红外辐射与目标识别

本书本是作者及其所在团队基于多年的光学特性研究与实践应用编写而成。《红外辐射与目标识别》从目标特性服务于光学探测识别应用的视角，系统地论述了目标与环境红外辐射及其传输的基本理论、计算方法、测试技术与数据处理；介绍了红外成像探测的基本原理、目标特性与红外探测的相互约束及影响、红外成像与红外光谱的特征提取与识别方法；并将目标特性与新兴的人工智能技术相结合，对智能红外目标识别技术进行了探索。本书可供从事光学特性研究与光学遥感探测及信息处理运用相关的工程技术人员参考，也可作为高等院校红外技术、光学工程、电子信息工程、自动化等专业的教学参考书。

第1章 绪论 1
1.1 红外辐射与红外特性 1
1.2 目标光学辐射特性 3
1.3 环境光学辐射特性 4
1.4 目标红外识别 6
参考文献 9
第2章 红外辐射基础理论 10
2.1 辐射基本物理量 10
2.1.1 常用辐射量 10
2.1.2 辐射量的计算 14
2.1.3 辐射比率 18
2.2 辐射的基本定律 20
2.2.1 基尔霍夫定律 20
2.2.2 普朗克定律 21
2.2.3 维恩位移定律 23
2.2.4 斯特藩-玻尔兹曼定律 23
2.3 宏观介质辐射基础 24
2.3.1 宏观介质辐射特性分析 24
2.3.2 辐射的方向性 26
2.3.3 辐射的光谱性 29
2.4 气体辐射基础 30
2.4.1 原子/分子辐射跃迁 30
2.4.2 气体的辐射谱线 33
2.4.3 热力学非平衡状态 38
2.5 粒子辐射基础 39
2.5.1 粒子的形态学 40
2.5.2 粒子的辐射属性 41
2.5.3 粒子辐射理论简述 45
2.6 辐射传输概论 46
2.6.1 辐射传输方程 47
2.6.2 辐射传输的积分形式解 49
参考文献 51
第3章 目标红外辐射特性建模 54
3.1 气体介质流场计算 54
3.1.1 气体流动基本方程 54
3.1.2 发动机射流模型 60
3.1.3 高速绕流场模型 68
3.2 固体壁面温度场计算 71
3.2.1 固体导热基本方程 71
3.2.2 对流换热计算模型 75
3.2.3 辐射换热计算模型 79
3.3 流固耦合辐射传输计算 81
3.3.1 气体辐射数值计算方法 81
3.3.2 粒子散射数值计算方法 88
3.3.3 辐射传输数值计算方法 90
3.4 典型飞行器红外辐射特性 94
3.4.1 飞机红外辐射特性 94
3.4.2 火箭红外辐射特性 95
3.4.3 高超声速飞行器绕流场红外辐射特性 96
参考文献 99
第4章 环境的红外传输与辐射特性 101
4.1 红外辐射在大气中的传输 101
4.1.1 大气的热力学结构与组分分布 101
4.1.2 红外辐射在大气中的衰减机制 110
4.1.3 大气的红外传输特性 112
4.2 地外天体红外辐射特性 120
4.2.1 太阳的辐射特性 120
4.2.2 月球的辐射特性 124
4.2.3 其他天体的辐射特性 126
4.3 地表红外辐射特性 129
4.3.1 地表辐射机制 129
4.3.2 地物反射率/发射率的变化特性 132
4.3.3 地表温度的变化特征 137
4.4 海表红外辐射特性 139
4.4.1 海表辐射机制 139
4.4.2 海表反射率/发射率的变化特性 140
4.4.3 海表温度的变化特征 146
4.5 大气红外辐射特性 147
4.5.1 大气红外辐射机制 147
4.5.2 地基观测的大气红外辐射 149
4.5.3 空基观测的大气红外辐射 152
4.5.4 天基临边观测的大气红外辐射 153
4.6 地球大气红外辐射特性 157
4.6.1 地球大气红外辐射机制 158
4.6.2 空基观测的地球大气红外辐射 160
4.6.3 天基观测的地球大气红外辐射 161
参考文献 163
第5章 红外辐射测量 167
5.1 红外辐射测量的基本物理量 167
5.1.1 表观辐射亮度 167
5.1.2 表观辐射强度 167
5.1.3 表观辐射照度 168
5.1.4 表观辐射温度 168
5.1.5 辐射面积 169
5.2 红外辐射测量仪器的基本原理 169
