短波紅外成像在航拍領域的使用建議書

1、引言

隨著計算機信息技術及無人駕駛飛行器技術的發展，無人機航拍技術也在民用領域得到了更廣泛的應用，同時對無人機航拍也提出了更高的要求。不僅對無人機本身提出了可靠性高、穩定性、易操作、成本低、航時長等要求，而對相機也提出了相應的要求，主要是像素更多、可以應對不同的天氣環境及不同的航拍任務等方面。短波紅外相機是一種結合了可見光“反射成像”及中遠紅外“輻射成像”特點的相機，結合無人機可以完成更多特殊的航拍任務。

2、產品原理

紅外線按照波長范圍可劃分為三個波段：分別是短波紅外（1-3um）、中波紅外（3-5um）、長波紅外（8-12um）。

短波紅外光譜具有以下幾種特性：1）任何物體都具有吸收和反射不同波長電磁波的特性，不同的物體的光譜特性不同；2）大氣中等效凝結水厚度是影響大氣傳輸特性的重要原因，在短波紅外光譜范圍內，特別是1.5-1.7um范圍內。大氣的傳輸性非常好；3）景物光譜反射系數的差別比可見光要大，因為拍攝圖像的對比度增強。

短波紅外相機的原理與可見光相機原理大同小異，都是通過鏡頭將目標的像成在感光芯片，芯片把數據記錄后以串行或并行方式傳送至后端讀取電路，并進行圖像處理等，zui后顯示出來。*不同的是可見光相機光譜敏感波段集中在400-800nm，而短波紅外相機則集中在900-1700nm。

3、主要特點及優勢

3.1主要特點

1）短波紅外成像技術在0.9-1.7um有非常高的靈敏度。

2）標準C接口便于客戶根據實際需求配置鏡頭。

3）曝光時間500ns-500ms可調。

4）14bit USB數字輸出可自動調節高速數字圖像的增益。

5）高幀率全幀：110 Hz; 窗口：15.6K Hz （32x8）

6）低噪聲電路提供高靈敏度和寬動態范圍。

7）低功耗非TEC相機功耗低至2.5W 便于手持或移動。

8）體積小重量輕便于OEM集成。體積：55 x 55 x 70 mm， 重量：（不含鏡頭）206g

3.2、技術指標

探測器指標
探測器類型	InGaAs
像素	320 x 256/640*512
像元尺寸	30um x 30um
像元間距	30um
探測器尺寸	9.6mm x 7.68mm
響應波長	0.9mm to 1.7mm
封裝類型	CLCC 44
量子效率	>70% @ 1.5mm
像元有效率	>99.9.%
相機指標
數字輸出格式	14 bit
曝光時間	500ns ~ 500 ms可調
信噪比	高增益：66dB(AGC off)低增益：60dB(AGC off)
增益	高增益: 13.3uV/e- 低增益: 0.7uV/e-
鏡頭接口	C mount (selection of SWIR lens available)
相機控制接口	USB 2.0
動態范圍	800:1
觸發方式	TTL compatible
供電電壓	+8 ~ 16 V DC
熱電制冷	ON/OFF
功耗	<2. 5W
工作溫度	-10℃ ~ 55 ℃
儲存溫度	-20℃ ~ 60 ℃
體積	55 x 55 x 70 mm
重量	206 g(不含鏡頭)

 

 

3.3、量子效率曲線

 

 

 

 

 

 

3.4、相機尺寸圖

 

 

4、應用領域

基于短波紅外光譜的特性，短波紅外成像技術在軍事領域有了很快的發展，包括車載、機載前視成像、激光導引、戰場激光排查、信標系統等領域。近年來，短波紅外光譜分析與計算機圖像技術的復合與集成，有力地推動了短波紅外圖像處理的發展，其應用領域已經得到了很大的拓展，包括高光譜成像，農作物估產，森林防火、氣象預測、礦產資源勘探等方面。

隨著無人機技術的成熟，航拍、遙感市場將迎來跨越式發展。無人機的應用，遠不止影視航拍、風景航拍這些，還有森林火點探測、邊境巡邏、農作物估產、應急救、管道巡查、有害氣體探測等方面。甚至反恐、大氣取樣等領域也對無人機使用表現出了極大地興趣。

4.1、偽裝識別與搜救

偽裝技術是現代軍事戰爭中*的有效防備手段，目前目標偽裝的材料主要是涂料，我們知道人眼在可見光波段（0.38-0.76um）才有視覺反省，該波段的偽裝是比較容易做到；而植物在短波紅外波段（主要是0.8-1.7um）的偽裝與染料結構有很大的關系，而短波紅外波段對綠色植物的反射光譜與偽裝涂料的差異非常大，故常規的偽裝對短波紅外相機來說是沒有任何意義。故使用短波紅外相機低空航拍從而發現偽裝是目前安全防御的新手段（如圖1）。而作為民用領域，有實力的航拍單位承擔了較多的政府搜救工作，此任務也可使用短波紅外相機結合可見光相機來實現，特別是在目前霧霾天氣較為嚴重，能見度較低的情況下，更能體現短波紅外相機在透霧方面優勢。

