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2022年  第44卷  第11期

专栏:红外目标检测
前言
2022, 44(11): 1119-1119.
摘要:
基于深度卷积神经网络的小型民用无人机检测研究进展
杨欣, 王刚, 李椋, 李邵港, 高晋, 王以政
2022, 44(11): 1119-1131.
摘要:
小型民用无人机预警探测是公共安全领域的热点问题,也是视觉目标检测领域的研究难点。采用手工特征的经典目标检测方法在语义信息的提取和表征方面存在局限性,因此基于深度卷积神经网络的目标检测方法在近年已成为业内主流技术手段。围绕基于深度卷积神经网络的小型民用无人机检测技术发展现状,本文介绍了计算机视觉目标检测领域中基于深度卷积神经网络的双阶段算法和单阶段检测算法,针对小型无人机检测任务分别总结了面向静态图像和视频数据的无人机目标检测方法,进而探讨了无人机视觉检测中亟待解决的瓶颈性问题,最后对该领域研究的未来发展趋势进行了讨论和展望。
基于IHBF的增强局部对比度红外小目标检测方法
贺顺, 谢永妮, 杨志伟, 贺小艳, 刘祥熹
2022, 44(11): 1132-1138.
摘要:
针对非均匀背景下红外小目标检测率低的问题,本文引入人眼视觉系统对比度机制,提出一种基于改进高提升滤波(improved high boost filter,IHBF)的增强局部对比度红外小目标检测方法。首先,根据小目标的频域特性,通过IHBF运算提升高频信号同时,剔除含有背景的低频信号;然后,提出增强局部对比度方法构建比差联合形式的算子,进一步增强目标与背景间的对比度,获得最优显著图;最后,采用自适应阈值分割技术获取真实目标。仿真结果表明:相对于现有的局部对比度算法,所提方法在检测率、虚警率等方面更具优势,是非均匀背景下检测红外小目标的一种有效方法。
融合判别性与细粒度特征的抗遮挡红外目标跟踪算法
吴捷, 马小虎
2022, 44(11): 1139-1145.
摘要:
针对现有热红外目标跟踪算法难以处理相似物干扰和目标遮挡的问题,引入MMNet(Multi-task Matching Network)算法中的多任务框架获取热红外目标特定的判别性特征和细粒度特征,并将这两种特征相互融合,用于在类间和类内识别热红外对象。此外,利用峰值旁瓣比动态设置模型更新参数以更高效地获取目标变化信息并对跟踪结果进行评估。对于不可靠跟踪结果利用卡尔曼滤波对目标位置进行预测。在LSOTB-TIR(Large-Scale Thermal Infrared Object Tracking Benchmark)红外数据集上的实验结果表明,提出的改进算法性能较好,相比MMNet跟踪精确度和成功率分别提高了5.7%和4.2%,且能有效应对遮挡、变形等挑战,可以应用于红外目标跟踪领域。
红外热成像中低分辨率行人小目标检测方法
胡焱, 胡皓冰, 赵宇航, 原子昊, 司成可
2022, 44(11): 1146-1153.
摘要:
红外热成像图像的目标检测中,针对低分辨率小目标检测效果差、复杂尺度目标检测率低等问题,提出一种基于改进YOLOv5的红外低分辨率目标检测算法。选用LLVIP红外数据集,通过引入不同注意力机制来对比检测效果。选用效果最佳的注意力机制,改进目标检测网络的损失函数提高对小目标的检测率。利用TiX650热成像仪采集小目标图像样本对原数据集进行优化采样和增广,分别使用改进前后的YOLOv5网络进行训练。从模型训练结果和目标检测结果评估模型的性能提升,实验结果表明:相较于原始训练模型,改进后YOLOv5的训练模型,在红外成像的同一场景中对低分辨率小目标的检测精度上有明显提升,且漏检率低。
基于红外可见光融合的低能见度道路目标检测算法
吴泽, 缪小冬, 李伟文, 虞浒
2022, 44(11): 1154-1160.
