包郵多譜段偏振成像探測技術研究

作者：付強，李英超，史浩東，段錦，張肅，戰俊彤

出版社：科學出版社出版時間：2022-11-01

開本： B5 頁數： 276

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版權信息
內容簡介
目錄
節選

多譜段偏振成像探測技術研究版權信息

ISBN：9787030739377
條形碼：9787030739377 ; 978-7-03-073937-7
裝幀：一般膠版紙
冊數：暫無
重量：暫無
所屬分類：
工業技術
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多譜段偏振成像探測技術研究內容簡介

本書系統介紹多譜段偏振成像探測基礎理論、目標特性、傳輸特性、圖像處理、典型應用等，旨在使讀者深入了解偏振成像探測的相關內容。本書共9章。第1章介紹多譜段偏振成像探測研究的目的意義和國內外研究現狀。第2章闡述偏振成像探測基礎理論。第3章闡述目標偏振二向反射特性。第4章介紹紅外偏振成像探測基礎理論。第5章闡述偏振傳輸特性。第6章和第7章闡述偏振圖像去霧算法和圖像融合方法。第8章和第9章分別從透霧霾多譜段偏振成像、機載高分辨多譜段偏振成像兩個方面進行論述。

多譜段偏振成像探測技術研究目錄

目錄
“偏振成像探測技術學術叢書”序
前言
第1章緒論1
1.1研究目的和意義1
1.2多譜段偏振技術優勢2
1.3國內外研究現狀4
1.3.1國外研究現狀4
1.3.2國內研究現狀10
1.3.3研究現狀對比分析15
1.4本書的主要內容17
參考文獻19
第2章偏振探測理論基礎22
2.1偏振的基本理論22
2.2偏振的表征方法24
2.2.1瓊斯矢量表示方法24
2.2.2斯托克斯矢量表示方法25
2.2.3龐加萊球表示方法27
2.3偏振的探測方法28
2.3.1非實時型偏振成像28
2.3.2實時型偏振成像系統29
2.4分焦平面偏振成像探測原理31
2.4.1分焦平面偏振成像技術31
2.4.2偏振插值算法35
2.4.3偏振參量解算41
2.4.4實驗及結果分析42
2.5本章小結45
參考文獻45
第3章目標偏振雙向反射特性47
3.1雙向反射特性47
3.1.1雙向反射分布函數47
3.1.2微面元雙向反射分布函數模型48
3.1.3遮蔽函數49
3.2目標偏振特性建模51
3.2.1模型比較52
3.2.2模型機制的比較53
3.2.3模型種類的比較56
3.3目標偏振雙向反射特性測試59
3.3.1室內測試59
3.3.2外場測試62
3.4本章小結65
參考文獻65
第4章紅外偏振探測基礎理論67
4.1紅外偏振產生機理67
4.1.1反射輻射偏振67
4.1.2自發輻射偏振69
4.2粗糙表面紅外偏振特性建模69
4.3目標紅外偏振成像72
4.3.1紅外偏振成像探測機理72
4.3.2紅外偏振探測實驗裝置74
4.4目標紅外偏振特性測試實驗77
4.4.1長波紅外偏振成像實驗77
4.4.2短波紅外偏振成像實驗83
4.5本章小結86
參考文獻86
第5章復雜環境下偏振光傳輸特性88
5.1偏振光傳輸特性基本原理88
5.1.1瑞利散射88
5.1.2米氏散射89
5.1.3多次散射90
5.2海霧環境下偏振光傳輸特性建模與仿真90
5.2.1基于倍加累加方法的天空偏振建模91
