短波红外成像在航拍领域的使用建议书

1、引言

随着计算机信息技术及无人驾驶飞行器技术的发展，无人机航拍技术也在民用领域得到了更广泛的应用，同时对无人机航拍也提出了更高的要求。不仅对无人机本身提出了可靠性高、稳定性、易操作、成本低、航时长等要求，而对相机也提出了相应的要求，主要是像素更多、可以应对不同的天气环境及不同的航拍任务等方面。短波红外相机是一种结合了可见光“反射成像”及中远红外“辐射成像”特点的相机，结合无人机可以完成更多特殊的航拍任务。

2、产品原理

红外线按照波长范围可划分为三个波段：分别是短波红外（1-3um）、中波红外（3-5um）、长波红外（8-12um）。

短波红外光谱具有以下几种特性：1）任何物体都具有吸收和反射不同波长电磁波的特性，不同的物体的光谱特性不同；2）大气中等效凝结水厚度是影响大气传输特性的重要原因，在短波红外光谱范围内，特别是1.5-1.7um范围内。大气的传输性非常好；3）景物光谱反射系数的差别比可见光要大，因为拍摄图像的对比度增强。

短波红外相机的原理与可见光相机原理大同小异，都是通过镜头将目标的像成在感光芯片，芯片把数据记录后以串行或并行方式传送至后端读取电路，并进行图像处理等，zui后显示出来。*不同的是可见光相机光谱敏感波段集中在400-800nm，而短波红外相机则集中在900-1700nm。

3、主要特点及优势

3.1主要特点

1）短波红外成像技术在0.9-1.7um有非常高的灵敏度。

2）标准C接口便于客户根据实际需求配置镜头。

3）曝光时间500ns-500ms可调。

4）14bit USB数字输出可自动调节高速数字图像的增益。

5）高帧率全帧：110 Hz; 窗口：15.6K Hz （32x8）

6）低噪声电路提供高灵敏度和宽动态范围。

7）低功耗非TEC相机功耗低至2.5W 便于手持或移动。

8）体积小重量轻便于OEM集成。体积：55 x 55 x 70 mm， 重量：（不含镜头）206g

3.2、技术指标

3.3、量子效率曲线

3.4、相机尺寸图

4、应用领域

基于短波红外光谱的特性，短波红外成像技术在军事领域有了很快的发展，包括车载、机载前视成像、激光导引、战场激光排查、信标系统等领域。近年来，短波红外光谱分析与计算机图像技术的复合与集成，有力地推动了短波红外图像处理的发展，其应用领域已经得到了很大的拓展，包括高光谱成像，农作物估产，森林防火、气象预测、矿产资源勘探等方面。

随着无人机技术的成熟，航拍、遥感市场将迎来跨越式发展。无人机的应用，远不止影视航拍、风景航拍这些，还有森林火点探测、边境巡逻、农作物估产、应急救、管道巡查、有害气体探测等方面。甚至反恐、大气取样等领域也对无人机使用表现出了极大地兴趣。

4.1、伪装识别与搜救

伪装技术是现代军事战争中*的有效防备手段，目前目标伪装的材料主要是涂料，我们知道人眼在可见光波段（0.38-0.76um）才有视觉反省，该波段的伪装是比较容易做到；而植物在短波红外波段（主要是0.8-1.7um）的伪装与染料结构有很大的关系，而短波红外波段对绿色植物的反射光谱与伪装涂料的差异非常大，故常规的伪装对短波红外相机来说是没有任何意义。故使用短波红外相机低空航拍从而发现伪装是目前安全防御的新手段（如图1）。而作为民用领域，有实力的航拍单位承担了较多的政府搜救工作，此任务也可使用短波红外相机结合可见光相机来实现，特别是在目前雾霾天气较为严重，能见度较低的情况下，更能体现短波红外相机在透雾方面优势。

如图1

目标表面覆盖在伪装下

处理后的短波红外图像

4.2、农作物估产

传统的农作物单产预测方法主要有农学预报方法、统计预报方法、气象统计方法，这些方法分别从不同角度来建立作物单产模式，区别以往的估产方法。自上世纪70年代以来，遥感技术在世界范围内得到了迅速的发展和广泛的应用，我国采用的是陆地卫星遥感来进行农作物估产，并取得了良好的效果，但是由于陆地卫星重复观测周期长，我国南方作物生长季节阴郁天气多，实时的晴资料难以获得，再加上现在空气质量进一步下降，能见度太低，导致目前这种估产方式难以推广使用。目前看来使用短波红外技术搭载无人机进行低空遥感不仅可以解决以上问题，对于区域估产，还可以改善由于地区耕作制度复杂、地块破碎及分散等因素造成的影响。从短波红外相机中获取短波红外波段的信息与其他信息相结合得到归一化植被指数与作物的叶面积指数和生物量呈正相关可用于准实时的作物长势监测和产量估计。

