浅析激光与红外复合探测技术

摘 要

随着科学技术的不断进步与发展，激光与红外复合探测技术也逐渐趋于完善。尤其在土地资源勘探方面，激光与红外复合探测技术能够提供更为可靠的数据，其完善的测量技术具有无可比拟的优势。本文主要对激光扫描系统的设计与红外探测系统的设计进行分析，以此为依据实现二者的复合。

【关键词】激光扫描系统 红外探测系统 复合探测技术

近年来，激光与红外复合探测技术以其自身丰富的图像信息量、高精确度、受环境因素影响较小等特点被广泛应用于实践中，如地质勘测、灾害预警等。但实际应用过程中，并未获得良好的效果，其原因在于缺乏完善的融合处理技术使激光扫描与红外复合系统实现融合。因此，对两种探测方式的研究以及如何获得复合图像具有十分重要的意义。

1 激光扫描系统的基本概述

1.1 激光扫描系统的原理分析

作为现阶段高新技术之一，激光扫描将许多学科如计算机、电子、光学等融入其内，并利用扫描物体结构以及外形的方式确定其空间坐标，进而转化为相应的数字信号。常见的激光扫描方式主要包括接触与非接触两种测量方式，而激光扫描技术便为非接触测量方式的一种。其原理在于对需要测量的目标利用照相机照相并获取其三维轮廓信息。此外，激光扫描技术应用于实践中长利用三角测量方式，实现对三维面形、物体位移等许多方面的准确测量。

1.2 激光扫描的主要方式

激光扫描应用于探测过程中通常需根据实际情况进行扫描方式的选择。其扫描方式主要分为单束激光与片状激光两种方法。二者的不同主要表现在三方面即：第一，前者适合用于激光散射性能较高的目标测量，后者适用于与镜面接触较近的目标测量。第二，在获取物体三维信息方面，单数激光方式测量点采集量较大，片状激光方式只需通过对物体表面进行整体扫描便完成数据的收集。第三，受二者自身的成像器件与结构影响，与片状激光方式相比，点数激光光能损失极大。由此分析，选择后者为主要扫描方式更利于对地面目标的探测。

2 红外探测系统的分析

2.1 红外探测系统的原理分析

红外探测器的应用能够以如电流信号或电压信号等物理量代替红外辐射信号，其红外图像的获取可直接通过处理电路实现，进而探测红外辐射。红外探测系统的原理在于利用热电转换红外辐射热效应实现对红外辐射的探测。其过程可理解为吸收红外辐射后，探测器的响应单元会在温度不断升高的添加下使电流信号或电压信号等物理量发生变化。

2.2 红外探测系统设计的关键问题

红外探测系统设计中需注意单点红外探测、面成像红外探测以及红外传输受背景的影响分析。其中单点红外探测可用来判断物体红外辐射强度，当单点红外特征变化到一定的辐射值时，系统会利用其捕捉到的变化的相应信号实现对电路的处理，并将数字信号提供给执行机构。这种方式往往适用于对外形特征没有具体要求的物体探测中。而面成像红外探测所涉及到问题主要在红外热像仪方面，应用过程中应对其组成、工作原理以及实际特点综合分析。另外，红外探测技术应用时还需考虑到大气吸收与散射、红外辐射源以及地面自然目标对红外传输的影响。

3 激光与红外复合处理分析

3.1 图像融合的基本概述

通过前文对激光扫描与红外探测的基本原理及关键问题分析，其所获取的图像信息可进行复合处理，这种图像复合处理便称为图像融合技术。其优点主要体现在三维效果图的生成、几何配准精度与信噪比的提高以及图像质量的改善。以信息融合规律为依据，图像融合可分为像素级、特征级以及决策级等由低到高三个层次的融合。其中像素级融合主要通过处理传感器所得数据实现图像的融合；特征级融合主要通过分析与处理图像特征信息进行图像数据的综合与分类；决策级融合则指基于提取与识别的图像预处理，实现能够提供决策依据的融合结果。

3.2 图像融合相关技术分析

通过与其他融合算法的比较，目前能够取得良好图像融合效果的主要包括小波变换、HIS色彩变换以及PCA变换三种方式。而三者相互比较下，小波变换方法在融合图像的方差、灰度均值、图像熵等方面具有一定的优势，而且还可将红外图像目标特性及光谱信息提取出来，特别在处理源图像数据量过程中，运算速度极快。因此在图像融合技术选择上，可根据实际情况以及技术特点而决定。

3.2.1 小波变换

图像融合中小波模型的应用，主要由于小波基的选择及小波变换次数都可利用原始图像特征进行选择。其特点主要是在正交方向具有选择性、空间的分辨率具有可变性且分析数据量较小。因此，应用小波变换既可保证图像细节信息不会丢失，而且实现良好的融合效果，并含有更多的信息量。同时，相比其他的图像融合策略，小波变换在算法结构方面更加灵活简便。

3.2.2 HIS色彩变换

HIS色彩变化可分为正变换与反变换两种。其中正变化是指将彩色图象中的R、G、B转为色调H、J、S的过程，而反变换是指相反的过程。该技术适合用于处理遥感图像的融合，利用经过线性拉伸的SPOT波段图像代替通过HIS变换后I分量的卫星图像，最后实现逆HIS的变换。这种方式的优势主要体现在其产生的彩色图象上，有利于进行目视判读，通过可判读性的提高获取相关的信息。但这种方式也存在一定的弊端，尤其光谱曲线在不同波段数据中呈现很大的差异，使HIS色彩变换融合三个波段过程中产生的图像会出现光谱退化的情况。

3.2.3 PCA融合方式

PCA融合方式的原理在于通过对比拉伸高分辨率图像并对分辨率较低的图像利用PCA进行变换，使低分辨率图像与高分辨率图像中的主分量保持同等的方差与均值，在主分量替换的基础上利用PCA反变换使其能够融入RGB空间内，这样便能实现图像的融合。

4 结论

激光与红外复合探测技术是未来领域中应用的重要测量手段，但二者在实现融合过程中仍缺乏比较完善的技术，导致其应有效果无法发挥出来。因此在未来不断研究探索中，应注意对激光扫描仪的原理与方式、红外探测系统的原理与其关键问题以及从小波变换、HIS色彩变化、PCA融合方式等方面进行完善，以此实现图像的融合，使其在各领域应用过程中发挥更重要的作用。

参考文献

[1]王哲.激光与红外复合探测技术研究[D].西安工业大学，2013.

[2]张钧.毫米波雷达/红外复合探测系统的设计与实现[D].哈尔滨工业大学，2012.

[3]陈宁.激光红外共用探测器复合成像系统性能的研究[D].哈尔滨工业大学，2014.

作者单位

长春理工大学 吉林省长春市 133000