5.2.2大氣-海霧復雜環境的多層粒子分布特性92
5.2.3大氣-海霧偏振仿真結果與分析95
5.3霧霾環境下偏振傳輸特性測試98
5.3.1霧霾環境下偏振傳輸特性測試方法98
5.3.2霧霾環境下偏振傳輸特性測試結果分析99
5.4油霧環境下偏振傳輸特性103
5.4.1基于蒙特卡羅的繆勒矩陣建模103
5.4.2油霧偏振特性測試方法與結果分析106
5.5水霧環境下偏振傳輸特性111
5.5.1水霧環境下偏振傳輸仿真方法111
5.5.2水霧偏振傳輸特性仿真結果與實測數據分析116
5.6本章小結121
參考文獻121
第6章偏振圖像的去霧算法123
6.1數字圖像處理123
6.2圖像復原的去霧算法124
6.2.1基于暗原色先驗原理的圖像去霧算法125
6.2.2基于大氣調制函數的去霧算法128
6.3圖像增強的去霧算法129
6.3.1基于Retinex增強的圖像去霧算法130
6.3.2基于同態濾波的圖像去霧算法132
6.3.3基于直方圖均衡化的圖像去霧算法133
6.4基于大氣散射模型的偏振圖像去霧算法設計136
6.4.1改進霧天圖像退化模型136
6.4.2計算無窮遠處大氣光值138
6.4.3優化霧天圖像透射率138
6.5實驗結果與分析142
6.5.1實驗設計142
6.5.2復原圖像的評價標準143
6.5.3實驗結果與分析144
6.6本章小結150
參考文獻150
第7章偏振圖像的融合方法152
7.1基于NSCT和SPCNN的偏振圖像融合方法152
7.1.1基于NSCT變換的圖像分解152
7.1.2基于SPCNN的圖像融合規則155
7.2基于引導濾波的偏振圖像融合方法158
7.2.1基于引導濾波的圖像分解159
7.2.2圖像融合規則160
7.3基于小波提升的圖像融合方法161
7.3.1紅外圖像配準方法161
7.3.2基于小波提升的圖像融合規則163
7.4圖像評價方法170
7.4.1主觀評價方法170
7.4.2客觀評價方法170
7.5實驗及結果分析174
7.6本章小結177
參考文獻177
第8章透霧霾多譜段偏振成像探測裝置179
8.1總體架構179
8.1.1設計思路179
8.1.2具體方案179
8.2偏振光學系統設計182
8.2.1可見光偏振成像光學系統182
8.2.2短波紅外成像光學系統189
8.2.3長波紅外偏振成像光學系統196
8.3偏振光學系統定標202
8.3.1偏振定標原理202
8.3.2偏振標定方案206
8.4霧霾環境下多譜段偏振成像探測實驗207
8.4.1實驗方案207
8.4.2測試結果207
8.4.3結果分析214
8.5海霧環境下多譜段偏振成像探測實驗214
8.5.1實驗方案214
8.5.2測試結果214
8.5.3結果分析224
8.6本章小結225
參考文獻225
第9章高分辨多譜段偏振成像探測裝置227
9.1總體方案227
9.1.1組成功能227
9.1.2工作流程228
9.1.3器件選取228
9.1.4指標計算231
9.2偏振光學系統設計233
9.3儀器研制與裝調測試243
9.3.1儀器研制243
9.3.2室內實驗244
9.3.3室外實驗247
9.4外場掛飛與實驗結果249
9.4.1外場掛飛實驗249
9.4.2實驗結果分析255
9.5本章小結258
參考文獻259

