熱紅外偏振成像的目標(biāo)探測(cè)技術(shù)研究*

易 瑔 嚴(yán)志強(qiáng) 唐湘燕 楊建昌

(1.西安交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，西安 710049; 2.裝甲兵工程學(xué)院控制工程系,北京 100072 ; 3.中國(guó)兵器裝備研究院,北京 100089)

0 引言

熱紅外成像是一種透過(guò)煙塵能力強(qiáng)、可晝夜工作的被動(dòng)成像技術(shù)，在民用和軍用上均得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。其工作原理為測(cè)量物體的熱輻射強(qiáng)度，通過(guò)目標(biāo)與背景的輻射強(qiáng)度差別來(lái)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。當(dāng)目標(biāo)與背景的輻射強(qiáng)度差很小時(shí)，目標(biāo)與背景信噪比很低，就無(wú)法有效將目標(biāo)區(qū)分出來(lái)。隨著紅外偽裝技術(shù)的廣泛使用，目標(biāo)與背景的輻射特性發(fā)生改變，目標(biāo)的熱紅外特征發(fā)生歪曲，進(jìn)入探測(cè)系統(tǒng)的能量大幅衰減，導(dǎo)致目標(biāo)背景輻射對(duì)比度降低，嚴(yán)重削弱了熱紅外成像系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)能力。

研究表明，自然界中的地物(水除外)偏振度往往較低，而人造目標(biāo)由于表面的規(guī)則性和光滑性等因素，偏振度較強(qiáng)[3]。由于偏振度反應(yīng)的是不同方向上能量的相對(duì)大小，而與進(jìn)入探測(cè)器的能量大小關(guān)系不大，因此能在低熱對(duì)比度的場(chǎng)景中有效提高探測(cè)性能?；诩t外偏振成像技術(shù)是近十年來(lái)國(guó)外發(fā)展迅速的新型成像技術(shù)，其不僅利用目標(biāo)景物的輻射強(qiáng)度信息 而且利用目標(biāo)景物輻射的偏振度信息提高成像系統(tǒng)在復(fù)雜背景下目標(biāo)的探測(cè)，具有廣闊的軍用和民用前景。

本文利用熱紅外成像儀前加裝可旋轉(zhuǎn)線(xiàn)偏振片的方法，考察了8～14μm波段下目標(biāo)與背景的紅外偏振特性，并對(duì)偏振信息進(jìn)行了融合處理，發(fā)現(xiàn)融合圖像較原始紅外圖像對(duì)比度增加，且較好保留了細(xì)節(jié)信息。

1 紅外偏振產(chǎn)生的機(jī)理

光波經(jīng)過(guò)均勻介質(zhì)分界面時(shí)，根據(jù)邊界條件，入射光、反射光和折射光的傳播方向由反射定律和折射定律確定，振幅和相位之間的關(guān)系由菲涅爾公式確定。由于任一偏振態(tài)的光均可分解為兩個(gè)相互垂直的量[5]，一般將其分解成在入射面內(nèi)的分量(平行分量或稱(chēng)P分量)和垂直于入射面的分量(垂直分量或稱(chēng)S分量)。而平面電磁波在反射和折射時(shí)這兩個(gè)分量是相互獨(dú)立的，即平行分量在折射和反射時(shí)只產(chǎn)生平行分量，垂直分量在折射和反射時(shí)只產(chǎn)生垂直分量，因此可以分別討論這兩個(gè)分量。

定義平行分量反射率Rp和垂直分量反射率Rs如下，根據(jù)菲涅爾公式，

(1)

嚴(yán)格意義上，上式僅對(duì)光滑表面成立，但通常我們將粗糙表面看成光滑微平面的一種統(tǒng)計(jì)近似[7]。

熱紅外偏振是輻射和反射共同作用的結(jié)果。如果不考慮散射等其它形式的能量損耗，入射光不被吸收即被反射[6]。根據(jù)熱平衡原理可以知道，透射率與輻射率相同，這樣輻射光的偏振可以像反射光的偏振那樣通過(guò)菲涅爾系數(shù)直接計(jì)算出來(lái)。因此，介質(zhì)表面輻射率為

Es,p=1-Rs,p

(2)

上式表明，入射光總能量在反射光和輻射光中按照反射率和輻射率進(jìn)行重新分配。

圖1 反射率(輻射率)與入射角(觀察角)的關(guān)系示意圖

圖1 所示為當(dāng)介質(zhì)折射率n1=1，n2=1.8時(shí)，反射率、輻射率與入射角(觀察角)的關(guān)系示意圖。當(dāng)入射角為布儒斯特角時(shí)，反射光平行分量為零，此時(shí)反射光只有垂直分量。

反射光線(xiàn)偏振度和輻射光線(xiàn)偏振度可根據(jù)以下公式計(jì)算

(3)

