多谱段偏振成像探测技术研究

第1章绪论 　　1.1研究目的和意义 　　2013年以来，由于汽车尾气、道路扬尘和建筑施工扬尘、工厂的二次污染、冬季取暖燃烧煤炭低空排放的污染物等，城市空气中的液滴和固体小颗粒浓度大幅升高，引起雾霾天气。近年来多次出现雾霾天气造成城市里大面积低能见度的情况：全国中东部地区陷入严重的雾霾和污染中，从东北到西北，从华北到中部，无论是黄淮还是江南地区，都出现了大范围的雾霾天气。雾霾对人们生活产生巨大影响，已成为制约我国经济健康发展的重要因素之一。严重雾霾天气会导致交通事故频发，军事目标无法实现，甚至危害国家安全。 　　在雾霾天气条件下，为增加可视距离，及时避免事故的发生，对穿透雾霾技术及设备的需求十分迫切。随着雾霾的加重，国内外都在竞相开展相关透雾霾技术的研究。目前常见的方法为可见光成像、红外成像、光谱成像、偏振成像等。本书在分析现有方法的基础上，采用集成红外透雾成像技术、可见光成像和近红外波段成像，重点开展红外偏振技术研究，实现穿透雾霾的目标。 　　PM2.5是雾霾的主要成分，所谓的 PM2.5，即直径小于等于2.5.m的颗粒物。雾霾是雾和霾的混合物，在早上或夜间相对湿度较大的时候，形成的是雾；在白天气温上升、湿度下降的时候，逐渐转化成霾。雾霾天对自然光的遮蔽作用导致场景能见度下降，对公路、铁路、民航交通、城市监控、军事目标观测预警等领域造成不利影响。据统计，由大雾造成的高速公路交通事故占事故总数的1/4以上，事故率在逐年增加，同时，大雾经常造成高速公路封闭，间接损失估算高达每年每百公里1000万元以上。因此，对穿透雾霾技术及设备的需求十分迫切。系统研制成功后，应用领域极其广泛，既可应用于道路、治安监控，又可应用于舰船航行、目标搜索及预警、边防缉私，在当前军用、民用领域都具有十分重要的意义。 　　1.民用领域 　　雾霾会导致多种公路、铁路、航空事故频发，严重影响交通安全、治安监控、环境监控、森林防火的实施效果。 　　目前，城市公路、治安监控、交通监控、环境监控、数量防火等视频系统均采用可见光成像系统，在雾天成像将变得模糊，严重的情况下图像一片雪白，造成城市安防系统瘫痪。近年来发展起来的动车、高铁等现代化高速交通工具，由于速度快、人员多，其行车安全尤为重要，恶劣天气对其行车安全影响极大。为了能够在恶劣气象条件下保证交通的正常运转，完成监督和管理任务，研制一种具有透雾霾成像功能的光电系统十分必要。 　　2.军用领域 　　我国很多陆上边境线、海岛条件极其恶劣，不适于人员常年驻守，采用视频监视是*好的方法。随着周边形势的变化和反恐、防走私需求的增加，对海上目标的监控任务也越来越紧迫。海面天气通常为轻雾和中雾，能见度较低，一般边海防视频监控系统中的可见光成像系统经常受到海洋大气及雾天的影响，无法实现对远处目标的观察。军舰、潜艇的光电观察系统也绝大部分为可见光或单一红外系统，受海洋雾气环境影响极大。因此，同样急需能穿透雾霾的装备。坦克、导弹等特种车辆特殊条件辅助驾驶等装备同样需要穿透雾霾设备。综上所述，为解决雾霾、海雾等复杂环境对光电成像装备造成的“看不远”“认不清”“辨不出”难题，本书研究具有穿透雾霾能力的光电成像系统，对民用和军用的诸多领域都具有十分重要的意义。为了对多维度复合探测技术进行可靠且深入的研究，促进相关基础理论和技术的发展，本书设计分析了多维度复合成像探测光学系统，为深入研究偏振光谱成像技术提供了平台基础。 　　1.2多谱段偏振技术优势 　　多谱段偏振成像技术将强度成像、光谱成像、红外辐射、偏振成像结合在一起，大大提高了光电设备探测成像性能，具有以下方面优势。 　　