1 引言

荒漠中地表水极端缺乏,物理风化严重,地面温差较大。按土壤组成物分类,荒漠可分为砾漠、岩漠、泥漠和沙漠。我国是世界上受荒漠化最为严重的国家之一,截至2014年,荒漠化面积已达到261.16万平方千米。在我国,荒漠主要分布在西藏、青海、新疆、甘肃、宁夏和内蒙古等地区^[1]。

荒漠地区作战是一种在特殊环境下的作战样式。目前,我军高层非常重视荒漠地区作战训练,因此研究荒漠地区伪装防护的目标检测技术具有重要意义。自20世纪90年代,针对目标与背景间的光谱或偏振信息的差异,研究人员提出了荒漠背景下伪装目标的检测技术。Eismann等^[2-4]通过获取荒漠背景下伪装目标与背景的光谱数据,并利用相应的数据处理方法,实现了目标检测。Klick等^[5]通过处理目标的中长波红外图像序列,实现了荒漠背景下的点目标检测。基于荒漠背景下伪装目标的高光谱图像,Mayer等^[6-7]提出了不同的目标检测算法。Ding等^[8]提出多光谱图像融合算法来检测荒漠背景下伪装目标。Egan等^[9]通过获取荒漠型士兵军服和军车涂层的偏振及强度信息,分析了目标与背景的对比度差异性,从而实现了目标检测。薛模根等^[10-11]基于荒漠背景下的伪装目标偏振图像,提出了不同的目标检测方法。

韩兆迎等^[12-14]利用地物光谱信息的差异,判断目标的组分和真伪等信息;但当目标与背景光谱近似时,则易发生误判。目标与背景的偏振信息存在差异,则利用偏振信息反演出的地物轮廓、表面粗糙度等表面属性也存在不同,由此可以实现目标检测。但当识别人造假目标和人造真目标时,则存在不足。

高光谱偏振成像可以获取目标的空间、强度、光谱和偏振等多重信息,为实现目标检测提供更加丰富的信息支撑,进而提高检测的准确性^[15-17]。然而,目前尚无利用高光谱偏振成像技术实现荒漠背景下伪装目标检测方面的报道。鉴于荒漠中最常用的伪装防护手段是荒漠迷彩服、荒漠伪装网、装甲伪装涂层等,本文利用一套分孔径同时式高光谱偏振成像系统,研究了不同光照强度和不同观测角度条件下,荒漠伪装网、荒漠伪装板、坦克缩比目标和悍马车缩比目标等荒漠背景下典型伪装目标的高光谱偏振特性,为更好地实现荒漠背景下伪装目标的检测提供指导。

2 基本理论

2.1 偏振探测原理

用斯托克斯参量 [I Q U V]^T来表示偏振光的偏振信息,其中I表示非偏振光强度,Q表示0°与90°方向线偏振强度之差,U表示45°与135°方向线偏振强度之差,V表示圆偏振光强度。当利用探测器获取目标0°、60°和120° 3个偏振方向的目标强度信息后,则有

Ii=23Io(0°)+Io(60°)+Io(120°),Qi=232Io(0°)-Io(60°)-Io(120°),Ui=23Io(60°)-Io(120°),P=Qi2+Ui2Ii,1

式中下标i表示入射探测器目标辐射,下标o表示探测器接收目标辐射,P为目标偏振度。由此可知,获得了目标0°、60°和120° 3个偏振方向的辐射强度信息后,则可解析得到目标的I、P、Q、U等偏振信息。

2.2 反射光的偏振特性

图1所示的介质1、2均为透明、各向同性的均匀介质,光波由介质1入射到介质2,反射光和折射光保持与入射光在同一平面内,且入射角与反射角相等。

图 1. 反射光的偏振特性模型

Fig. 1. Model of reflected light polarization characteristics

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利用菲涅尔方程来描述入射光、反射光和折射光之间振幅、相位及偏振态之间的变换关系,则有^[18]

RsEs=n1cosi1-n2cosi2n1cosi1+n2cosi2=-sin(i1-i2)sin(i1+i2)RpEp=n2cosi1-n1cosi2n2cosi1+n1cosi2=tan(i1-i2)tan(i1+i2)DsEs=2n1cosi1n1cosi1+n2cosi2=2cosi1sini2sin(i1+i2)DpEp=2n1cosi1n2cosi1+n1cosi2=2cosi1sini2sin(i1+i2)cos(i1-i2),(2)