摘要:
红外图像与可见光图像均被广泛用于目标检测领域,但单模态图像难以满足低能见度道路目标检测的需求,因此本文从双模态融合角度出发,提出一种基于红外可见光融合的低能见度道路目标检测算法。首先,运用多种红外可见光双模态图像融合算法对输入图像进行预处理,并对融合图像的均值、标准差、信息熵、平均梯度、空间频率等5个参数进行定量分析,然后,优化训练检测网络得到针对低能见度道路目标的检测模型,最后,从模型训练结果和目标检测结果的角度评估算法和模型的正确性。实验结果表明,本文算法训练出的模型误检率和漏检率较其他算法明显降低,检测精度较现有算法使用单模态图像由75.51%提升到88.86%,且图像处理速度能够满足实时检测的需求。
基于红外特征的三维目标识别算法研究
夏琰
2022, 44(11): 1161-1166.
摘要:
基于三维特征的目标识别存在相似点云域容易误判、总数据运算量大等问题,而造成目标检出率低和误判率高。为了提高目标识别准确度与速度,提出了基于红外特征的三维目标识别算法。系统同时获取目标区域的二维红外图像与三维点云数据,利用目标红外特性的显著特征获得目标的投影范围,并计算系统与目标的位姿关系。根据红外特征映射关系计算点云数据中目标的限定范围,由此大幅缩减需要匹配计算的点云总量。在相同背景条件下对同一目标车辆进行测试,记录分析了3种不同测试角度条件下的识别数据。结果显示,传统点云识别算法的目标检出率均值为93.4%,误判率均值为19.5%,收敛耗时4.77 s。本算法的目标检出率均值为98.7%,误判率均值为1.5%,收敛耗时1.23 s。由此可见,基于红外特征的目标识别算法的检出率和误判率都更有优势,且处理速度更快。
基于YOLOX和Swin Transformer的车载红外目标检测
楼哲航, 罗素云
2022, 44(11): 1167-1175.
摘要:
红外图像因为存在噪声大、对比度不佳等问题,容易导致目标检测时的精度降低,本文结合YOLOX和Swin Transformer,提出了一种改进的YOLOX的模型。改进的模型采用Swin Transformer替换YOLOX中的CSPDarknet主干提取网络,减少YOLOX中Neck和Head部分的激活函数以及标准化层,以提高特征的提取能力,优化网络结构。对改进的模型在艾瑞光电数据集和FILR数据集上均进行了测试,实验结果显示,改进后的YOLOX网络,在两个数据集上的平均检测精度都有明显提升,更加适合红外图像的目标检测。
一种自适应红外目标尺寸变化的检测跟踪算法
杨擎宇, 王永让, 李昊, 唐善军, 李芳, 张国华
2022, 44(11): 1176-1185.
摘要:
在实际场景中随着红外探测距离的缩小,红外弱小目标的尺寸等会动态增长,常用的红外弱小目标检测跟踪算法便无法继续稳定检测与跟踪。为解决上述问题,本文提出了一种自适应红外目标尺寸变化的检测跟踪方法,借助低阈值信噪比实现弱小目标的初筛,并通过自适应尺寸分割避免大目标漏检误检,构建备选目标库,最后配合使用卡尔曼算法模型预测运动轨迹,完成小范围波门检测,实现目标跟踪。与传统DBT(Detection Before Track)跟踪检测算法相比,本文算法可同时兼顾弱小目标和大尺寸目标的检测跟踪,在所选目标尺寸动态增长的场景中,本文算法的检测跟踪率提升了约10%。
综述与评论
空间红外相机技术发展现状及应用
潘朝猛, 康丽珠, 罗敏, 陶亮, 陈树刚, 陈波, 白忠宏, 崔海, 徐参军, 赵劲松
2022, 44(11): 1186-1194.
摘要:
随着卫星载荷在大气和地物等目标探测、识别领域的广泛应用,空间红外相机技术得到了快速发展,这对空间红外光学系统的技术水平也提出了越来越高的要求。本文通过调研近十年来国内外典型星载红外光电载荷的技术特点及其变化情况,分析、总结了空间红外光学技术的研究现状和发展趋势。
系统与设计
基于自由曲面双波段离轴三反光学系统的优化设计
杨旭, 李艳红, 张远健, 朱大略, 张智强
2022, 44(11): 1195-1202.
