作者：陈钱,钱惟贤,等
出版社：电子工业出版社
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红外目标探测试读：
前言
红外目标探测起源于军事用途，主要是采用红外热像仪结合信号处理技术，实现目标的自动检测与跟踪。在军事领域，红外目标自动检测与跟踪技术主要体现在红外搜索与跟踪系统，该系统既可以实现目标预警功能，又可对目标进行随动跟踪。当然针对每个实际系统，这两个功能有时是合在一起的，此时称为搜索与跟踪系统，有时又是分开的，如专门的搜索预警系统和专门的跟踪系统。在民用领域，可以利用红外热成像实现对外部入侵（强盗、小偷）的自动告警、自动跟踪等，还有海监、反恐等领域也可以应用。
目前有大量的学者从事红外目标探测相关的研究工作，每年有大量新人加入这个行业。但到目前为止，还没有一套综合介绍红外目标探测相关理论与方法的书籍，造成新的学生在接触到这个行业时，不知道怎么入门。而本书作者通过对多年实践经验的总结，归纳出红外目标探测的一套理论与方法。
该书有如下特色：（1）本书系统地分析了红外目标探测的相关理论与方法。提供的相关理论可以作为系统总体设计人员的参考依据；提供的相关算法适合于算法设计人员作为参考依据；提供的相关硬件系统适合于硬件设计人员作为参考依据。（2）根据目标特性和成像方式的差异，本书将红外目标分为点目标、线目标和面目标，并给出了不同的检测与跟踪算法。针对不同目标的不同处理方法，更具有实用性。（3）本书专门对红外目标搜索的理论与算法进行了详细的论述，使读者能区分目标搜索算法与目标跟踪算法的区别。
通过学习本书，你可以：
● 了解红外热成像的基本原理；
● 了解红外热成像的噪声特性；
● 了解目标的红外特性；
● 掌握红外目标搜索相关技术；
● 掌握红外目标跟踪相关技术；
● 掌握红外目标探测系统硬件设计相关技术。
本书可作为高等学校光电专业的基础教材，也可供相关领域的工程技术人员学习、参考。
本书是工业和信息化部“十二五”规划专著，全书共分16章。本书从实用性和先进性出发，较全面地介绍了红外目标探测的基本理论与相关算法，主要内容包括：第2章，讲述红外探测器的原理及其响应的数学模型，这是我们后面做红外目标特性分析的理论基础；第3～4章，讲述红外图像去噪处理，分别是第3章的动态噪声抑制处理和第4章的非均匀性噪声抑制处理；第5～7章，讲述红外小目标自动检测与跟踪的相关内容；第8～12章，讲述红外线目标自动检测与跟踪的相关内容；第13～15章，讲述地面红外面目标自动检测与跟踪的相关内容；第16章，讲述红外目标自动检测与跟踪信号处理硬件部分设计的内容。
本书第1～16章由陈钱、钱惟贤共同总结编写和统稿，统稿过程中，张闻文做了大量工作。作者根据多年实践经验，同时对自己的博士生（胡永生、管志强、秦剑、彭晨、任建乐）的博士论文进行了归纳总结，最终凝练出一套红外目标探测理论与方法。在本书的编写过程中，陈延如教授和倪晓武教授提出了许多宝贵意见，在此一并表示感谢！
本书的编写参考了大量近年来出版的相关技术资料，吸取了许多专家和同仁的宝贵经验，在此向他们深表谢意。感谢南理工社会公共安全科技协同中心经费资助。
由于红外目标探测技术发展迅速，作者学识有限，书中误漏之处难免，望广大读者批评指正。第1章 绪论
红外目标探测起源于军事用途，主要方式是采用红外热像仪结合信号处理技术，实现目标的自动检测与跟踪。目标自动检测定义为在一定空域或图像范围内，且不知道是否存在真实目标的前提下，通过信号处理的方式自动将真实目标寻找出来，其通常目的是实现威胁目标预警；目标跟踪的定义为在检测出并确认目标的前提下，对目标进行自动跟踪，从而获得目标的完整航迹和火控所需各种数据，以完成对目标的有效打击。
