0056] 〇.5m/6 = 0.0833m
[0057]在要求相對(duì)短的焦點(diǎn)長(zhǎng)度的情況下，可通過(guò)減少F#提高靈敏度。
[0058]當(dāng)系統(tǒng)的主要目標(biāo)是障礙物檢測(cè)時(shí)，為減輕生產(chǎn)并減小尺寸，焦點(diǎn)長(zhǎng)度可減少至 約150mm〇
[0059]用于物體檢測(cè)的熱系統(tǒng)通常具有F/2系數(shù)(F/2figUre)，該系數(shù)支持每像素~ IOOmKelvin的噪聲等效溫差(NETD)區(qū)別，這支持長(zhǎng)于2Km距離的障礙物檢測(cè)。在目標(biāo)障礙物 是活體，例如人，的情況下，人體和他圖像周圍地面之間的溫差可在5°K到25° K之間變化。結(jié) 果，信噪比（SNR)可以是50或更高。
[0060] 根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，要求目標(biāo)障礙物一定范圍的檢測(cè)概率(POD)和一定 范圍的錯(cuò)誤警報(bào)率(false alarm ratio FAR)。
[0061] 現(xiàn)參照?qǐng)D3,即根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的描繪SNR、P0D和FAR的大小關(guān)系的示例性 曲線圖。SNR以無(wú)量綱圖表達(dá)并且在橫軸上呈現(xiàn)，POD以百分?jǐn)?shù)表達(dá)并且在縱軸上呈現(xiàn)，對(duì)于 給定的FAR，以無(wú)量綱圖表達(dá)。如在圖3的曲線圖可見的，對(duì)于給定的FAR值，POD值與SNR值成 正比例，對(duì)于足夠高的SNR值(例如高于12.5 )，POD值高于99，甚至FAR等于I 0-22，也就是-- 具有足夠高的SNR，F(xiàn)AR的值可忽略。然而即使FAR的值高于上文具體化的值，系統(tǒng)100仍然對(duì) 機(jī)車司機(jī)有幫助，因?yàn)樵趩卧?00調(diào)諧為在這個(gè)范圍提供警報(bào)信號(hào)時(shí)，它會(huì)引起他對(duì)于警報(bào) 的關(guān)注。對(duì)于SNR等于10，F(xiàn)AR的值非常低，對(duì)于SNR高于10,很明顯FAR的值幾乎為零。對(duì)于由 傳感器106獲取的單個(gè)幀，對(duì)于SNR等于10的POD值接近99.99%，當(dāng)然如果獲取兩個(gè)或兩個(gè) 以上幀，POD值非常接近100%。
[0062] -種根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式用于鐵路障礙物識(shí)別和避開的系統(tǒng)，（例如系統(tǒng) 100)可在至少兩個(gè)不同范圍的波長(zhǎng)操作。第一波長(zhǎng)范圍，也被稱作中波長(zhǎng)紅外線(MWIR)是 3-8μπι，第二范圍也稱為長(zhǎng)波長(zhǎng)紅外線(LWIR)是8-15μπι。這些范圍的每一個(gè)中的系統(tǒng)的操作 涉及其自身的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。當(dāng)需要檢測(cè)紅外（IR)導(dǎo)彈尾焰時(shí)，在Mff IR范圍操作有優(yōu)點(diǎn)。如本 文中所使用的，IR導(dǎo)彈尾焰可指從導(dǎo)彈尾氣排出的IR輻射。另外，在好的氛圍條件下，MWIR 范圍具有較好的可轉(zhuǎn)移性，例如在具有低水平空氣紊動(dòng)(turbulence)的環(huán)境中。當(dāng)在具有 高水平空氣紊動(dòng)的環(huán)境中操作時(shí)，在LWIR范圍的操作具有大量的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)IR能量的波長(zhǎng)在 LWIR范圍時(shí)，IR范圍的波長(zhǎng)的可轉(zhuǎn)移性非常高?？墒褂脜?shù)Cn2來(lái)評(píng)估紊動(dòng)(turbulence)對(duì) 成像器性能的影響，參數(shù)Cn2表明目標(biāo)物體和成像器之間的介質(zhì)的折射因素的變化水平。這 個(gè)單元具有物理尺寸【"f 2/3】并且該數(shù)字越大，折射數(shù)量的變化越大，結(jié)果一一成像器的性 能越低。