(1)研究提高雾霾环境下光能透过率，增加探测距离技术。 　　基于红外偏振信息具有在散射介质中特性保持能力比强度散射更强的特性，红外偏振成像具有可增加雾霾、烟尘中的作用距离的优势。图1.1为在雾霾环境下进行的偏振成像实验，对比(a)、(b)两图可以发现，偏振成像能够极大地提高图像的对比度。 　　(2)研究增强雾霾环境下成像的对比度和信噪比，提升凸显目标能力。 　　基于人造目标与自然背景的偏振特性差异明显的特性，红外偏振成像在复杂背景中凸显人造目标方面具有独*优势。研究表明，目标和背景偏振度差别较大， 　　图1.1在雾霾环境下进行的偏振成像实验 光滑表面偏振度较大，粗糙表面偏振度较小，而人造物体表面比较光滑，自然物体的表面相对粗糙，因此人造物体和自然物体之间的偏振度差别较大。信杂比(signal-to-clutter ratio，SCR)是目标成像识别的重要指标， SCR >10表明目标极易识别，1< SCR <10表明目标可以识别， SCR <1表明目标极难识别。以色列对复杂背景中车辆的红外偏振成像技术进行研究，图1.2为普通红外成像与红外偏振成像效果对比，(a)图采用红外成像来提高探测效能；(b)图采用红外偏振成像来提高探测效能，(b)图中 SCR从(a)图的0.264提高到52.6，成像质量大大提高。 　　图1.2普通红外成像与红外偏振成像效果对比 　　(3)研究一种实时透雾算法实现穿烟透雾 　　传统方法的透雾算法大致分为两类：一类是非模型的图像增强方法，其通过增强图像的对比度、满足主观视觉的要求来达到清晰化的目的；另一类是基于模型的图像复原方法，它考查图像退化的原因，将退化过程进行建模，采用逆向处理，以*终解决图像的复原问题。 　　图像增强方法采用直方图均衡化、滤波变换方法和基于模糊逻辑的方法。直方图均衡化方法是一种全局化方法，运算量小但对细节的增强不够；局部均衡方法效果较好，但可能引入块状效应，计算量大、噪声易被放大、算法效果不易控制。滤波变换的透雾算法通过局部处理能够获得相对较好的处理结果，但它们的计算量巨大、资源消耗多、不适于实时性要求较高的设备。基于模糊逻辑的方法透雾的效果不够理想。基于增强的方法能在一定程度上提高图像的对比度，并通过增强感兴趣区域来提升可识别度。但是，该方法未能从图像退化过程的原因入手来进行补偿，因此它只能改善视觉效果而不能获得很好的透雾效果。 　　图像复原的方法采用滤波方法、*大熵方法与图像退化函数估计法等。整体而言，该方法计算量较大。*大熵方法能够获得较高的分辨率，但是其为非线性、计算量大、数值求解困难。图像退化函数估计法大多依据一定的物理模型(如大气散射模型与偏振特性的透雾模型)来设计，需要在不同的时间点采集多幅图像作为参考图像，以便确定物理模型中的多个参数，而*终求解得到无雾状态下的结果图像。这一点限制了此类方法在实时监控中的应用。 　　本书采用实时透雾技术，在充分分析穿透雾霾理论的优势与不足，并进行深入的研究探索后，提出一种实时穿透雾霾技术。该技术基于大气光学原理，对图像不同区域景深与油雾浓度进行滤波处理，进而获得准确、自然的穿透雾霾图像。在大气透射模型的基础上融合图像增强与图像复原的技术优势，从而能够获得较为理想的实际工程化图像效果。如果实时透雾技术能够与视频压缩、智能分析技术相结合，那么将会产生更大的价值。对于数据图像处理，一方面采用图像压缩实时处理，缩短处理时间，便于快速显示与传输；另一方面进行无压缩实时存储，便于后续处理和调用。由于目前主流的视频压缩算法都是有损压缩，会对图像中对比度较低的细节造成损伤，而有雾视频一般对比度低、细节偏少，因此被编码压缩后往往模糊不清且无法恢复。