在军事领域，红外目标自动检测与跟踪技术主要体现在红外搜索与跟踪系统，该系统既可以实现目标预警功能，又可对目标进行随动跟踪。当然针对每个实际系统，这两个功能有时是合在一起，此时称为搜索与跟踪系统，有时又是分开的，如专门的搜索预警系统和专门的跟踪系统。为了叙述方便，我们在这里仍然统称为红外搜索与跟踪系统。搜索采用目标自动检测技术，跟踪采用目标跟踪技术。
红外搜索与跟踪技术本质上是一种多目标跟踪技术，即在不能明确判断是否为真实目标的前提下，对所有的可疑目标进行跟踪，建立航迹进行管理，直到确认为真实目标和虚假目标。因为检测需要进行多目标跟踪，所以计算量很大，一般采用简化的跟踪算法；而跟踪只需要对单个目标进行跟踪，所以可以采用复杂的算法，这就是主要区别。目标在图像中尺寸越大，跟踪算法计算量越大，此时检测与跟踪的差异越大；目标在图像中尺寸越小，跟踪算法计算量也相对要小一些，此时检测与跟踪的差异越小。本书在下面章节介绍小目标的时候，将检测与跟踪是放在一套体系进行论述的，并未对两者进行明确区分。在介绍面目标（图像中尺寸偏大的目标）的时候，将检测与跟踪分开进行论述。读者在阅读的时候要注意检测与跟踪的联系与差异。
当然红外搜索与跟踪技术不只是一个军用概念，很多民用安防领域一样可以应用，例如利用红外热成像实现对外部入侵（强盗、小偷）的自动告警，自动跟踪等，还有海监、反恐等领域也可以应用。但为了叙述方便，本书仍然将介绍的重点放在了红外搜索与跟踪系统，对于民用领域读者可以采用相同思路进行分析设计。1.1 红外搜索与跟踪系统的优点
高科技的发展改变了传统的战争模式，在“二战”后的几次局部战争，尤其是两次伊拉克战争以来，一种新的趋势逐渐展现出来，就是越来越多的飞机和导弹被投入到战场而不是过去的士兵，制空权成为战争胜负的主导因素。在这种情况下，远程精确打击和防空力量的发展受到各国军工部门的普遍重视。目前，我军防空兵部队主要依赖雷达实施空情预警。然而，传统意义上的雷达是靠向空中发射大功率的电磁波，通过收集目标回波来实施探测并对目标定位的，这就导致了雷达在技术水平日益提高的电子干扰、反辐射导弹、隐身飞机导弹[1～2]和低空超低空突袭的“四大威胁”面前，处于十分危险的境地。性能落后的雷达不仅难于在实战中发挥应有的作用，而且容易成为敌方的“目标导引器”和“活靶子”。两次伊拉克战争中，伊方的防空系统陷入瘫痪正是由于美国利用了传统雷达的这一缺陷。
随着军事技术的迅猛发展，雷达预警系统固有缺点的限制越来越
[3，4]凸显，主要体现在以下几个方面。（1）对低空、超低空目标发现困难
低空、超低空是指100～1000m的高度范围，其中0～100m为超低空，100～1000m为低空。随着大量高、精、尖兵器的广泛应用，越来越多的空袭兵器采用低空、超低空的进袭模式，这就要求雷达系统既要能探测远距离的中高空目标，又要能探测低空、超低空目标。而目前我军防空兵装备的侦察预警雷达体制单一、互补性差，对低空目标探测时，易受地物干扰，导致发现目标能力差；且不能对远距离低空目标进行连续监视，对低空目标的探测存在着较大盲区，缺少探测低空小型目标的功能性预警装备。（2）易受干扰和反辐射导弹攻击
由于雷达是采用主动发射电磁波的方式进行探测，这从本质上决定了其易受电子干扰和反辐射导弹的攻击。目前，我军防空兵部队装备的侦察预警雷达大多集中工作在几个常用频段，而这些频段恰好是敌捕捉重点，在战时极易遭受干扰和反辐射导弹的攻击；此外，现役雷达的工作频带窄，调频反干扰能力有限，现有的反干扰措施主要是针对无源干扰和少数波段的有源干扰，在敌高强度、全频域、多手段的电子干扰情况下，很难进行有效防护。（3）机动性差，配置地域容易受限