[0063] 現(xiàn)參照?qǐng)D4,即示意性地圖示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的MW和LW波長(zhǎng)范圍內(nèi)的IR 波長(zhǎng)的可轉(zhuǎn)移性作為紊動(dòng)系數(shù)。在MW和LW波長(zhǎng)范圍的IR波長(zhǎng)的可轉(zhuǎn)移性(其作為紊動(dòng)系數(shù) Cn2沿著橫軸呈現(xiàn)），在被觀察的物體和物體與成像器之間的介質(zhì)中，沿著縱軸呈現(xiàn)。如圖4 可見，在低水平紊動(dòng)Cn2上的MWIR的可轉(zhuǎn)移性比LWIR的可轉(zhuǎn)移性高。但是，紊動(dòng)對(duì)MffIR的影 響遠(yuǎn)高于對(duì)LWIR的影響，并且在2km的范圍和高水平的紊動(dòng)的感興趣區(qū)域中，LWIR的可轉(zhuǎn)移 性較好。
[0064] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，在IR頻譜的LW范圍內(nèi)操作系統(tǒng)(諸如系統(tǒng)100)的優(yōu)點(diǎn)也 適用于在低可見度條件下的操作。成像系統(tǒng)的可轉(zhuǎn)移性可由雷利衍射方程（Rayleigh equation)評(píng)估：
[0066] 在該方程中，成分（l/λ)4對(duì)于壞天氣條件下的可轉(zhuǎn)移性最重要，在壞天氣條件下 使用長(zhǎng)波長(zhǎng)被證明具有高的可轉(zhuǎn)移性。
[0067] 根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，用于鐵路障礙物識(shí)別和避開的系統(tǒng)，諸如系統(tǒng)100， 在圖形幀中可自動(dòng)地聚焦于鐵路的鐵軌的圖像。期望鐵軌的圖像在所述幀中具有高水平的 區(qū)分度，這主要由于在所述圖像幀中鐵軌的溫度和其背景的溫度之間的差異。鐵路鐵軌由 金屬制成，通常是鋼，其具有不同于設(shè)置該鐵軌的地面的熱傳遞系數(shù)。鐵的熱傳遞系數(shù)為 50W/m 2 · k(瓦特每平方米開爾文)而等同的地面(包括巖石、土壤和氣穴）的熱傳遞低于IW/ m2 · k。這種不同確保在全天和所有范圍的天氣變化中鐵軌表面的溫度與其背景溫度相比 的顯著差異。
[0068] 根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式的系統(tǒng)需要能夠通過(guò)可被污染或具有低可見度的具 有折射變化等的介質(zhì)，識(shí)別2km距離或更遠(yuǎn)的約0.5m寬的障礙物。另外，由于安裝在以高速 行駛的火車機(jī)車上，IR傳感器常遭受復(fù)雜的振動(dòng)。這樣的復(fù)雜振動(dòng)組包括特定機(jī)車的特定 振動(dòng)、來(lái)自在鐵軌上的行駛的振動(dòng)。從火車機(jī)車引入到IR傳感器的振動(dòng)可引發(fā)對(duì)于獲取的 圖像的兩種不同類型的負(fù)面影響。第一種負(fù)面影響是獲取的圖像的振動(dòng)，第二種負(fù)面的影 響是圖像的模糊。
[0069] 第一種負(fù)面影響的結(jié)果是這樣的圖像，在該圖像中，每一個(gè)物體在不同的地點(diǎn)在 幀中出現(xiàn)幾次，在橫向和/或縱向上以未知量相對(duì)于彼此移動(dòng)。第二種負(fù)面影響是幀中物體 的模糊，該效應(yīng)減小了圖像的清晰度。處理第一個(gè)負(fù)面效應(yīng)更難，因?yàn)楹茈y自動(dòng)確定哪些像 素代表物體，從而排除記錄幀中被拍攝物體的確切位置的可能性從而接下來(lái)通過(guò)減法清除 該負(fù)面影響。第二種負(fù)面影響更容易處理，因?yàn)榭赏ㄟ^(guò)及時(shí)平均化模糊的物體提取物體從 而接收真實(shí)的物體。
[0070] 根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，可通過(guò)例如為特定機(jī)車和/或在各種特定行駛概況 中的機(jī)車和/或沿著鐵路的特定路段行駛的機(jī)車儲(chǔ)存振動(dòng)概況，記錄、分析和研究特定的火 車機(jī)車的振動(dòng)的特定性質(zhì)。這樣的振動(dòng)數(shù)據(jù)可儲(chǔ)存或隨時(shí)由諸如系統(tǒng)100的系統(tǒng)使用。根據(jù) 本發(fā)明的可替代或另外的實(shí)施方式，為了被使用以使障礙物IR圖像清晰，可動(dòng)態(tài)地研究和 分析特定機(jī)車的振動(dòng)的特定性質(zhì)。
[0071] 根據(jù)本發(fā)明的又另外的實(shí)施方式，通過(guò)依靠假定：只要至少一個(gè)鐵路鐵軌在成像 器的視線(LOS)內(nèi)，可更容易提取振動(dòng)影響，依靠如上文討論的由于其區(qū)分的熱特征在圖像 幀中定位鐵軌的容易性，可進(jìn)一步改善獲取的IR圖像以克服振動(dòng)的負(fù)面影響。為了改善被 拍攝的IR圖像，可使用維納濾波器。維納濾波器的頻率響應(yīng)可表達(dá)為：
[0073]其中：