式中E_s、E_p分别表示入射光与入射平面垂直和平行的电矢量,R_s、R_p分别表示反射光与入射平面垂直和平行的电矢量,D_s、D_p分别表示折射光与入射平面垂直和平行的电矢量,i₁为入射角,i₂为折射角。自然光可看作两个振幅相等、振动相互垂直、非相干的线偏振光的叠加。因此,当入射光为自然光时,则有

Es=Ep。(3)

由(2)式可知,反射光的s、p分量仅与入射光的s、p分量相关。因为入射自然光的分量E_s和E_p的频率不一定相等,相位差不固定,所以反射光的分量R_s和R_p的频率也不一定相等,相位差也不固定,叠加后为部分偏振光或自然光。根据入射角的不同,分以下几种情形进行分析: 1) 当i₁取一般值,斜入射时,由 (2)、(3)式可得, Rs≠ Rp,则表明反射光s分量与p分量的振幅不相等,叠加后为部分偏振光;2) 当i₁取布儒斯特角时,i₁+i₂=90°,由(2)式可得,R_s≠0且R_p=0,则反射光s分量与p分量叠加后为线偏振光。

3 实验概述

3.1 分孔径同时式高光谱偏振成像系统

实验数据由一套分孔径同时式高光谱偏振成像系统获取,图2为该成像系统的实物图和主视场位置图。该成像系统由三套相互独立且平行、结构设计完全相同、偏振方向分别为0°、60°和120°的高光谱成像系统组合而成。以任一偏振方向的高光谱成像系统为例,其设计框图如图3所示。

图 2. 分孔径同时式高光谱偏振成像系统。(a)实物图;(b)主视场位置图

Fig. 2. Imaging system of divided aperture simultaneous type hypersepctral polarization. (a) Physical map; (b) position of main filed of view

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图 3. 分孔径同时式高光谱偏振成像系统设计框图

Fig. 3. Design diagram of divided aperture simultaneous type hyperspectral polarization imaging system

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由图3可知,任一偏振方向的高光谱成像系统由前置光学组件、起偏器、AOTF分光组件、检偏器、会聚镜、CCD相机、辅助模块和主机等组成。其中,前置光学组件由成像镜、视场光阑和准直镜组成,辅助模块包括射频驱动模块、电源电路模块和信号采集模块。

该系统的工作过程为:视场内的地物反射光同时入射3个不同偏振方向的高光谱成像系统;通过前置光学组件后,入射光束均匀准直进入起偏器,起偏器透振方向与参考坐标轴水平方向的夹角分别为0°,60°,120°;经过起偏器后,三束入射光变成三束线偏振光。入射光经施加相同射频信号的AOTF分光组件后,产生与射频信号对应的波长为λ₁的衍射光和0级光,衍射光偏振态与入射线偏振光相互正交,0级光的偏振态与入射线偏振光相同;出射的混合光经过检偏器后,0级光被消除,只剩下波长为λ₁的衍射光;出射后的三束光经过会聚镜后,变成平行光束出射,同时在CCD相机中形成波长为λ₁,偏振方向分别为0°、60°和120°的图像。在成像过程中,不断改变施加在AOTF上的射频信号,实现波长的不断选择,以获取地物高光谱偏振图像数据。分孔径同时式高光谱偏振成像系统具体性能指标如表1所示。

3.2 典型伪装目标实验样品介绍

伪装是通过减小目标与背景之间的谱和色的差异性,以达到保护目标的目的。随着科技的不断进步,伪装目标与背景间近似同谱同色,从而增加了传统光学探测伪装目标的难度。实验样品为荒漠伪装网、荒漠伪装板、坦克缩比目标和悍马车缩比目标,主要用于对抗荒漠背景下可见光-近红外工作波段(0.4~1.2 mm)进行光学侦察,如图4所示。

图 4. 实验样品实物图。(a)荒漠伪装网;(b)荒漠伪装板;(c)坦克缩比目标 (d)悍马车缩比目标

Fig. 4. Experiment samples. (a) Desert camouflage net; (b) desert camouflage board; (c) shrinkage ratio target of tank; (d) shrinkage ratio target of Hummer

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荒漠伪装网的外形呈椭圆切花状,其表面法向取向服从随机分布,且涂有荒漠伪装涂料。荒漠伪装板、坦克缩比目标和悍马车缩比目标表面涂有沙黄色荒漠伪装涂料,是我军荒漠装甲战车**装备的主型伪装涂料。