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多譜段偏振成像探測技術研究節選

第1章緒論　　1.1研究目的和意義　　2013年以來，由于汽車尾氣、道路揚塵和建筑施工揚塵、工廠的二次污染、冬季取暖燃燒煤炭低空排放的污染物等，城市空氣中的液滴和固體小顆粒濃度大幅升高，引起霧霾天氣。近年來多次出現霧霾天氣造成城市里大面積低能見度的情況：全國中東部地區陷入嚴重的霧霾和污染中，從東北到西北，從華北到中部，無論是黃淮還是江南地區，都出現了大范圍的霧霾天氣。霧霾對人們生活產生巨大影響，已成為制約我國經濟健康發展的重要因素之一。嚴重霧霾天氣會導致交通事故頻發，軍事目標無法實現，甚至危害國家安全。　　在霧霾天氣條件下，為增加可視距離，及時避免事故的發生，對穿透霧霾技術及設備的需求十分迫切。隨著霧霾的加重，國內外都在競相開展相關透霧霾技術的研究。目前常見的方法為可見光成像、紅外成像、光譜成像、偏振成像等。本書在分析現有方法的基礎上，采用集成紅外透霧成像技術、可見光成像和近紅外波段成像，重點開展紅外偏振技術研究，實現穿透霧霾的目標。　　PM2.5是霧霾的主要成分，所謂的 PM2.5，即直徑小于等于2.5.m的顆粒物。霧霾是霧和霾的混合物，在早上或夜間相對濕度較大的時候，形成的是霧；在白天氣溫上升、濕度下降的時候，逐漸轉化成霾。霧霾天對自然光的遮蔽作用導致場景能見度下降，對公路、鐵路、民航交通、城市監控、軍事目標觀測預警等領域造成不利影響。據統計，由大霧造成的高速公路交通事故占事故總數的1/4以上，事故率在逐年增加，同時，大霧經常造成高速公路封閉，間接損失估算高達每年每百公里1000萬元以上。因此，對穿透霧霾技術及設備的需求十分迫切。系統研制成功后，應用領域極其廣泛，既可應用于道路、治安監控，又可應用于艦船航行、目標搜索及預警、邊防緝私，在當前軍用、民用領域都具有十分重要的意義。　　1.民用領域　　霧霾會導致多種公路、鐵路、航空事故頻發，嚴重影響交通安全、治安監控、環境監控、森林防火的實施效果。　　目前，城市公路、治安監控、交通監控、環境監控、數量防火等視頻系統均采用可見光成像系統，在霧天成像將變得模糊，嚴重的情況下圖像一片雪白，造成城市安防系統癱瘓。近年來發展起來的動車、高鐵等現代化高速交通工具，由于速度快、人員多，其行車安全尤為重要，惡劣天氣對其行車安全影響極大。為了能夠在惡劣氣象條件下保證交通的正常運轉，完成監督和管理任務，研制一種具有透霧霾成像功能的光電系統十分必要。　　2.軍用領域　　我國很多陸上邊境線、海島條件極其惡劣，不適于人員常年駐守，采用視頻監視是*好的方法。隨著周邊形勢的變化和反恐、防走私需求的增加，對海上目標的監控任務也越來越緊迫。海面天氣通常為輕霧和中霧，能見度較低，一般邊海防視頻監控系統中的可見光成像系統經常受到海洋大氣及霧天的影響，無法實現對遠處目標的觀察。軍艦、潛艇的光電觀察系統也絕大部分為可見光或單一紅外系統，受海洋霧氣環境影響極大。因此，同樣急需能穿透霧霾的裝備。坦克、導彈等特種車輛特殊條件輔助駕駛等裝備同樣需要穿透霧霾設備。綜上所述，為解決霧霾、海霧等復雜環境對光電成像裝備造成的“看不遠”“認不清”“辨不出”難題，本書研究具有穿透霧霾能力的光電成像系統，對民用和軍用的諸多領域都具有十分重要的意義。為了對多維度復合探測技術進行可靠且深入的研究，促進相關基礎理論和技術的發展，本書設計分析了多維度復合成像探測光學系統，為深入研究偏振光譜成像技術提供了平臺基礎。　　1.2多譜段偏振技術優勢　　多譜段偏振成像技術將強度成像、光譜成像、紅外輻射、偏振成像結合在一起，大大提高了光電設備探測成像性能，具有以下方面優勢。　　