采用实时透雾技术能够有效地增强图像对比度和细节，保证有价值的信息不会被编码压缩丢失，显著提高信息有效性。经过实时透雾技术处理的图像，其分析结果的错误率尤其是漏报率能够显著降低，从而大幅提高智能分析系统的实用性。该实时穿透雾霾技术能够根据雾霾情况的变化自动调整从而适应各种应用场景，避免出现近景发黑而远景模糊的情况；同时兼顾了实现的效率与复杂度，保证了整个透雾的实时性与可工程化。 　　1.3国内外研究现状 　　1.3.1国外研究现状 　　美国早在20世纪70年代便开展了偏振成像的研究，实现了目标两个互相垂直方向上的红外热辐射线偏振强度探测，经过多年研究基本摸清了目标起偏机理与偏振特性传输规律，并初步实现了偏振成像设备的小型化和实用化。其 U-2R/S飞机加载的光电成像设备 SYERS系统，在2003年后升级加装了偏振成像仪；美国陆军偏振成像样机也已经在红石靶场对俄制装甲车进行了7天24小时连续监测试验研究，技术已趋于成熟。以上设备不仅可识别战场上的伪装目标，而且在雾霾和尘土等不利于观测的环境下仍有良好的成像性能。除美国外，法国、日本、荷兰等10多个国家也相继开展理论、器件、系统与应用研究，且广泛应用于军事、工业等领域。 　　1990年，Rogne等[1]利用红外偏振探测技术进行针对目标及背景的对比度实验，观察对象涉及车辆、飞机、铁板、水泥路面等，测试背景有草地、树林、云雾等。 　　利用热像仪加旋转偏振片的方法得到偏振相关信息，对样本开展研究。图1.3为目标与背景的对比度。(a)图为灰度图像探测目标和测试背景对比度的情况， (b)图为偏振图像探测目标和背景对比度的情况。 　　图1.3目标与背景的对比度 　　通过两幅图片的对比可知，对于灰度图像，采用偏振探测方式时，背景的干扰得到了有效降低，且探测目标有较高凸显，使得目标和背景对比度得到了提高，便于目标识别。 　　1999年，Nordin等[2]研制了一种分焦平面偏振探测器，图1.4为22微偏振像元结构图。和传统探测器相比，分焦平面偏振探测器缺少分光装置，而是在探测器像元表面附上偏振片，利用单次的曝光可以得到四个方向起偏数据，图1.5为斯托克斯矢量 S0、 S1、 S2分量图像，其中(a)图为 S0图像，(b)图为 S1图像，(c)图为 S2图像。 　　2000年，美国空军实验室选取铝板作为实验对象进行了偏振成像实验，将12块铝板分别涂上美国联邦标准材料，并对0.9～1.0.m波长范围的数据进行了详细分析，结果表明，涂料不同，其铝板表面表现的偏振特性也不同，这为军事领域伪装目标的识别奠定了基础[3]。 　　2000年，美国将牛奶、油雾作为散射介质，开展了偏振成像实验。结果显示，偏振成像可以加强散射介质中测试图像的对比度，特别是对全斯托克斯的偏振图像处理后，图像的对比度更高。 　　图1.422微偏振像元结构图 　　图1.5斯托克斯矢量 S0、 S1、 S2分量图像 　　2000年，荷兰开展了以沙地、森林为背景的地雷偏振探测实验，得到如下结论：以沙地为背景环境，可见光探测成像较中波红外偏振探测成像效果更好；以森林为背景环境，中波红外偏振探测成像较可见光探测成像效果更好。 　　2001年，美国研制了一种液晶型 Sagnac干涉成像光谱仪，光谱范围为400～800nm，拥有55个光谱通道，可以测量出目标的空间图像信息、光谱信息及偏振信息[4]。 　　2002年，英国利用红外偏振手段进行了扫雷实验测试。图1.6为红外偏振成像扫雷实验，其中(a)图为红外强度图像，(b)图为红外偏振图像。通过对比两幅图能够看出，相比于红外成像，偏振成像能够更好地使得地雷从背景中突显出来[5]。