由于雷达系统体积大，质量重，因此不利于实现行军/战斗状态的相互转换，从而导致机动性能差，难于快速实现阵地转移；此外，雷达系统的配置易受地形条件限制，较适合平坦地域作战，在复杂条件下难于充分利用地形特点，如不能配置在山头、楼顶等地域。
红外热成像技术靠接收目标自身的红外辐射来工作，由于具有完[5～7]全被动、利于隐蔽、昼夜工作等优点，成为一种重要的探测手段。红外搜索与跟踪系统就是基于红外热成像原理进行目标探测的一种完全被动式空情预警与目标跟踪系统。它将光电传感技术、控制技术和图像处理技术结合起来，实施对空中目标的昼夜探测。与雷达系统相[3,8～9]比，该系统具有以下几个突出特点：
一是利用目标热辐射被动探测，不易受到敌方干扰和反辐射导弹的攻击，尤其是在恶劣的电磁环境下，仍能正常工作；
二是由于红外辐射无时不在，故能昼夜工作，而自身无强辐射源，利于隐蔽；
三是利用温差原理成像，对采用雷达隐身技术的空袭武器也具有较强的探测能力；
四是不受地物回波的影响，探测器对飞行器尾部火焰敏感，对低空进袭的巡航导弹具有明显的探测优势，填补了传统雷达的低空死角；
五是体积小、质量轻，机动能力强，配置灵活，随着制造工艺的发展，红外搜索系统出现小型化的趋势，可以灵活地配置在各种地形，还可以通过车载增强机动能力。1.2 红外搜索与跟踪系统的功能特点
红外搜索与跟踪系统是从红外探测器输出的图像信号中提取目标方位信息，实现自动探测和识别目标的系统。红外搜索与跟踪系统的基本组成如图1.2.1所示。图1.2.1 红外搜索系统原理图
红外搜索与跟踪系统主要由跟踪转台、红外信号处理、伺服系统和空情监视器组成。跟踪转台上的红外探测器接收到的红外图像被送到红外图像处理单元；信号处理系统实时地从图像序列中提取目标信息，并解算出目标的方位或位置信息、建立目标的航迹并实时跟踪目标的运动；伺服系统控制跟踪转台按照预定的速度控制转台转动，并根据要求实时发送转台状态信息给图像信号处理系统，以确定目标场景的真实方位。空情监视器实时接收红外信号处理系统发送的目标数据给工作人员处理和直接转送到武器的火控单元。
红外搜索与跟踪系统的关键部件由红外探测头、伺服系统、支撑机构、空情监视器、电源等几部分组成，如图1.2.2所示。图1.2.2 红外搜索系统结构组成示意图
红外探测头是整个搜索系统的核心部件，主要由光学系统、红外探测器及制冷器、图像处理电路、镜体支撑座等组成。
1．系统组成
红外搜索系统的探测头采用单个或多个红外热像仪作为信号接收单元。作为搜索与跟踪系统的一个关键部件，其性能直接影响到整个搜索系统的探测能力和对目标的分辨能力。因此有关的波段选择、探测器的选型问题都是系统设计的重要方面。红外在大气传输时主要有两个大气窗口：3～5μm和8～12μm。当目标温度超过500K时，其红外辐射能量主要集中在3～5μm波段。选择3～5μm波段可以有效地探测目标发动机尾喷管及尾喷焰的辐射能量，从而最大限度地增加探测距离。8～12μm波段主要是在探测目标的蒙皮辐射方面具有优势。除了波段，红外热像仪的探测器类型也是另外一个重要的选项。现有红外探测器一般分为线阵探测器和面阵探测器，面阵探测器由于积分时间长作用距离远，是当今红外系统发展的主流。但是面阵探测器由于积分时间长，不能在高速扫描状态下成清晰像，所以一般用作跟踪用，也可用于小范围慢速扫描状态下的目标搜索。需要做360°高速扫描搜索目标时一般采用线阵探测器，原因是线阵探测器在高速扫描状态下可以利用机械扫描方式获得360°清晰像，线阵探测器在凝视状态下，也可利用光机扫描方式，获得清晰凝视图像。所以线阵探测器在一套系统内可以将高速扫描下的目标搜索和低速下的目标跟踪完美结合，而面阵探测器则很难将两者有机结合。但我们通过多年的研究，探索出了一种面阵探测器在速扫描状态下依然可以实现目标搜索的方法，该方法将在第10～12章进行详细介绍。