(1)研究提高霧霾環境下光能透過率，增加探測距離技術。　　基于紅外偏振信息具有在散射介質中特性保持能力比強度散射更強的特性，紅外偏振成像具有可增加霧霾、煙塵中的作用距離的優勢。圖1.1為在霧霾環境下進行的偏振成像實驗，對比(a)、(b)兩圖可以發現，偏振成像能夠極大地提高圖像的對比度。　　(2)研究增強霧霾環境下成像的對比度和信噪比，提升凸顯目標能力。　　基于人造目標與自然背景的偏振特性差異明顯的特性，紅外偏振成像在復雜背景中凸顯人造目標方面具有獨*優勢。研究表明，目標和背景偏振度差別較大，　　圖1.1在霧霾環境下進行的偏振成像實驗光滑表面偏振度較大，粗糙表面偏振度較小，而人造物體表面比較光滑，自然物體的表面相對粗糙，因此人造物體和自然物體之間的偏振度差別較大。信雜比(signal-to-clutter ratio，SCR)是目標成像識別的重要指標， SCR >10表明目標極易識別，1< SCR <10表明目標可以識別， SCR <1表明目標極難識別。以色列對復雜背景中車輛的紅外偏振成像技術進行研究，圖1.2為普通紅外成像與紅外偏振成像效果對比，(a)圖采用紅外成像來提高探測效能；(b)圖采用紅外偏振成像來提高探測效能，(b)圖中 SCR從(a)圖的0.264提高到52.6，成像質量大大提高。　　圖1.2普通紅外成像與紅外偏振成像效果對比　　(3)研究一種實時透霧算法實現穿煙透霧　　傳統方法的透霧算法大致分為兩類：一類是非模型的圖像增強方法，其通過增強圖像的對比度、滿足主觀視覺的要求來達到清晰化的目的；另一類是基于模型的圖像復原方法，它考查圖像退化的原因，將退化過程進行建模，采用逆向處理，以*終解決圖像的復原問題。　　圖像增強方法采用直方圖均衡化、濾波變換方法和基于模糊邏輯的方法。直方圖均衡化方法是一種全局化方法，運算量小但對細節的增強不夠；局部均衡方法效果較好，但可能引入塊狀效應，計算量大、噪聲易被放大、算法效果不易控制。濾波變換的透霧算法通過局部處理能夠獲得相對較好的處理結果，但它們的計算量巨大、資源消耗多、不適于實時性要求較高的設備。基于模糊邏輯的方法透霧的效果不夠理想。基于增強的方法能在一定程度上提高圖像的對比度，并通過增強感興趣區域來提升可識別度。但是，該方法未能從圖像退化過程的原因入手來進行補償，因此它只能改善視覺效果而不能獲得很好的透霧效果。　　圖像復原的方法采用濾波方法、*大熵方法與圖像退化函數估計法等。整體而言，該方法計算量較大。*大熵方法能夠獲得較高的分辨率，但是其為非線性、計算量大、數值求解困難。圖像退化函數估計法大多依據一定的物理模型(如大氣散射模型與偏振特性的透霧模型)來設計，需要在不同的時間點采集多幅圖像作為參考圖像，以便確定物理模型中的多個參數，而*終求解得到無霧狀態下的結果圖像。這一點限制了此類方法在實時監控中的應用。　　本書采用實時透霧技術，在充分分析穿透霧霾理論的優勢與不足，并進行深入的研究探索后，提出一種實時穿透霧霾技術。該技術基于大氣光學原理，對圖像不同區域景深與油霧濃度進行濾波處理，進而獲得準確、自然的穿透霧霾圖像。在大氣透射模型的基礎上融合圖像增強與圖像復原的技術優勢，從而能夠獲得較為理想的實際工程化圖像效果。如果實時透霧技術能夠與視頻壓縮、智能分析技術相結合，那么將會產生更大的價值。對于數據圖像處理，一方面采用圖像壓縮實時處理，縮短處理時間，便于快速顯示與傳輸；另一方面進行無壓縮實時存儲，便于后續處理和調用。由于目前主流的視頻壓縮算法都是有損壓縮，會對圖像中對比度較低的細節造成損傷，而有霧視頻一般對比度低、細節偏少，因此被編碼壓縮后往往模糊不清且無法恢復。