從圖2可以看出：

基于現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)技術(shù)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)民居設(shè)計(jì)探討——以宜興市張渚鎮(zhèn)茶亭村示范農(nóng)房建設(shè)為例 符 飛 楊曉林2018/06 29

1)反射光線(xiàn)偏振度為正，輻射光線(xiàn)偏振度為負(fù)；

2)反射光線(xiàn)偏振度在布儒斯特角處取得極大值，輻射光線(xiàn)偏振度隨觀察角單調(diào)遞增；

3)一般地，反射光線(xiàn)偏振度比輻射光線(xiàn)偏振度大。

圖2 DOLP隨入射角(觀察角)的變化關(guān)系圖

2 偏振測(cè)量原理

光波是橫電磁波，電矢量和磁矢量相伴而行，振動(dòng)方向與傳播方向垂直。電場(chǎng)矢量大小和方向隨時(shí)間變化的方式成為光的偏振，通常用電矢量軌跡描述。光的宏觀狀態(tài)有自然光、部分偏振光及完全偏振光。其中完全偏振光有橢圓偏振光、圓偏振光及線(xiàn)偏振光。

2.1 偏振光的描述

描述偏振光有三角函數(shù)表示法、瓊斯(Jones)矢量法、斯托克斯(Stocks)矢量法和邦加(H.Pioncare)球法[5]。其中三角函數(shù)表示法、瓊斯矢量法只能描述完全偏振光，邦加球法是表示任一偏振態(tài)的圖示法。Stocks矢量法用四個(gè)參量(均為光強(qiáng)的時(shí)間平均值)描述光波的強(qiáng)度和偏振態(tài)，可以描述完全偏振光、部分偏振光和自然光，可以是單色光也可以是非單色光。Stocks矢量表示式為

S=[S0S1S2S3]T

(4)

式中，S0為光波的總強(qiáng)度；S1為光波在 0°、90°方向的線(xiàn)偏振光強(qiáng)度之差；S2為光波在45°、135°方向的線(xiàn)偏振光強(qiáng)度之差；S3與左右旋的圓偏振有關(guān)。通常情況下目標(biāo)的反射光或目標(biāo)自身的輻射都是線(xiàn)偏振分量占主要部分，V分量可近似為0，因此只需提取目標(biāo)的線(xiàn)偏振特征。

2.2 偏振測(cè)量

Sout=M·Sin

(5)

式中，M為該光學(xué)器件的穆勒(Muller)矩陣；Sin、Sout分別為入射光、出射光的Stocks矢量。

當(dāng)入射光通過(guò)理想線(xiàn)偏振片時(shí)，根據(jù)上式可算出出射光強(qiáng)為

I(θ)=0.5(S0+S1cos2θ+S2sin2θ)

(6)

式中，θ為偏振片的方位，即透光軸與參考面X軸夾角。由式(6)知，任意測(cè)出3個(gè)不同的方位(本實(shí)驗(yàn)選擇0°、60°、120°)上的出射光強(qiáng)圖，聯(lián)立方程就可以解出S0、S1、S2，見(jiàn)式(7)。另一方面，當(dāng)已知S0、S1、S2時(shí)，代入式(6)就能算出任意方位上的出射光強(qiáng)度圖。

(7)

偏振度P(degree of polarization)作為整個(gè)強(qiáng)度中完全偏振光的比例，P=0時(shí)入射光為自然光，P=1時(shí)入射光為完全偏振光，0

(8)

偏振方位角(angle of polarization)微觀上描述了入射光的偏振方向與參考面X軸夾角，宏觀上則表示能量最大的偏振方向與X軸夾角，其表達(dá)式為

(9)

3 熱紅外偏振系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成

實(shí)驗(yàn)中圖像采集系統(tǒng)由紅外熱像儀加可旋轉(zhuǎn)的線(xiàn)偏振片構(gòu)成。紅外熱像儀探測(cè)器為非制冷焦平面陣列(FPA)，工作波段范圍為8～14μm，有效像素為640×480，位深度為8。線(xiàn)偏振片為ZnSe金屬線(xiàn)偏振片，消光比為300。

為了消除冷反射效應(yīng)，線(xiàn)偏振片光軸與紅外成像系統(tǒng)光軸之間存在一定的角度。這樣偏振片旋轉(zhuǎn)到不同的角度得到的圖像之間會(huì)產(chǎn)生微小的位移，從而影響偏振信息的正確計(jì)算。因此在將測(cè)得的圖像帶入到式(7)中計(jì)算Stocks參量之前，應(yīng)先對(duì)測(cè)得的圖像進(jìn)行配準(zhǔn)。

3.2 實(shí)驗(yàn)條件

本實(shí)驗(yàn)對(duì)樹(shù)林、高壓輸電線(xiàn)鐵塔進(jìn)行紅外圖像和紅外偏振圖像的采集，背景為天空，偏振片旋轉(zhuǎn)的角度為0°、60°、120°，距離約為300m。時(shí)間為2012年10月17日上午10點(diǎn)，天氣晴朗，溫度約20℃。