摘要:
在航空遥感领域中,双波段光学系统是最具代表性的光学系统。与单一波段光学系统相比,双波段系统可以同时探测到背景信号和目标信号,从而获得更准确的信息。采用离轴反射系统这一方案与折射系统相比,在满足更长焦距的同时,又能实现光学系统小型化的目标。本文提出一种基于自由曲面的反射系统作为设计蓝本,能够获得如下优点:视场角更大,光路容易折叠,系统成像质量高,能够达到高分辨率成像以及系统的轻量化设计。本文采用动态光学理论对系统初始结构进行求解并通过对系统元件的倾斜与偏移计算获得离轴系统,系统引入自由曲面获得更加优质的成像质量。系统参数如下:焦距为2000 mm,相对孔径为1/2,视场角为6°×1°,工作波段为3~5 μm与8~12 μm,选用法国Sofradir公司生产的红外双色焦平面阵列非制冷型探测器;设计结果表明,加入自由曲面后系统的成像质量得到了明显改善,系统在整个工作波段内MTF值在14 lp≥0.3。
图像处理与仿真
基于Harris图像拼接的全景视频稳像算法
王正家, 吴春林, 柯黎明, 陈文重, 刘城逍
2022, 44(11): 1203-1209.
摘要:
对于背景变换和抖动分量比较小的视频序列,传统稳像算法不能直接适用,本文提出一种基于Harris图像拼接的全景稳像算法。首先采用Prewitt算子提取出图像的边缘信息,在此基础上进行分区的Harris特征点检测;然后结合NCC(normalized cross correlation)算法与RANSAC(random sample consensus)算法实现图像间的特征点精确匹配,接着利用加权平均融合的方法进行图像融合;最后对融合后的全景图像进行剪裁,完成图像补偿,输出稳定的视频序列。实验结果表明:改进的Harris算法提高了算法效率以及正确特征点数量,并且本文稳像算法实时性较好,能够有效消除视频抖动并输出稳定的视频序列。
基于密集连接和空谱变换器的双支路高光谱图像分类模型
李鑫伟, 杨甜
2022, 44(11): 1210-1219.
摘要:
为了减少高光谱图像的训练样本,同时得到更好的分类结果,本文提出了一种基于密集连接网络和空谱变换器的双支路深度网络模型。该模型包含两个支路并行提取图像的空谱特征。首先,两支路分别使用3D和2D卷积对子图像的空间信息和光谱信息进行初步提取,然后经过由批归一化、Mish函数和3D卷积组成的密集连接网络进行深度特征提取。接着两支路分别使用光谱变换器和空间变换器以进一步增强网络提取特征的能力。最后两支路的输出特征图进行融合并得到最终的分类结果。模型在Indian Pines、University of Pavia、Salinas Valley和Kennedy Space Center数据集上进行了测试,并与6种现有方法进行了对比。结果表明,在Indian Pines数据集的训练集比例为3%,其他数据集的训练集比例为0.5%的条件下,算法的总体分类精度分别为95.75%、96.75%、95.63%和98.01%,总体性能优于比较的方法。
红外应用
基于直觉模糊C均值聚类的红外图像缺陷检测
王禄祥, 张志杰, 汪权, 陈昊泽
2022, 44(11): 1220-1227.
摘要:
红外热成像技术常被用来检测碳纤维增强复合材料的内部缺陷,但常用的光学热源加热效率低,需要近距离加热试件。激光具有能量集中、衰减小的优点,其作为加热源有助于实现远距离检测。本文介绍了线激光扫描红外热成像无损检测技术,并对加热过程中材料内部热传导进行了分析。其次,针对红外图像均匀性差、对比度弱,不利于缺陷特征提取的问题,本文引入基于直觉模糊C均值聚类算法的图像分割方法来提取缺陷边缘,与K-Means聚类方法相比,该方法可以提升缺陷模糊边缘的识别和检测能力,保留更多图像的细节信息,有助于准确提取缺陷边缘特征。
材料与器件
黑曲霉菌对Ge镀增透膜层的腐蚀行为研究
戈帆, 郭骞, 肖建军, 刘剑, 杨玉萍, 王冲文, 刘艳芳, 罗瑞, 赵远荣, 杨品杰, 刘云红
2022, 44(11): 1228-1235.
