CN104902195A - 基于空中运动平台的红外偏振成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于天空运动平台的红外偏振成像方法，包括以下步骤：1)在热红外相机前加入可旋转的偏振片或可控制的液晶，通过旋转偏振片或控制液晶，使热红外相机能够获得目标的偏振图像；2)把步骤1)中组建的红外偏振相机布设在空中运动平台中；3)根据空中运动平台的运动速度及红外偏振相机视场覆盖的地面区域，设置红外偏振相机的拍摄频率；4)在空中运动平台保持匀速运动情况下，按照预设帧频依次拍摄地面目标的偏振图像；5)拼接地面目标的偏振图像，使偏振图像的覆盖区域相同。本发明提出了一种基于天空运动平台的红外偏振成像方法，应用偏振图像拼接技术，使其能够在天空运动平台上对地面大面积目标完成准实时偏振测量。

Description

基于空中运动平台的红外偏振成像方法

技术领域

本发明涉及一种光学测量方法，特别是一种基于空中运动平台的图像拼接红外偏振探测方法。

背景技术

地面和大气中的任何目标，在反射或辐射电磁波的过程中都会产生由它们自身性质和光学基本定律决定的偏振特性，不同物体或同一物体的不同状态(例如粗糙度、含水量、构成材料的理化特征等)会产生不同的偏振状态。红外伪装技术，通过降低或扭曲目标表面热辐射特征，使目标在红外辐射强度图中有较低的灰度值，达到红外波段伪装目标的目的。但是，伪装目标其反射和辐射光波的偏振状态并没有较大变化，在偏振图像中该类目标就失去了伪装效果而容易被识别。因此，红外偏振成像方法能够提高伪装目标与背景的对比度，较传统的探测方式具有明显的优势。

目前该技术的主要探测方式有时序测量方法、空间匹配测量方法以及强度调制型偏振成像方法。空间匹配测量方法应用多组偏振测量单元在空间上组合来获取同一目标的偏振特性，其缺点是结构复杂、光路调节困难，且由于同时使用多路光学元件与探测器，元件及探测器的偏振响应的不同将带来较大的测量误差。强度调制型偏振成像装置中含有光阑导致光通量不高，该装置光路复杂且工艺要求高，且含有光谱仪结构，信号处理速度较慢。同时，空间匹配测量方法和强度调制型偏振成像装置中需要用到双折射晶体等器件，自然界中红外波段的光学晶体特别少，特别是长波红外波段的晶体几乎没有，因此，红外偏振相机一般采用时序测量方式。

时序测量方法采用旋转偏光元件型结构或采用电光、声光、磁光等调制方式按照时序依此获取不同偏振方向的至少四幅偏振图像，得到目标的偏振特性，应用在运动平台上或拍摄运动目标时，该方法拍摄的四幅偏振图像覆盖不同区域，无法获得目标的全部偏振信息，因此，该方法不能应用在运动平台上或无法对运动目标的偏振信息进行实时探测。

发明内容

为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提出了一种基于天空运动平台的红外偏振成像方法，应用偏振图像拼接技术，使其能够在天空运动平台上对地面大面积目标完成准实时偏振测量。

为解决上述技术问题，本发明提出一种基于天空运动平台的红外偏振成像方法，该方法通过以下技术方案进行实现，具体步骤如下：基于天空运动平台的红外偏振成像方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1)在热红外相机前加入可旋转的偏振片或可控制的液晶，通过旋转偏振片或控制液晶，使热红外相机能够获得目标的偏振图像I₀，I₄₅，I₉₀，即目标水平方向偏振、对角方向偏振以及竖直方向偏振图像；

2)把步骤1)中组建的红外偏振相机布设在空中运动平台中；

3)根据空中运动平台的运动速度及红外偏振相机视场覆盖的地面区域，设置红外偏振相机的拍摄频率；

4)在空中运动平台保持匀速运动情况下，红外偏振相机按照预设帧频依次拍摄地面目标的偏振图像I₀，I₄₅，I₉₀；

5)采用图像拼接技术，拼接地面目标的偏振图像，使偏振图像的覆盖区域相同。

6)求取地面目标Stokes矢量S₀，S₁，S₂图像：

S₀＝I₀+I₉₀；

S₁＝I₀-I₉₀；

S₂＝2I₄₅-(I₀+I₉₀)；

7)计算偏振度DoP图像和偏振方位角AoP图像：

$\mathrm{DoP}=\frac{\sqrt{S_1^2+S_2^2}}{S_0};$

$\mathrm{AoP}=\frac{1}{2}\arctan \frac{S_2}{S_1}.$

上述步骤3)红外偏振相机的拍摄频率f满足以下条件：

其中，平台的运动速度为v，红外偏振相机视场覆盖的地面区域长为l，宽为w。

上述步骤2)空中运动平台是飞机或飞艇。

本发明提出一种应用偏振图像拼接技术，使红外偏振成像时序测量方法能够在天空运动平台上对地面大面积目标完成准实时偏振测量。

附图说明

图1是本发明红外偏振相机拍摄地面目标的图像序列；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进行一步详细说明：