镜体支撑座连接红外热像仪与伺服系统、系统支撑机构。镜体支撑座采用U型设计，红外热像仪固定在镜体支撑座的托架上，红外图像处理器的相关信息通过探测头下部的电缆与托架中部的插头相连。U型架的耳轴连接伺服系统的高低步进电机和测角码盘，由伺服系统控制步进电机完成探测头的高低扫描范围。
伺服系统由高低步进电机、方位步进电机、高低码盘器、方位码盘器、电机控制电路组成。高低步进电机和高低码盘器位于镜体托架的两耳上，控制探测头的俯仰扫描范围并将探测器的角度信息发送到红外信号处理单元。方位步进电机和方位码盘器系统的支撑结构，带动探测装置平稳匀速的旋转扫描并实时发送探测器的方位信息到红外信号处理单元。
系统的支撑机构用于支撑红外探测器本体。该机构设计要有足够的刚性，以保证探测装置在搜索与跟踪过程中能平稳转动。
空情监视器由箱体、操作面板和相应的控制电路组成。探测装置通过回转导电装置将目标信息送到空情监视器，空情监视器主要用于系统工作状态的设置、参数装定、显示空情态势，并按要求输出所探测到的目标坐标到火控系统中。
2．系统工作时序
红外搜索与跟踪系统的工作时序如图1.2.3所示。图1.2.3 预警系统工作时序图
系统的工作时序来自电机控制电路，该电路发出一个同步时序脉冲。方向码盘器和高低码盘器根据该时序脉冲锁定当前时刻的测角坐标，将测角坐标发送至红外信号处理系统和电机控制电路。红外信号处理系统根据该时序脉冲实现红外热像仪的外同步，采集目标的红外图像。电机控制电路根据该时序脉冲实现高低步进电机和方向步进电机的控制和换层操作。红外信号处理系统提取的目标信息通过回转导电装置发送到空情显示器进行空情显示。在空情显示器上可以通过键盘对整个系统进行控制。1.3 红外搜索与跟踪的发展现状
根据使用平台的不同，红外搜索与跟踪系统分为机载（战斗机）型、陆基型、舰载型等。根据使用平台及环境的不同，它们的控制系[10～14]统、信号处理系统都有所差别。其中，机载红外搜索与跟踪系统通常作为飞机武器火控系统的一种重要的传感器，主要完成对空目标的搜索和跟踪，其主要的要求是体积小、重量轻；地面型红外搜索系统主要完成对地面和低空目标全方位的探测识别与告警，为地面防空系统或武器火控系统提供敌方来袭武器的方位等信息，通过组网可以完成对战区空域的严密防控；舰载型则强调对各种反舰导弹的全方位搜索、跟踪和告警功能，与陆基型功能相近。
从20世纪60年代开始，法国、荷兰、美国等国家就陆续开始了[15～16]红外搜索与跟踪系统的研制工作。先后发展了第一代基于探测元、第二代基于线阵焦平面探测器的红外搜索系统，第三代基于面阵焦平面探测器的先进红外搜索系统也正处于研发和测试阶段。
早期的红外搜索与跟踪系统只是些具备简单目标指示或跟踪处理功能的前视红外摄像机，作用距离短、虚警率高。之后随着探测器工艺水平、热成像技术和信息处理技术的迅速发展，红外搜索与跟踪系统的功能不断增多，性能也不断提高。现代的红外搜索与跟踪系统拥有更强大的能力，包括大区域搜索、远距离目标自动捕获、多目标高精度跟踪、各种作战条件下极低的虚警率、被动式距离估计、高清晰度的图像质量、多传感器融合和与火控系统的集成等。红外搜索与跟踪系统的综合性能取决于上述多种因素的结合；可同时跟踪的最多的目标数量直接和系统的处理能力相关。