4.3、森林防火

    森林大火是一种常见*害，火灾产生的大量烟雾掩盖了大面积地形，降低了能见度，给救援工作带来了许多不便，造成重大经济损失。短波红外相机具有优异的透雾成像能力，大大提高了空中和地面消防人员的能见度，特别值得一提的是，与长波红外森林火场图像中的大面积泛白热图不同，短波红外相机对200℃以上的高温物体敏感（表现为白色），而这往往是火源点所在的附近位置，从而大大缩小着火点的搜寻范围。故采用短波红外相机搭载无人机深入火*区域寻找火点位置，不仅可以发挥无人机的优势还可以更确认着火点位置，将损失降到zui低。在扑灭大面积火场后由于粉尘及烟雾的影响使用无人机对*后区域进行排查，消除二次火灾的引发。

4.4、遥感资源探测

    在短波红外波长范围内，岩石中含水或含氢氧根的矿物（主要为层状硅酸盐和粘土类）以及硫酸盐和碳酸盐矿物有特殊显示。这些矿物大多见于与金属矿床有关的热液蚀变带，故可用来指示热液成矿体系的环境参数，提供找矿线索并指导找矿。

基于短波红外技术的矿物填图与传统地质意义上进行地层、岩层或岩体等填图概念不同，矿物填图的基本单位是单个矿物，因而可用于找矿勘探、地质工程、自然灾害监测和环境污染调查等众多领域。

4.5、环境污染监测及分析

短波红外用于污染检测分析时，可作为遥测型检测，适用于毒性物质侦测、大气成分监测、油井组成分析、工厂排放监测、污泥热处理等。与常用的化学检测方式不同，短波红外用于检测分析时并不产生废弃物，为*检测、零感染检测。

4.6、气象预警

由于短波红外具有穿透雾霾、夜视和低光照环境成像能力、对水分敏感，成像分辨率高，成像效果接近可见光等特点，可以应用于暴雨预警、监测、龙卷风观测等场合。

暴雨来临前可见光图像（左）与短波红外图像（右）

4.7、透雾成像

在视觉增强以及恶劣天气低能见度条件下，短波红外是热像仪的有益补充。短波红外所成的像非常类似可见光图像，相比热成像，短波红外拥有更好的细节分辨和解析能力。热像仪能很好的检测出冷背景下温暖的目标，然而短波红外能很好的识别出该目标是什么，例如（船舶、车辆、人员）。

短波红外也可以在热交叉场景提供成像辅助。热交叉点是一个温度点，此时待观察目标的温度与背景的温度相等。下图为日出时海岸边可见光、热像仪、短波红外三者的成像效果对比。由于处在热交叉点上，海岸与海水的细节在热成像中都丢失了。由于短波红外能对反射光成像而不是依赖温度差，海岸线图像脱颖而出，同时由于短波红外的透雾能力，相比可见光相机能捕获更多细节。而搭载无人机更能体现短波红外相机在能见度差的情况下搜索及识别的优势，故短波红外相机透雾成像是特殊场景航拍zui大的优势。

5、总结

关于国外短波红外相机的应用，目前较为广泛，其中包括为资源环境型卫星上配套，而其中欧洲环境卫星Envisat1，法国STOP5，印度环境卫星IRS-1等都配备了铟镓砷材料的短波红外相机。美国*一代主战装备“斯特瑞克”装甲车也使用了短波红外相机作为驾驶员的视觉增强设备，而在多个国家的消防部门也开始使用短波红外相机来寻找火点。

结合对上述应用的分析，短波红外相机在专业航拍及特殊航拍领域有非常好的应用前景，更多应用领域的发现还需要专业航拍工作者的发现和指导，而我司在此方面会提供的及更灵活的合作方式，为贵公司航拍业务面的拓展助一臂之力。

                                         西安立鼎光电科技有限公司

                                                  徐建强