3.3 伪装目标高光谱偏振特性实验设计

实验在仿真大气实验室内进行,实验设计如图5所示,图中θ_i为入射角,θ_r为观测角,φ为方位角。实验光源采用光谱特性近似太阳光的短弧氙灯,且位置固定。

由反射光偏振特性分析可知,当θ取目标布儒斯特角值,且θ_r与θ_i相等时,成像系统接收目标辐射的偏振特性最大。实验样品组分不同,其布儒斯特角也不同。因此,在无各实验样品布儒斯特角先验信息的情况下,实验中统一令θ_i=70°。由文献[ 19]的分析可知,在θ_i和θ_r不变的前提下,φ=180°时,地物偏振特性最大。因此,实验过程中保持φ=180°不变。

保持实验数据采集条件一致,对分孔径同时式高光谱偏振成像系统进行如下设定:选择光谱工作波段为450~945 nm,光谱分辨率为5 nm,设置CCD相机曝光时间为50 ms,增益为2 dB。

实验设计思路为: 1) 进行不同光照强度伪装目标高光谱偏振特性实验时,令θ_r=θ_i=70°,通过改变入射光的光照强度来获取实验数据;2) 进行不同观测角度伪装目标高光谱偏振特性实验时,令入射光的光照强度不变,通过改变观测角度来获取实验数据。

图 5. 实验设计示意图

Fig. 5. Experimental design diagram

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4 结果与分析

4.1 实验数据处理

光谱曲线是目标反射率随波长的变化曲线,其反映了地物的理化组分等本质信息。分孔径同时式高光谱偏振成像系统获得的是目标辐射亮度值,而非目标反射率。因此,在处理数据时,将辐射亮度值转换为反射率,描绘出地物反射光谱曲线,这个过程称为光谱反演^[20]。目前光谱反演的方法有很多,在仅有高光谱偏振图像数据、无其他先验辅助数据的情况下,常用内部平均法进行光谱反演。

内部平均法是用图像的辐射亮度值D_λ除以整幅图像的平均辐射亮度值M_λ,得到地物的相对反射率 Rλ21,即

Rλ=DλMλ。(4)

由此可知,地物相对反射率越大,目标越容易被检测到。

对获取的高光谱偏振图像数据进行处理,处理流程如图6所示。首先将60°偏振方向的高光谱图像作为基准图像、同波段0°和120°偏振方向的高光谱图像作为待配准图像,进行图像配准处理;然后计算I、P、Q、U偏振参量图像数据立方体;最后利用内部平均法获取偏振反射光谱。

图 6. 实验数据处理流程图

Fig. 6. Flow chart of experimental data processing

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4.2 不同光照强度下伪装目标高光谱偏振特性分析

4.2.1 荒漠伪装网的高光谱偏振特性分析

不同光照强度下荒漠伪装网高光谱偏振特性实验结果如图7所示。在入射光强度分别为24011,13417,6405,2031 lx的条件下进行实验。实验结果表明:1) 在不同光照强度下,荒漠伪装网合成强度相对反射率光谱发生变化,相同探测波段下,光照越强,合成强度相对反射率越小,偏振度相对反射率光谱相似,但有差异; 2) 在不同光照强度下,荒漠伪装网合成强度相对反射率光谱变化较大,偏振度相对反射率光谱变化较小,表明荒漠伪装网偏振度图像具有一定的抗光照变化能力;3) 在不同光照强度下,探测波段在660~810 nm、820~845 nm区间内,荒漠伪装网合成强度相对反射率和偏振度相对反射率都较大,有利于该型荒漠伪装网检测和表面属性分析。

图 7. 不同光照强度下荒漠伪装网的相对反射率光谱。(a)合成强度相对反射率光谱;(b)偏振度相对反射率光谱

Fig. 7. Relative reflectance spectra of desert camouflage net under different illuminations. (a) Relative reflectance spectra of synthetic intensity; (b) relative reflectance spectra of polarization degree

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4.2.2 荒漠伪装板的高光谱偏振特性分析

不同光照强度下荒漠伪装板的高光谱偏振特性实验结果如图8所示。在入射光强度分别为13394,6339,1927 lx条件下进行实验。实验结果表明:1) 在不同光照强度下,荒漠伪装板的合成强度相对反射率光谱和偏振度相对反射率光谱发生变化,相同探测波段下,光照越强,合成强度相对反射率越小,偏振度相对反射率越大;2) 在不同光照强度下,荒漠伪装板合成强度相对反射率光谱变化较大,偏振度相对反射率光谱变化较小,表明荒漠伪装板偏振度图像具有一定抗光照变化能力;3) 在不同光照强度下,探测波段在470~510 nm、580~675 nm、765~810 nm、825~845 nm区间内,荒漠伪装板合成强度相对反射率和偏振度相对反射率均较大,有利于该型荒漠伪装板检测和表面属性分析。