在机载红外搜索与跟踪系统中，欧美等国已经发展了多种适合各种工作平台的红外搜索系统。如美国的AN/AAR-34、23主要装备F-111战斗轰炸机和B-52战略轰炸机上；AN/AAR-44机载红外导弹告[17]警系统装备载C-130、C-131上。除美国以外，欧洲和俄罗斯也发展了多种先进的机载红外搜索与跟踪系统，还有美国为F-22战斗机研制的AIRST和为联合攻击战斗机研制的DAIRS、法国为“阵风”战斗机研制的OSF、瑞典为JAS39“鹰狮”战斗机研制的IR-OTIS等，意大利、英国和西班牙正在联合研制名为PIRATE的红外搜索与跟踪系[18]统，计划装备欧洲战斗机。俄罗斯的OEPS-27和S-3lE2是俄罗斯乌拉尔光学机械厂研制的两种红外搜索与跟踪系统，已分别装备苏-27和米格-29战斗机，用于昼间或夜晚、在所有飞行高度下对目标进行[19，20]搜索、探测和跟踪。
舰载红外搜索与跟踪系统也是一个主要的应用方面，欧洲国家一直处于领先地位。法国SAT公司的有关海军红外搜索与跟踪系统的研究工作早在1973年就开始进行可行性研究，并于1977年生产出第一台陆基系统，在1980—1986年进行VAMPIR的研制，并于此后装备在AAW 护卫舰上。第二代产品VAMPIR MB于1993年开始研制，并于1997年在法国海军实验舰上试用。并且首批7部VAMPIR MB舰载型设备已经交付法国海军。其中1部装备在“戴高乐”号航母上，另有3部根据“舰艇防空反导自卫”（OP3A）项目，安装在F70乔治·莱格级反潜护卫舰“迪普莱克斯”、“蒙卡尔姆”和“让·德·维埃纳”号上[21，22]。
另外，荷兰Signaal公司自20世纪80年代中期以来一直任研制IRSCAN，这是一种快速反应的红外搜索与跟踪系统，该系统用来探测空中和海上目标。而该公司正在研制的另一种新型号，将改装在荷兰皇家海军Goalkeeper系统中。1993年来，Signaal公司开始在上述的IRSCAN 技术基础上，与加拿大斯帕航空航天公司联合研制远距离双波段红外搜索和跟踪（IRST）系统，即SIRIUS（天狼星），并生产这种系统。SIRIUS是为荷兰、德国和西班牙海军的防空护卫舰项目[23～25]而设计的。图1.3.1 荷兰SIRIUS舰载红外搜索与跟踪系统
由于始终受到经费的困扰，美国的舰载IRST系统在研制进展上落后于欧洲。从20世纪70年代以来，美国与加拿大联合执行一项AN/SAR-8舰用IRST系统的研制计划。1993 年又进行了舰艇自防护系统的海上实验。装备美国和加拿大的3000吨级以上的水面战舰和航空母舰。另外美国洛克西德·马丁公司正在研制舰载SIRST监视红外搜索与跟踪系统，它是第二代远程红外搜索和跟踪系统（LR-IRST），可提高对低空飞机和掠海导弹的探测能力。演示样机于1998年制造[21～27]出来，用于陆基和舰载实验，预计本世纪初投入批量生产。
近年来，由于各类精确制导武器的投入使用和电子战水平的提升，对防空反导作战提出了新的要求，地面型红外搜索与跟踪系统作为传[28]统雷达防空体系的补充得到了迅速发展。由于舰载平台和地基平台有很多共性，许多系统均可在两种平台上使用，如法国的Vipere和瑞典的IRS-700等。但相对来说，地基红外搜索系统的功能更侧重于对低空、地面的侦察告警。法国SAGEM公司研制的SIRENE系统，是一种模块式监视和跟踪系统，为支持中距离、短距离及超短距离防空武器系统而设计的。系统采用由闭路低温系统制冷并通过光纤与显示器相联的红外CCD焦平面列阵探测器，能够以2Hz的旋转速度进行360°3全方位预警。该系统能够独立工作，或者作为战场CI系统的一部分与其他主动敏感器（雷达、敌我识别器）和被动敏感器（电子支援措施、红外）相联接。
