175
6.3.3  驱动电机的选取	182
6.4  图像超分辨率重建算法	186
6.4.1  基于边缘定位的多帧红外微扫描图像位移误差补偿	187
6.4.2  基于主结构分离的稀疏表示单帧图像超分辨率重建	193
6.4.3  基于流形正则协同支持的单帧图像超分辨率重建	203
第7章  红外成像系统的测试方法	211
7.1  红外探测器参数测试方法	211
7.2  基于虚拟仪器的可视化多模式测试与仿真系统	212
7.2.1  虚拟仪器技术	212
7.2.2  基于虚拟仪器的可视化多模式测试与仿真系统组成	214
7.2.3  系统工作原理	216
7.3  凝视焦平面探测器参数测试技术	217
7.3.1  凝视焦平面探测器组件	217
7.3.2  凝视焦平面探测器盲元测试技术研究	219
7.3.3  凝视焦平面探测器非均匀性测试技术研究	229
7.4  红外成像机芯测试方法	232
7.4.1  NETD噪声等效温差的测试	232
7.4.2  MRTD最小可分辨温差的测试	233
7.4.3  MTF调制传递函数的测试	235
7.4.4  MDTD最小可探测温差的测试	237
7.4.5  红外整机性能测试	238
参考文献	242

前    言
红外成像是利用红外探测器对目标辐射的能量进行探测并成像的光电成像技术，是一种将不可见的红外光转换为可见光的光谱转换技术。由于其能够探测目标主动发出的能量，因此不需要阳光及星光的照射就能成像，是一种可以全天候、不分昼夜工作的被动成像技术，非常适用于夜间目标的观测，因此，红外成像技术最早在军工领域获得广泛应用。
21世纪以来，红外成像技术得到了长足发展，非制冷探测器的阵列规模从320×240一直发展到1024×1024，制冷探测器也从128×128发展到640×512规模以上，并成为稳定的货架产品。非制冷探测器的NETD也从100mK发展到当前低至30mK的水平。尤其近5年来，国产红外探测器的技术水平得到了很大提升，无论从探测器阵列规模，还是从NETD水平上来说，都逐渐缩小了与西方发达国家的差距。尤其在国家提高红外成像系统国产化率的大背景下，国产红外探测器在光电类武器装备中发挥了越来越重大的作用。此外，随着探测器工艺水平和材料生产技术的进步及我国国产化探测器的逐步成熟，红外成像在民用领域获得了广泛的应用。由于红外是对热量成像，凡是对热量敏感的场合均有红外成像应用的广泛天地。比如红外成像非接触测温，在2003年国家防控非典查询体温过高人员时，起到了非常重要的作用。红外还广泛应用于汽车夜间辅助驾驶、红外人体早期疾病筛查、红外有毒气体检测、红外电力系统非接触故障检测、红外森林防火监控等领域。红外成像技术的应用领域必然随着红外成像系统性能水平的提升和价格的下降，获得更为广泛的拓展。
然而，与可见光系统相比，红外探测器的可靠性、性能稳定性均有极大差距，红外探测器对微弱热量进行探测的定位，决定了红外探测器对噪声极为敏感，且其性能受环境温度影响极大。红外探测器普遍具有的非均匀性又降低了系统的性能。上述因素都决定了红外成像系统的技术开发门槛极高，而当前对红外探测器成像理论、系统开发和算法研究的系统性指导图书并不多见，这严重限制了我国红外成像系统的大规模生产和广泛应用。为促进我国红外成像水平的整体提升，培养红外探测领域的专门人才，加快我国红外成像技术在更多领域获得广泛应用，作者决定开始本书的编写工作。
作者近二十年来一直从事红外成像理论探测和开发，开发了大量国外非禁运和国产的制冷、非制冷探测器，对各种材料探测器的理论、性能非常了解，承担了国家和地方的多项红外科研项目，并获得国家科技进步奖二等奖、教育部科技进步奖一等奖和国防技术发明奖等多个国家级、省部级奖项。本书是作者近二十年来对红外成像开发理论和技术的全面总结，是作者搜集了国内外最新研究成果，并在研究生讲稿的基础上改编而成的。本书共分7章：第1～2章介绍红外探测器的成像原理；第3章介绍红外成像的硬件系统设计；第4章介绍红外图像的非均匀性校正算法；第5章介绍红外图像的数字细节增强算法；第6章介绍红外图像的超分辨率处理技术；第7章介绍红外成像系统的测试方法。
本书由陈钱、隋修宝编著。其中，陈钱进行了章节的统筹规划，并负责了第1、2、5、7章的撰写，隋修宝负责了第3、4、6章的撰写。本书即将出版之际，感谢顾国华教授的章节统稿，和高航博士、赵耀博士、刘程威博士、匡小冬博士、黄熙燕硕士、吴骁斌硕士、钱佳硕士、潘科辰硕士在科研上的贡献及在文字校对、资料查阅等方面的工作。
由于编者水平有限，书中难免存在一些缺点和错误，恳请各位专家和广大读者批评指正。

                                                     陈  钱  隋修宝  
                                                        2017年12月

红外图像处理

陈钱，教授，南京理工大学校长助理。美国光学学会会员，中国光学学会会员，江苏省光学学会副会长，总装光电火控组专家。主持和参与国家重大型号、专项、重点预研和基金等科研任务19项，获国家科技进步二等奖1项、省部级科技进步一、二等奖3项。获教育部首届优秀青年教师奖、江苏省第六届青年科技奖、江苏省第三届十大杰出发明人和江苏省青年科技创业十大明星提名奖，入选"新世纪百千万人才工程”国家级人选，享受国务院政府特殊津贴。出版专著一部，申请专利36项，授权13项，发表学术论文100余篇，56篇被SCI和EI收录。

对红外成像开发理论和技术的全面总结

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