采用實時透霧技術能夠有效地增強圖像對比度和細節，保證有價值的信息不會被編碼壓縮丟失，顯著提高信息有效性。經過實時透霧技術處理的圖像，其分析結果的錯誤率尤其是漏報率能夠顯著降低，從而大幅提高智能分析系統的實用性。該實時穿透霧霾技術能夠根據霧霾情況的變化自動調整從而適應各種應用場景，避免出現近景發黑而遠景模糊的情況；同時兼顧了實現的效率與復雜度，保證了整個透霧的實時性與可工程化。　　1.3國內外研究現狀　　1.3.1國外研究現狀　　美國早在20世紀70年代便開展了偏振成像的研究，實現了目標兩個互相垂直方向上的紅外熱輻射線偏振強度探測，經過多年研究基本摸清了目標起偏機理與偏振特性傳輸規律，并初步實現了偏振成像設備的小型化和實用化。其 U-2R/S飛機加載的光電成像設備 SYERS系統，在2003年后升級加裝了偏振成像儀；美國陸軍偏振成像樣機也已經在紅石靶場對俄制裝甲車進行了7天24小時連續監測試驗研究，技術已趨于成熟。以上設備不僅可識別戰場上的偽裝目標，而且在霧霾和塵土等不利于觀測的環境下仍有良好的成像性能。除美國外，法國、日本、荷蘭等10多個國家也相繼開展理論、器件、系統與應用研究，且廣泛應用于軍事、工業等領域。　　1990年，Rogne等[1]利用紅外偏振探測技術進行針對目標及背景的對比度實驗，觀察對象涉及車輛、飛機、鐵板、水泥路面等，測試背景有草地、樹林、云霧等。　　利用熱像儀加旋轉偏振片的方法得到偏振相關信息，對樣本開展研究。圖1.3為目標與背景的對比度。(a)圖為灰度圖像探測目標和測試背景對比度的情況， (b)圖為偏振圖像探測目標和背景對比度的情況。　　圖1.3目標與背景的對比度　　通過兩幅圖片的對比可知，對于灰度圖像，采用偏振探測方式時，背景的干擾得到了有效降低，且探測目標有較高凸顯，使得目標和背景對比度得到了提高，便于目標識別。　　1999年，Nordin等[2]研制了一種分焦平面偏振探測器，圖1.4為22微偏振像元結構圖。和傳統探測器相比，分焦平面偏振探測器缺少分光裝置，而是在探測器像元表面附上偏振片，利用單次的曝光可以得到四個方向起偏數據，圖1.5為斯托克斯矢量 S0、 S1、 S2分量圖像，其中(a)圖為 S0圖像，(b)圖為 S1圖像，(c)圖為 S2圖像。　　2000年，美國空軍實驗室選取鋁板作為實驗對象進行了偏振成像實驗，將12塊鋁板分別涂上美國聯邦標準材料，并對0.9～1.0.m波長范圍的數據進行了詳細分析，結果表明，涂料不同，其鋁板表面表現的偏振特性也不同，這為軍事領域偽裝目標的識別奠定了基礎[3]。　　2000年，美國將牛奶、油霧作為散射介質，開展了偏振成像實驗。結果顯示，偏振成像可以加強散射介質中測試圖像的對比度，特別是對全斯托克斯的偏振圖像處理后，圖像的對比度更高。　　圖1.422微偏振像元結構圖　　圖1.5斯托克斯矢量 S0、 S1、 S2分量圖像　　2000年，荷蘭開展了以沙地、森林為背景的地雷偏振探測實驗，得到如下結論：以沙地為背景環境，可見光探測成像較中波紅外偏振探測成像效果更好；以森林為背景環境，中波紅外偏振探測成像較可見光探測成像效果更好。　　2001年，美國研制了一種液晶型 Sagnac干涉成像光譜儀，光譜范圍為400～800nm，擁有55個光譜通道，可以測量出目標的空間圖像信息、光譜信息及偏振信息[4]。　　2002年，英國利用紅外偏振手段進行了掃雷實驗測試。圖1.6為紅外偏振成像掃雷實驗，其中(a)圖為紅外強度圖像，(b)圖為紅外偏振圖像。通過對比兩幅圖能夠看出，相比于紅外成像，偏振成像能夠更好地使得地雷從背景中突顯出來[5]。

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