类似的地面搜索系统还有俄罗斯的“凤凰”新型远程红外搜索防[19]空系统，该系统可安装在各种陆地和海上平台上，用以探测具有隐身伪装的目标。另外，美联合作战计划中将多功能光电传感器系统列入技术计划中，开发和演示高稳定性的红外搜索和跟踪传感器及信号处理技术，用于反巡航导弹和空中防御。
表1.3.1列出了其中几种典型的红外搜索与跟踪系统及其性能参数，以及系统设计的战术指标要求。表1.3.1 目前装备与在研的几种主要红外搜索与跟踪系统及其性能参数续表
相对于国外，我国在红外搜索与跟踪系统的研制起步较晚，但已经受到各方面足够的重视，已经有多家单位在进行红外搜索与跟踪系统的研究，并且已经取得了一定成就。
尽管红外搜索与跟踪系统具有被动工作方式，隐蔽性好、分辨率高、能全天候工作，并能提供目标的热图像，但由于红外的有限的作用距离，目前它还不能完全代替雷达。今后，红外搜索与跟踪系统的[29～34]主要发展趋势为：（1）探测器向更高性能发展
现代战争要求红外搜索与跟踪系统具备如穿透云层、在杂波环境下正常工作和探测弱小目标等能力，以实现全天候、远距离探测和目标识别，因此对红外探测器提出了更高的要求。美国将长波和多光谱大面积凝视焦平面红外探测器阵列和相关的制冷技术列入了弹道导弹防御技术计划。如发展23μm硅掺砷Si:As技术、截止波长可扩展到14μm以上的HgCdTe技术和双色MW/LW HgCdTe焦平面阵列技术、双色MW/LW焦平面阵列量子阱（QWIP）技术等。QWIP技术是大规模焦平面阵列的理想被选材料，美国导弹防御计划的发展目标是1024×1024中波和320×256中波、长波双色QWIP焦平面阵列。（2）双波段和复合探测技术
目标伪装、环境干扰、辐射频谱的不稳定等因素往往导致单一波段红外探测系统的探测能力和准确度下降。采用3～5μm和8～12μm双波段探测器将提高系统对假目标的鉴别能力，降低系统的阈值电平，提高系统的探测距离。此外，采用红外/紫外/雷达等综合型复合探测系统，拓展其响应频谱范围，降低虚警率和提高多传感器数据融合能力，也是未来战场的需要。（3）更先进的信号处理技术
从红外搜索与跟踪系统的关键器件和体制的发展来看，它必然是向着凝视型焦平面阵列方向发展。随之而来的是要同时传输和处理更大的数据量，因此必须采用先进的智能化目标探测、识别技术，选用性能更强的硬件处理器，不断提高系统边搜索边跟踪的处理速度，不断提高快速自动化告警及在复杂环境下进行多目标信号处理的能力。（4）小型化和模块化
将系统进一步小型化，尤其是红外扫描头，尽量减轻系统总体质量，加强红外搜索与跟踪系统的适装性。系统的整机向模块化、组合化方向发展，不断提高整机可靠性和维修性。（5）为了克服无法提供精确距离信息的缺陷，使用激光测距机，在必要的时候进行目标定位。例如，法国OSF系统的传感器头包括两个光学头，一个用于探测，另一个装有激光测距机进行测距。（6）综合一体化预警体系
未来战场环境日趋复杂，综合一体化预警探测已成为现代武器装备的发展方向，为了能大幅度降低虚警率，确保探测的准确性，并能识别各种伪装，对抗多批、多频段、多层次的威胁，实现多个、多种预警设备和平台的数据共享，能够大大扩展单一系统的预警范围。1.4 本书的安排