3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

圖3給出了紅外圖像采集系統(tǒng)采集到的圖像，可以看出：原始紅外圖像比紅外偏振圖像亮度大，這是因?yàn)槠衿瑢?duì)入射光能量有衰減；并且紅外偏振圖像比原始紅外圖像細(xì)節(jié)更豐富。

圖3 原始紅外圖與偏振圖

圖4給出了根據(jù)式(8)和式(9)計(jì)算得到的偏振度圖和方位角圖，可以看出：

1)輸電鐵塔、電線(xiàn)的偏振度較大，天空、樹(shù)林的偏振度幾乎為零。這是因?yàn)楸砻嫣匦允怯绊懳矬w偏振度的重要因素，輸電鐵塔、電線(xiàn)等人造目標(biāo)一般是由規(guī)則光滑的表面組成，且各個(gè)面的線(xiàn)偏振度分布相似，因此整體上表現(xiàn)出較強(qiáng)的偏振特性；而自然背景局部光滑，但是各個(gè)表面取向是雜亂無(wú)章的，整體無(wú)規(guī)則，因此每一次反射或散射偏振都不具有一致性，光經(jīng)過(guò)多次的反射和散射后偏振度降低。

2)樹(shù)林邊緣偏振度很大，使得樹(shù)林輪廓顯現(xiàn)出來(lái)；從偏振圖就能大致判斷出目標(biāo)的外形。從整幅圖像看偏振度圖較好保留了圖像的細(xì)節(jié)。

3)從方位角圖可判斷出圖像的內(nèi)容，但存在著較大干擾。

圖4 目標(biāo)與背景的偏振度圖和方位角圖

4 基于HSI色彩變換法的偏振圖像融合

偏振度圖像和方位角圖像描述了場(chǎng)景的不同信息，為方便有效的利用這兩種信息、提高圖像質(zhì)量，本文運(yùn)用基于HSI色彩變換法將偏振度圖像、方位角圖像和輻射強(qiáng)度圖融合成一幅圖像。用輻射強(qiáng)度圖S0作為亮度(Intensity)圖、偏振度圖作為飽和度(Saturation)圖、方位角圖作為色度(Hue)圖，得到的HSI融合圖像如圖5a所示。通過(guò)融合圖像和原始紅外圖像(圖5b)的對(duì)比，可以看出，融合圖像比原始紅外圖像清晰、對(duì)比度增加、輪廓鮮明，且較好保留了細(xì)節(jié)信息。這表明將偏振圖像進(jìn)行HIS色彩融合可有效反映場(chǎng)景的強(qiáng)度和偏振信息，提高了圖像質(zhì)量和場(chǎng)景中目標(biāo)的可識(shí)別性。

圖5 HSI融合圖像與原始紅外圖像

5 結(jié)論

本文首先介紹了熱紅外偏振探測(cè)目標(biāo)的機(jī)理，然后利用熱紅外偏振成像系統(tǒng)采集了典型場(chǎng)景的偏振圖像，并對(duì)圖像中的偏振信息進(jìn)行提取，最后采用基于HSI色彩變換的方法對(duì)偏振信息和強(qiáng)度信息進(jìn)行了融合。結(jié)果表明：利用偏振信息可以獲取場(chǎng)景中的細(xì)節(jié)，提高了目標(biāo)的可探測(cè)性；將偏振信息和強(qiáng)度信息融合成一幅圖像，有利于提高成像質(zhì)量及遠(yuǎn)距離目標(biāo)的探測(cè)與識(shí)別。

[1] 邢素霞，張俊舉，常本康，等.非制冷紅外熱成像技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀[J].紅外與激光工程，2004，33(5):441-444

[2] 閆永剛，歐陽(yáng)健飛，等.激光制導(dǎo)測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)跟蹤算法研究[J].計(jì)量學(xué)報(bào)，2008，29(4):181-184

[3] 唐坤,鄒繼偉,姜濤,等.目標(biāo)與背景的紅外偏振特性研究[J]．紅外與激光工程，2007，36(5): 611-614

[4] J.S.Tyo，D.L.Goldstein，D.B.Chenault，and J.A.Shaw，Review of passive imaging polarimetry for remote sensing applications [J].Appl.Opt.2006，45:5453-5469

[5] 廖延彪．偏振光學(xué)[M]．北京：科學(xué)出版社，2003:19-32,45-62

[6] J.A.Shaw.Polarimetric measurements of long-wave infrared spectral radiance from water [J] .Appl.Opt.2001，40:5985-5990

[7] J.A.Shaw.A survey of infrared polarization in the outdoors[J].Infrared Systems and Photoelectronic Technology II，Proc.of SPIE，2007

[8] Gonzalez R C，Woods R E.數(shù)字圖像處理(MATLAB版)[M].北京電子工業(yè)出版社，2007: 144-178