摘要:
为开发新型保护膜系和光学系统的防霉设计提供数据支撑,了解Ge镀增透膜层在黑曲霉环境下的腐蚀行为,有助于提高红外窗口材料的环境适应性。通过霉菌加速试验,采用荧光显微镜、扫描电镜、X射线光电子能谱等,研究黑曲霉菌对Ge镀增透膜层样品的腐蚀行为及影响规律。黑曲霉菌为产酸型微生物,在稳定期时,它的生物量最高,细胞代谢产物的积累达到高峰,在对数生长阶段,由其引起的生长环境pH值变化显著,增加了环境的酸度;黑曲霉菌初始以Ge镀增透膜层样品表层吸附的碳元素为营养粘附于样品表面,并在样品表面大量繁殖,消耗样品表层的碳含量,随着黑曲霉菌的大量繁殖,样品表面的pH值也随之降低,样品表面的金属元素被氧化,开始逐步溶解,Ge镀增透膜层样品表层的锗元素、锌元素相继被剥离,参与反应后,样品的表层形貌被破坏严重,形成了大量的腐蚀坑。黑曲霉菌对Ge镀增透膜层的腐蚀行为以点蚀方式为主,它的生长代谢作用促进Ge镀增透膜层的腐蚀。
基于石墨烯/硅微米孔阵列异质结的高性能近红外光探测器
何峰, 徐波, 蓝镇立, 宋轶佶, 曾庆平
2022, 44(11): 1236-1242.
摘要:
本文报道了一种由石墨烯和硅微米孔阵列构筑的异质结探测器,具备高性能近红外光探测能力。通过光刻和反应离子刻蚀技术制备的硅微米孔阵列具有整齐光滑的表面,保证了较低的表面载流子复合速率。同时,孔阵列结构能有效地抑制入射光的反射,增加了有效光照面积,提高了石墨烯/硅异质结的吸收效率,从而提高了器件的光响应度。器件在±3 V偏压下表现出明显的电流整流特性,整流比为4.30×105,在功率密度为4.25 mW/cm2的810 nm入射光照射下器件的开关比达到了9.20×105。在入射光强为118.00 μW/cm2的810 nm光照下,光探测器的电流响应度可达到679.70 mA/W,探测率为3.40×1012 Jones;入射光强为7.00 μW/cm2电压响应度为1.79×106 V/W。更重要的是,该器件具有20.00/21.30 μs的升/降响应速度。相比于商业化硅光电二极管,石墨烯/硅微米孔阵列光电探测器结构简单、制备工艺简便,有望大幅降低制备成本。研究结果显示了石墨烯/硅微米孔阵列异质结探测器在未来低成本、稳定和高效近红外光探测应用方面的巨大潜力。
测量技术
基于红外激光干涉仪的非球面面形测试技术研究
李彦生, 唐莹娟, 李汝劼, 许红, 苏斌, 何雨纯, 程敬辉, 陈奕君, 王乔方
2022, 44(11): 1243-1247.
摘要:
本文提出了一种基于红外激光干涉仪检测非球面面形的新方法,分为3个步骤:首先,利用红外激光干涉仪测量分析出非球面与标准球面之间的波像差;然后,根据非球面方程得出非球面与标准球面之间波像差的理论值;最后通过计算得出非球面的面形偏差。为验证这一方法的正确性和可靠性,采用ZYGO可见光干涉仪,使用补偿镜法测量了同一块抛物面反射镜的面形误差。结果表明,两种测量方法结果吻合。本新方法方便快捷,具有较强的通用性,可以用于非球面在加工过程中的面形测试。