整本书都围绕红外搜索与跟踪能展开，既涉及红外图像预处理，也涉及红外目标自动检测、红外目标跟踪，这就引出了关于如何定义红外目标的问题。本书主要根据目标在图像中大小和形状进行分类，将目标分为小目标、线目标、面目标。小目标指目标距离红外成像系统很远，在图像中只占几个像素，有时甚至只有一个像素的目标；线目标是一种特殊的目标，它是用红外焦平面探测器进行高速扫描所产生的一种目标形状，线目标实质是小目标在图像中拖尾生成的，关于线目标详细介绍见第10章；面目标的概念多出现在对地面目标探测中，因为对地面目标进行检测与跟踪，由于地面背景极其复杂，所以一般在地面环境不能进行小目标自动检测，只能检测中等大小目标，一般称之为面目标，面目标多指图像中像素数大于5×5的目标。
根据目标大小的分类，本书的章节安排如下。
第2章：讲述红外探测器的原理及其响应的数学模型，这部分内容是红外目标特性分析的理论基础。
第3～4章：讲述红外图像去噪处理。第3章为动态噪声抑制处理，第4章为非均匀性噪声抑制处理。
第5～7章：讲述红外小目标自动检测与跟踪的相关内容。
第7～12章：讲述红外线目标自动检测与跟踪的相关内容。
第13～15章：讲述地面红外面目标自动检测与跟踪的相关内容。
第16章：讲述红外目标自动检测与跟踪信号处理硬件部分设计的内容。
本章文献[34]～[97]列出了作者近些年发表的关于红外目标探测的论文，本书是对作者多年研究工作的总结。参考文献
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红外热像仪作为搜索与跟踪系统的一个关键部件，其性能直接影[1～4]响到整个搜索系统的探测能力和对目标的分辨能力，因此必须对红外热像仪特别是红外热像仪中的探测器做详细特性分析。在本章我们首先介绍红外热成像发展概况，接着对几种红外探测器的成像机理及数学模型进行了详细介绍。2.1 红外热成像技术发展概况
1800年英国天文学家Herschel爵士发现了红外辐射，他在重复牛顿著名的棱镜实验时，探测到紧邻可见光谱高频端的区域中存在热量[5，6]；1900年普朗克推导出了普朗克辐射定律，并定量地预计出黑体[7]辐射能量与温度和波长的函数关系。红外线存在于自然界的任何角落，一切温度高于绝对零度的物体时时刻刻都在辐射红外线。红外成像技术始于20世纪30年代，1934年，第一只红外变像管问世。它利用处于高真空中的银氧铯光阴极，将红外辐射图像转换为电子图像，再通过荧光屏，使电子图像转换为人眼能察觉的光学图像。这一“光子—电子—光子”相互转换的原理就是现代夜视仪的理论基础。但在使用红外变像管进行实际观察时，必须有一红外辐射装置“主动”照射目标，这种方法在第二次世界大战和朝鲜战争中得到了初步应用。主动红外夜视仪具有隐蔽性差、易暴露、红外辐射源及供电装置笨重[8～11]等缺点。于是，人们自然想到向两个方向发展来解决该问题：一是利用夜天自然微光的反射，即研究被动微光技术，使微弱照度下的目标成为可见；二是利用场景中目标本身的热辐射和“大气窗口”研究被动红外技术使热目标可见。为此，20世纪50年代以来，在夜视领域，发展了直视微光像增强技术、微光摄像技术和被动红外热成像
[12～15][16～19]技术。被动红外技术有四大优点：①环境适应性优于可见光，尤其是在夜间和恶劣天候下的工作能力。②隐蔽性好。完全是被动接收目标的信号，比雷达和激光探测安全且保密性强，不易被干扰。与微光成像器件相比，其完全不需要对可见光的依赖，而微光器件还需要星光以及大气辉光的反射。③由于是靠目标和背景之间的温差和发射率差形成的红外辐射特性进行探测，因而识别伪装目标的能力优于可见光。④与雷达系统相比，红外系统的体积小、重量轻、功耗低，特别适用于“发射后不管”的精确制导武器。由于上述优点，被动红外成像技术在世界各国都得到了迅猛的发展，已经成为在未来军事技术中具有战略地位的高新技术。