[0074] Snn(W1，w2)為如從具有均勻分散的幀中的位置所取得的噪聲頻譜，以及 [0075 ] Suu (W1，W2)為起始物體的圖像的頻譜。
[0076] 根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，可儲(chǔ)存沿著鐵路軌道拍攝的圖像以便后面的使用。 一個(gè)這樣的使用可以是用作參考圖像。例如就圖2B描述的，系統(tǒng)100可提取對(duì)應(yīng)當(dāng)前由IR傳 感器(諸如傳感器106)觀察的鐵路路段的預(yù)存圖像?？苫趶?例如)GPS輸入單元242接收 的連續(xù)的位置信息提取預(yù)存的圖像。預(yù)存的圖像(假定其具有更高質(zhì)量)可用于通過(guò)例如減 法比較。另外或可替代地，可通過(guò)諸如蜂窩網(wǎng)絡(luò)的通信鏈接從遠(yuǎn)程存儲(chǔ)裝置接收預(yù)存儲(chǔ)的 參考軌道圖像。
[0077] 本發(fā)明的一些實(shí)施方式是當(dāng)前應(yīng)用的主題，本發(fā)明的發(fā)明者(他的一些實(shí)施方式 是本申請(qǐng)的主題）已經(jīng)執(zhí)行實(shí)驗(yàn)從而將從由IR傳感器在白天和黑夜拍攝的圖像進(jìn)行的鐵路 鐵軌的檢測(cè)及置于鐵軌附近的物體的檢測(cè)，與由普通的相機(jī)在同樣時(shí)間拍攝的同樣的鐵軌 和物體的圖像進(jìn)行比較。在黑夜中，由普通相機(jī)拍攝的圖像是是完全看不見的，但是由IR相 機(jī)在同一時(shí)間拍攝的圖像是明顯看得見的。另外，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)即使是在白天，當(dāng)穿過(guò)陰影區(qū)域 時(shí)，由普通相機(jī)拍攝的鐵軌是完全看不見的，但是用IR傳感器是足夠看得見的。意識(shí)到即使 通過(guò)陰影區(qū)域時(shí)鐵軌的溫度低于暴于陽(yáng)光下的鐵軌的溫度，由于鐵軌的高的熱傳遞數(shù)字， 一些熱量從暴于陽(yáng)光下的部分傳輸，結(jié)果，其在陰影部分的溫度下降少于其附近的地面的 下降，結(jié)果在IR幀中保持區(qū)別。
[0078]現(xiàn)參照?qǐng)D5A到圖5E，這些是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行和處理的火車機(jī)車前方場(chǎng) 景的圖像。
[0079] 圖5A為根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，由置于火車機(jī)車前端的IR成像器拍攝的圖 像，該圖像呈現(xiàn)了如在白色框502內(nèi)看到的陰影部分內(nèi)的鐵軌500的部分的可見度?？梢娂?使人眼不能區(qū)分，位于白色框502內(nèi)部（陰影部分）的鐵路500的部分在IR圖像中可區(qū)分。
[0080] 圖5B為根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式，與鐵軌500在圖5A中示出的同一場(chǎng)景經(jīng)受過(guò) 濾之后的圖像。在圖5B的實(shí)例中，一階導(dǎo)數(shù)過(guò)濾器(也稱為一階差分過(guò)濾器)應(yīng)用于邊緣檢 測(cè)。此處在白色框504中的圖像的陰影區(qū)域中的鐵軌500在陰影區(qū)域的圖案中也是很好區(qū)分 的。
[0081] 圖5C為示出根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式的沿著鐵軌的兩個(gè)不同點(diǎn)的鐵軌500的溫 度變化以及鐵軌和其背景之間的溫度差異的圖像。位置512和516為鐵軌500上互相距離約 Ikm的點(diǎn)。通過(guò)灰度級(jí)的差值(其為20級(jí)）提取點(diǎn)512和516之間的溫度的差值，計(jì)算出的IKm 的差值約為1.6°C。在點(diǎn)514測(cè)量的灰度為0,其與鐵軌的代表相差約230級(jí)--一個(gè)巨大的 差別。因此，很明顯，與鐵軌和它們的背景之間的溫度差相比，沿著鐵軌的溫度變化忽略。 [0082]圖5D為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，的由位于火車機(jī)車前方的IR攝像機(jī)拍攝的圖像， 該圖像呈現(xiàn)了距離成像器約〇.5km距離的位于鐵軌500之間的障礙物522、鐵軌500之間的背 景524和鐵軌526之間溫度的差異。與圖5C中的溫度分析相似，在此，在約0.5km的距離處，背 景524的溫度與障礙物522的溫度的區(qū)別為246灰度(約80mK*246~20 °C)，并且與鐵軌526的 溫度差異為約220灰度（約17.5°C度）。這再次例證了由IR成像器拍攝的鐵