5.2.1 红外单点辐射测量仪器 169
5.2.2 红外成像辐射测量仪器 170
5.2.3 红外光谱辐射测量仪器 173
5.2.4 红外成像光谱辐射测量仪器 178
5.3 红外辐射测量仪器定标 179
5.3.1 标准辐射源 179
5.3.2 辐射定标 180
5.3.3 光谱定标 181
5.3.4 环境温度与杂散辐射影响补偿 184
5.4 红外辐射测量技术 186
5.4.1 空天目标红外辐射测量技术 186
5.4.2 地海目标红外辐射测量技术 195
5.4.3 材料光学参数实验室测量技术 200
参考文献 204
第6章 红外特性与传感器探测感知 205
6.1 概述 205
6.2 红外特性对传感器参数设计指导 206
6.2.1 灵敏度 206
6.2.2 探测谱段 207
6.2.3 光谱分辨率 213
6.3 红外传感器探测感知对目标识别影响 215
6.3.1 红外传感器光学信息传输效应 215
6.3.2 光学信息传输效应对目标特性测量精度影响 216
6.3.3 光学信息传输效应对目标识别影响 218
参考文献 220
第7章 红外成像探测中的特征提取与识别 221
7.1 红外目标特点 221
7.2 红外点源目标特征提取 222
7.2.1 辐射特征 222
7.2.2 温度特征 225
7.2.3 等效辐射截面特征 228
7.3 红外面源目标特征提取 229
7.3.1 形状特征 229
7.3.2 轮廓特征 232
7.3.3 辐射亮度特征 233
7.4 红外目标运动特征提取 245
7.4.1 光流法 245
7.4.2 帧间匹配 248
7.4.3 目标机动状态辐射特征提取 250
7.5 红外点源目标识别 253
7.5.1 基于辐射特征的目标识别 253
7.5.2 基于多谱段多特征融合的目标识别 255
7.6 红外面源目标识别 256
7.6.1 基于边缘与纹理特征联合的目标识别 258
7.6.2 基于整体与部件联合提取的目标识别 267
7.6.3 基于多纹理特征联合的目标识别 272
参考文献 279
第8章 红外光谱探测中的特征提取与识别 284
8.1 红外高光谱特点 284
8.2 红外光谱选择的一般方法 285
8.2.1 基于总体精度排序与K-L散度的波段选择 287
8.2.2 总体精度与冗余度联合很优的波段选择 293
8.3 高光谱解混与定位 299
8.3.1 光谱线性混合模型 299
8.3.2 端元提取与丰度求取 302
8.3.3 高光谱亚像元定位 306
8.4 光谱域特征提取 310
8.4.1 光谱斜率和坡向 310
8.4.2 光谱二值编码 310
8.4.3 光谱导数 311
8.4.4 光谱积分 312
8.4.5 光谱重排 312
8.4.6 光谱包络线 313
8.4.7 光谱不确定性分析 313
8.5 变换域特征提取 314
8.5.1 小波变换特征 314
8.5.2 PCA 变换特征 315
8.5.3 稀疏表示特征 316
8.5.4 自编码特征 318
8.6 基于光谱特征的红外目标识别 320
8.6.1 光谱相似性度量 320
8.6.2 基于光谱不确定性分析的目标识别 322
8.6.3 基于拐点光谱分段的地物识别 325
8.6.4 基于光谱异常分析的红外小目标识别 331
参考文献 336
第9章 智能红外目标识别 341
9.1 人工智能发展与识别基础 341
9.1.1 人工智能简史与应用 341
9.1.2 神经网络基础 344
9.1.3 经典深度卷积网络架构 349
9.2 基于大样本学习的红外目标识别方法 352
9.2.1 问题描述与挑战 352
9.2.2 目标特性数据智能生成 352
9.2.3 基于双阶段的红外图像弱小目标识别 361
9.2.4 基于单阶段的红外图像成像目标识别 366
9.3 基于小样本学习的红外目标识别方法 370
9.3.1 深度迁移学习 371
9.3.2 基于深度迁移的红外成像目标识别 372
9.3.3 基于辐射特性迁移的红外点目标识别 374
参考文献 378
附录A 典型物理常数和数据 382
附录B 普朗克函数与维恩位移公式 384