如圖1

目標表面覆蓋在偽裝下

處理后的短波紅外圖像

4.2、農作物估產

傳統的農作物單產預測方法主要有農學預報方法、統計預報方法、氣象統計方法，這些方法分別從不同角度來建立作物單產模式，區別以往的估產方法。自上世紀70年代以來，遙感技術在世界范圍內得到了迅速的發展和廣泛的應用，我國采用的是陸地衛星遙感來進行農作物估產，并取得了良好的效果，但是由于陸地衛星重復觀測周期長，我國南方作物生長季節陰郁天氣多，實時的晴資料難以獲得，再加上現在空氣質量進一步下降，能見度太低，導致目前這種估產方式難以推廣使用。目前看來使用短波紅外技術搭載無人機進行低空遙感不僅可以解決以上問題，對于區域估產，還可以改善由于地區耕作制度復雜、地塊破碎及分散等因素造成的影響。從短波紅外相機中獲取短波紅外波段的信息與其他信息相結合得到歸一化植被指數與作物的葉面積指數和生物量呈正相關可用于準實時的作物長勢監測和產量估計。

4.3、森林防火

    森林大火是一種常見*害，火災產生的大量煙霧掩蓋了大面積地形，降低了能見度，給救援工作帶來了許多不便，造成重大經濟損失。短波紅外相機具有優異的透霧成像能力，大大提高了空中和地面消防人員的能見度，特別值得一提的是，與長波紅外森林火場圖像中的大面積泛白熱圖不同，短波紅外相機對200℃以上的高溫物體敏感（表現為白色），而這往往是火源點所在的附近位置，從而大大縮小著火點的搜尋范圍。故采用短波紅外相機搭載無人機深入火*區域尋找火點位置，不僅可以發揮無人機的優勢還可以更確認著火點位置，將損失降到zui低。在撲滅大面積火場后由于粉塵及煙霧的影響使用無人機對*后區域進行排查，消除二次火災的引發。

4.4、遙感資源探測

    在短波紅外波長范圍內，巖石中含水或含氫氧根的礦物（主要為層狀硅酸鹽和粘土類）以及硫酸鹽和碳酸鹽礦物有特殊顯示。這些礦物大多見于與金屬礦床有關的熱液蝕變帶，故可用來指示熱液成礦體系的環境參數，提供找礦線索并指導找礦。

基于短波紅外技術的礦物填圖與傳統地質意義上進行地層、巖層或巖體等填圖概念不同，礦物填圖的基本單位是單個礦物，因而可用于找礦勘探、地質工程、自然災害監測和環境污染調查等眾多領域。

4.5、環境污染監測及分析

短波紅外用于污染檢測分析時，可作為遙測型檢測，適用于毒性物質偵測、大氣成分監測、油井組成分析、工廠排放監測、污泥熱處理等。與常用的化學檢測方式不同，短波紅外用于檢測分析時并不產生廢棄物，為*檢測、零感染檢測。

4.6、氣象預警

由于短波紅外具有穿透霧霾、夜視和低光照環境成像能力、對水分敏感，成像分辨率高，成像效果接近可見光等特點，可以應用于暴雨預警、監測、龍卷風觀測等場合。

暴雨來臨前可見光圖像（左）與短波紅外圖像（右）

4.7、透霧成像

在視覺增強以及惡劣天氣低能見度條件下，短波紅外是熱像儀的有益補充。短波紅外所成的像非常類似可見光圖像，相比熱成像，短波紅外擁有更好的細節分辨和解析能力。熱像儀能很好的檢測出冷背景下溫暖的目標，然而短波紅外能很好的識別出該目標是什么，例如（船舶、車輛、人員）。

短波紅外也可以在熱交叉場景提供成像輔助。熱交叉點是一個溫度點，此時待觀察目標的溫度與背景的溫度相等。下圖為日出時海岸邊可見光、熱像儀、短波紅外三者的成像效果對比。由于處在熱交叉點上，海岸與海水的細節在熱成像中都丟失了。由于短波紅外能對反射光成像而不是依賴溫度差，海岸線圖像脫穎而出，同時由于短波紅外的透霧能力，相比可見光相機能捕獲更多細節。而搭載無人機更能體現短波紅外相機在能見度差的情況下搜索及識別的優勢，故短波紅外相機透霧成像是特殊場景航拍zui大的優勢。

5、總結

關于國外短波紅外相機的應用，目前較為廣泛，其中包括為資源環境型衛星上配套，而其中歐洲環境衛星Envisat1，法國STOP5，印度環境衛星IRS-1等都配備了銦鎵砷材料的短波紅外相機。美國*一代主戰裝備“斯特瑞克”裝甲車也使用了短波紅外相機作為駕駛員的視覺增強設備，而在多個國家的消防部門也開始使用短波紅外相機來尋找火點。

結合對上述應用的分析，短波紅外相機在專業航拍及特殊航拍領域有非常好的應用前景，更多應用領域的發現還需要專業航拍工作者的發現和指導，而我司在此方面會提供的及更靈活的合作方式，為貴公司航拍業務面的拓展助一臂之力。

 

 

                                         西安立鼎光電科技有限公司

                                                  徐建強