图 8. 不同光照强度下荒漠伪装板的相对反射率光谱。(a)合成强度相对反射率光谱;(b)偏振度相对反射率光谱

Fig. 8. Relative reflectance spectra of desert camouflage board under different illuminations. (a) Relative reflectance spectra of synthetic intensity; (b) relative reflectance spectra of polarization degree

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4.2.3 坦克缩比目标的高光谱偏振特性分析

不同光照强度下坦克缩比目标的高光谱偏振特性实验结果如图9所示。在入射光强度分别为24101,13477,6298,1900 lx条件下进行实验。实验结果表明:1) 在不同光照强度下,在450~770 nm波段范围内,坦克缩比目标的合成强度相对反射率和偏振度相对反射率光谱发生变化,相同探测波段下,光照越强,合成强度相对反射率越大,偏振度相对反射率也越大;2) 在不同光照强度下,坦克缩比目标的合成强度相对反射率光谱变化较大,偏振度相对反射率光谱变化较小,表明坦克缩比目标偏振度图像具有一定抗光照变化能力;3) 在不同光照强度下,探测波段在480~540 nm、610~705 nm、765~810 nm、820~835 nm区间内,坦克缩比目标的合成强度相对反射率和偏振度相对反射率均较大,有利于该型坦克缩比目标检测和表面属性分析。

图 9. 不同光照强度下坦克缩比目标的相对反射率光谱。(a)合成强度相对反射率光谱;(b)偏振度相对反射率光谱

Fig. 9. Relative reflectance spectra of shrinkage ratio target of tank under different illuminations. (a) Relative reflectance spectra of synthetic intensity; (b) relative reflectance spectra of polarization degree

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4.2.4 悍马车缩比目标的高光谱偏振特性分析

不同光照强度下悍马车缩比目标的高光谱偏振特性实验结果如图10所示。在入射光强度分别为24088,13391,6309,1897 lux条件下进行实验。实验结果表明: 1) 在不同光照强度下,悍马车缩比目标的合成强度相对反射率和偏振度相对反射率光谱发生变化,相同探测波段下,光照越强,合成强度相对反射率越大,偏振度相对反射率也越大;2) 在不同光照强度下,悍马车缩比目标的合成强度相对反射率光谱变化较大,偏振度相对反射率光谱变化较小,表明悍马车缩比目标的偏振度图像具有一定抗光照变化能力;3) 在不同光照强度下,探测波段在625~840 nm区间内,悍马车缩比目标的合成强度相对反射率和偏振度相对反射率均较大,有利于该型悍马车缩比目标检测和表面属性分析。

图 10. 不同光照条件下悍马车缩比目标的相对反射率光谱。(a)合成强度相对反射率光谱;(b)偏振度相对反射率光谱

Fig. 10. Relative reflectance spectra of shrinkage ratio target of Hummer under different illuminations. (a) Relative reflectance spectra of synthetic intensity; (b) relative reflectance spectra of polarization degree

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4.3 不同观测角度下伪装目标的高光谱偏振特性分析

4.3.1 荒漠伪装网的高光谱偏振特性分析

不同观测角度下荒漠伪装网的高光谱偏振特性实验结果如图11所示。在观测角分别为58°、64°和70°条件下进行实验。实验结果表明: 1) 在不同观测角度条件下,荒漠伪装网的合成强度相对反射率光谱相似;但受观测角度影响较大,相同探测波段下,观测角与入射角差值越小,合成强度相对反射率越大;偏振度相对反射率光谱相似,但有差异;2) 不同观测角度条件下,探测波段在650~800 nm区间内,荒漠伪装网的合成强度相对反射率和偏振度相对反射率均较大,有利于该型荒漠伪装网检测和表面属性分析。