被动红外成像系统的发展离不开其核心——红外焦平面探测器的发展。红外探测器的发展方向有两个，一个是制冷探测器，另一个是非制冷探测器。1958年英国的Lawson研制出HgCdTe探测器以后，[20，21]1964年出现了第一台实时显示的军用热成像仪。20世纪70年代美国完成了热成像系统通用组件计划。英国、法国等也相继研制了通用组件热像仪，各国通用组件略有不同，其中以美国的第一代热成像通用组件技术的影响最大。西方国家生产的第一代热成像产品总数有10万台之多。我国于20世纪90年代初完成了第一代热成像组件的研制，并少量装备部队，产品性能与国外第一代的相当，在热成像技术[22]领域中实现了从无到有的转变，打破了国外技术封锁。
目前，国外制冷型红外热成像技术已经从第一代发展到了第三代。第二代红外热成像系统已经开始装备部队，并逐步取代第一代热成像系统。与第一代热成像技术相比，第二代热成像技术的主要特征为：①探测器像素数大为增加；②有具备一定信号处理功能的大规模集成电路，有简单的光机扫描或无扫描机构；③在与第一代热成像产品大致相同的条件下，作用距离是第一代的1.5～2倍，温度灵敏度在50mK左右，工作波段可以为长波和中波波段。
为提高红外热成像系统在作战时的明显优势，提高抗伪装、抗尘埃和烟雾的能力，发现可探测性低并经过伪装的目标。目前，世界上正在开发第三代热成像系统。第三代热成像技术要求探测和识别复杂背景中隐蔽目标的能力提高50％，提高帧频；并要求系统更轻、更小、零件更少、功耗和成本更低；作用距离是第二代的2倍，对坦克[23～26]的识别将达10km左右，并且具有强大的信号处理功能。第三代热成像技术主要的探测器材料为HgGeTe、InSb和QWIP（量子阱）[27]等。
我国第一代红外热像仪已经成熟，第二代热像仪的研制也已经起步，并处于逐步完善的过程中。2000年左右，上海技术物理所相继研制成功4种型号的64×64 元锑化铟光伏红外探测器，像素尺寸为[28，29]50μm×50μm。2005年，昆明物理研究所采用锆钛酸铅（PZT）体材料，研制成功128元×128元、探测元中心尺寸50μm×50μm的非制冷热释电焦平面探测器，虽然性能与国外类似产品还有一定差距，但是与自身相比，国产制冷探测器以及热像仪和非制冷探测器以及热像仪的研制已经取得了长足进步。目前，上海技术物理研究所、重庆大学、深圳世纪晶圆公司以及国内部分民营红外公司等多家研究所、高校、公司都正在或者即将研究第三代制冷探测器。经过几十年的发展，尤其近几年来，我国红外热成像技术的整体水平与国外的差距已经逐步减小。
在制冷探测器发展的同时，非制冷焦平面探测器也获得了迅速发展，并推动了非制冷热像仪的发展，与制冷热像仪相比，非制冷热像仪省去了复杂的光机扫描系统以及昂贵的制冷系统，使得其具有价格[30-31]低、体积小、功耗低、可靠高、操作方便等诸多优点，成为当今世界高技术领域发展的热点之一。
非制冷热成像技术最早开始于20世纪80年代，美国军队夜视实验室首先意识到低成本、轻重量的重要性，联合了DAPRA（Defense Advanced Project Agency）奠基了铁电以及电阻型[21]阵列探测器的发展。
非制冷成像阵列基本上有两类：一类是铁电-热电辐射计；另一
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