(1)组建红外偏振相机，在热红外相机前加入可旋转的偏振片或可控制的液晶，通过旋转偏振片或控制液晶，该热红外相机能够获得目标的偏振图像I₀，I₄₅，I₉₀，即目标水平方向偏振、对角方向偏振以及竖直方向偏振图像。由于在自然背景情况下，目标的圆偏振光分量几乎为零，因此，圆偏振光在本发明中不予考虑。角度可以随意选取，只要选取不同的三个角度即可；但是考虑到一般偏振器材的灵敏度，选取的角度差值要大于30°小于60°，、I₀，I₆₀，I₁₂₀也是可以的。

(2)把组建的红外偏振相机布设在空中运动平台上，平台可以是飞机或飞艇等。

(3)根据空中运动平台的运动速度及红外偏振相机视场覆盖的地面区域，设置红外偏振相机的拍摄频率。

设平台的运动速度为v，相机视场覆盖的地面区域长为l，宽为w，则相机的拍摄频率：

$f\≥3\frac{v}{l}$

(4)空中运动平台保持匀速运动情况下，红外偏振相机按照预设帧频(本例中取)依次拍摄地面目标的偏振图像I₀，I₄₅，I₉₀，具体拍摄图像序列如图1所示。

(5)采用图像拼接技术，拼接地面目标的偏振图像I₀，I₄₅，I₉₀，使这些偏振图像的覆盖区域相同。

如图1所示，空中运动平台上的红外偏振相机拍摄地面目标的图像序列，其中I_0,i，I_45,i，I_90,i(i＝1，2，3，…)为地面目标水平方向偏振、对角方向偏振以及竖直方向偏振图像序列。

图像拼接时取图像I_45,1的后1/3图像与I_45,2前2/3图像进行拼接形成图像I′_45,2，取图像I_90,1的后2/3图像与I_90,2前1/3图像进行拼接形成图像I′_90,2，与原图像I_0,2共同形成新的图像序列，该图像序列的图像覆盖区域相同。这里的图像选取规律在本发明中获取3个方向的偏振图像，即要求最少3张相邻图像拍摄到同一区域，所以图像拼接时图像相互覆盖的区域最大是1/3；也可以是1/4这种形式，但是此时要求相机的拍摄频率为4v/l。

(6)利用新的图像序列，求取地面目标Stokes矢量S₀，S₁，S₂图像。

S₀＝I₀+I₉₀

S₁＝I₀-I₉₀

S₂＝2I₄₅-(I₀+I₉₀)

(7)计算偏振度DoP图像和偏振方位角AoP图像

$\mathrm{DoP}=\frac{\sqrt{S_1^2+S_2^2}}{S_0};$

$\mathrm{AoP}=\frac{1}{2}\arctan \frac{S_2}{S_1}.$

Claims (4)

1.基于天空运动平台的红外偏振成像方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1)在热红外相机前加入可旋转的偏振片或可控制的液晶，通过旋转偏振片或控制液晶，使热红外相机能够获得目标的偏振图像I₀，I₄₅，I₉₀，即目标水平方向偏振、对角方向偏振以及竖直方向偏振图像；

2)把步骤1)中组建的红外偏振相机布设在空中运动平台中；

3)根据空中运动平台的运动速度及红外偏振相机视场覆盖的地面区域，设置红外偏振相机的拍摄频率；

4)在空中运动平台保持匀速运动情况下，红外偏振相机按照拍摄频率依次拍摄地面目标的偏振图像I₀，I₄₅，I₉₀；

5)采用图像拼接技术，拼接地面目标的偏振图像，使偏振图像的覆盖区域相同；

6)求取地面目标Stokes矢量S₀，S₁，S₂图像：

S₀＝I₀+I₉₀；

S₁＝I₀-I₉₀；

S₂＝2I₄₅-(I₀+I₉₀)；

7)计算得到偏振度DoP图像和偏振方位角AoP图像：

$\mathrm{DoP}=\frac{\sqrt{S_1^2+S_2^2}}{S_0};$

$\mathrm{AoP}=\frac{1}{2}\arctan \frac{S_2}{S_1}.$

2.根据权利要求1所述的基于天空运动平台的红外偏振成像方法，其特征在于：所述步骤3)红外偏振相机的拍摄频率f满足以下条件：

$f\≥3\frac{v}{l}$

其中，平台的运动速度为v，红外偏振相机视场覆盖的地面区域长为l，宽为w。

3.根据权利要求2所述的基于天空运动平台的红外偏振成像方法，其特征在于：所述步骤5)的具体步骤是：

5.1)空中运动平台上的红外偏振相机拍摄地面目标的图像序列，其中I_0,i，I_45,i，I_90,i(i＝1，2，3，…)为地面目标水平方向偏振、对角方向偏振以及竖直方向偏振图像序列；

5.2)取图像I_45,1的后1/3图像与I_45,2前2/3图像进行拼接形成图像I′_45,2，取图像I_90,1的后2/3图像与I_90,2前1/3图像进行拼接形成图像I′_90,2，与原图像I_0,2共同形成新的图像序列，该图像序列的图像覆盖区域相同。

4.根据权利要求3所述的基于天空运动平台的红外偏振成像方法，其特征在于：所述步骤2)空中运动平台是飞机或飞艇。