4.3.2 荒漠伪装板的高光谱偏振特性分析

不同观测角度下荒漠伪装板的高光谱偏振特性实验结果如图12所示。在观测角分别为58°、64°和70°条件下进行实验。实验结果表明: 1) 在不同观测角度条件下,合成强度相对反射率光谱相似,但受观测角度的影响较大,相同波段下,观测角与入射角的差值越小,合成强度相对反射率越大,偏振度相对反射率光谱相似,但有差异;2) 在不同观测角度条件下,探测波段选择500~540 nm、580~600 nm和690~800 nm,荒漠伪装板合成强度相对反射率和偏振度相对反射率均较大,有利于该型荒漠伪装板检测和表面属性分析。

图 11. 不同观测角下荒漠伪装网的相对反射率光谱。(a)合成强度相对反射率光谱;(b)偏振度相对反射率光谱

Fig. 11. Relative reflectance spectra of desert camouflage net under different observation angles. (a) Relative reflectance spectra of synthetic intensity; (b) relative reflectance spectra of polarization degree

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图 12. 不同观测角下荒漠伪装板的相对反射率光谱。(a)合成强度相对反射率光谱;(b)偏振度相对反射率光谱

Fig. 12. Relative reflectance spectra of desert camouflage board under different observation angles. (a) Relative reflectance spectra of synthetic intensity; (b) relative reflectance spectra of polarization degree

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图 13. 不同观测角下坦克缩比目标的相对反射率光谱。(a)合成强度相对反射率光谱;(b)偏振度相对反射率光谱

Fig. 13. Relative reflectance spectra of shrinkage ratio target of tank under different observation angles. (a) Relative reflectance spectra of synthetic intensity; (b) relative reflectance spectra of polarization degree

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4.3.3 坦克缩比目标的高光谱偏振特性分析

不同观测角度下坦克缩比目标的高光谱偏振特性分析实验结果如图13所示。在观测角分别为58°、64°和70°条件下进行实验。实验结果表明:1) 在不同观测角度条件下,合成强度相对反射率光谱相似,但受观测角度影响的较大,相同探测波段下,观测角与入射角差值越小,合成强度相对反射率越大,偏振度相对反射率光谱相似,但有差异;2) 在不同观测角度条件下,探测波段选择480~550 nm、620~650 nm和685~800 nm波段,坦克缩比目标的合成强度相对反射率和偏振度相对反射率均较大,有利于该型坦克缩比目标检测和表面属性分析。

4.3.4 悍马车缩比目标的高光谱偏振特性分析

不同观测角度下悍马车缩比目标的高光谱偏振特性分析实验结果如图14所示。在观测角分别为58°、64°和70°条件下进行实验。实验结果表明: 1) 在不同观测角度条件下,合成强度相对反射率光谱相似,但受观测角度影响的较大,相同探测波段下,观测角与入射角差值越小,合成强度相对反射率越大,偏振度相对反射率光谱相似,但有差异;2) 在不同观测角度条件下,探测波段选择545~565 nm、630~805 nm和825~835 nm,悍马车缩比目标的合成强度相对反射率和偏振度相对反射率均较大,有利于该型悍马车缩比目标检测和表面属性分析。

图 14. 不同观测角下悍马车缩比目标的相对反射率光谱。(a)合成强度相对反射率光谱;(b)偏振度相对反射率光谱

Fig. 14. Relative reflectance spectra of shrinkage ratio target of Hummer under different observation angles. (a) Relative reflectance spectra of synthetic intensity; (b) relative reflectance spectra of polarization degree

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5 结论

在不同光照强度和不同观测角度条件下,在荒漠背景下对荒漠伪装网、荒漠伪装板、坦克缩比目标和悍马车缩比目标的高光谱偏振特性进行研究,得到以下结论。

1) 荒漠背景下伪装目标的合成强度相对反射率和偏振度相对反射率随探测波段起伏变化,通过优化选择探测波段,有利于伪装目标的检测和表面属性分析,荒漠伪装网的探测波段宜在660~800 nm中选择,荒漠伪装板的探测波段宜在500~510 nm、580~600 nm、690~800 nm中选择,坦克缩比目标的探测波段宜在480~540 nm、620~650 nm、765~800 nm中选择,悍马车缩比目标的的探测波段宜在630~805 nm、825~835 nm中选择。

2) 不同光照强度下,荒漠背景下伪装目标的合成强度相对反射率的变化幅度较大,偏振度相对反射率的变化幅度较小,表明偏振度图像具有一定的抗光照干扰能力。

3) 探测荒漠背景下的伪装目标时,成像系统观测角与入射光的入射角差值越小,合成强度的相对反射率越大,有利于实现目标检测。