CN106989675A - 基于目标表面特征参数的多光谱成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于目标表面特征参数的多光谱成像系统，包括：光源；偏极性摄像机包括摄像机本体；镜头上的每相邻的四个像素点上分别设置方向为0°,45°,90°和135°的纳米裂隙，用于分别采集来自目标的偏振度为0°,45°,90°和135°的散射光；多频带窄带滤波器用于对镜头采集的散射光进行过滤分析，获得散射光不同波长的光强度；以及数据处理器用于实时采集所述散射光不同波长和不同偏振状态的光强度，形成普通光强度图像和偏极性图像并分别展示在成像显示器上。本发明能够通过偏极性图像和散射模型，同时生成远程的还原参数图像并分别展示在成像显示器上，从而实现远程目标的确认和识别。

Description

基于目标表面特征参数的多光谱成像系统

技术领域

本发明涉及多光谱成像技术领域，特别涉及一种基于目标表面特征参数的多光谱成像系统。

背景技术

我国传统的光电成像系统主要是基于光强度成像的电视摄像或者红外热像仪等，即通过获取目标与背景的反射或者辐射光强在空间的分布特征，并结合信息化的处理手段从中识别并跟踪兴趣目标。这种方式在以往条件下曾经发挥了重要的作用，但在雾霾、烟尘、低光强度环境或相对低光强度等复杂环境下探测性能下降，低对比度目标难以识别、区分。并且传统的光电成像系统只能根据光强度绘制二维图形，无法提供目标的材料的信息。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种基于目标表面特征参数的多光谱成像系统，其能够在雾霾、烟尘、低光强度环境或相对低光强度等复杂环境下，形成普通光强度图像和偏极性图像并分别展示在成像显示器上，并能够清晰显现目标的位置和形状信息。

本发明还有一个目的是提供一种基于目标表面特征参数的多光谱成像系统，其能够通过实时采集获取和计算的一系列参数，最终形成还原参数图像并展示在成像显示器上，目标的不同部位的材质随还原参数图像进行同步示出。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种基于目标表面特征参数的多光谱成像系统，包括：

光源；

偏极性摄像机，其包括摄像机本体；镜头，在所述镜头上的每相邻的四个呈“田”字形排布的像素点上分别设置方向为0°，45°,90°和135°的纳米裂隙，用于分别采集来自目标的偏振度为0°,45°,90°和135°的散射光；多频带窄带滤波器，其用于对所述镜头采集的散射光进行过滤分析，获得所述散射光不同波长的光强度；以及

数据处理器，其用于实时采集所述散射光不同波长和不同偏振状态的光强度，形成普通光强度图像和偏极性图像并分别展示在成像显示器50上。

优选的是，还包括：全球定位系统60，其用于获取所述目标的所述散射光的目标散射角度；其中，所述数据处理器还用于实时获取所述目标散射角度，并结合实时获取的所述不同波长和不同偏振状态的光强度，采用偏振双向反射比散射方程和散射模型计算获得每一波长下每一像素对应的目标的复折射率，漫散射系数和粗糙系数，进而形成还原参数图像并展示在成像显示器上，所述目标的不同部位的材质随所述还原参数图像进行同步示出。

优选的是，所述纳米裂隙为使用纳米喷镀工艺在镜头表面形成具有倾斜角度分别为0°,45°,90°和135°的纳米线阵列；或者所述镜头为微型偏振镜头。

优选的是，

偏振双向反射比散射方程为：

优选的是，

所述偏振双向反射比散射方程中包含：

入射斯托克斯参数：S₀ ^I，S₁ ^I和S₂ ^I，通过所述偏极性摄像机测量；

散射斯托克斯参数：S₀ ^R，S₁ ^R和S₂ ^R，通过所述偏极性摄像机测量；

每一像素对应的目标散射角度：入射天顶角θi，探测天顶角θr，入射方位角φi,和探测方位角φr；非平面散射角α_i，法线差角θ；所述目标散射角度θi，θr，φi,和φr通过所述全球定位系统测量；所述目标散射角度α_i和θ可通过散射角度θi，θr，φi,和φr计算获得；

用于还原识别所述目标的物理量：复折射率η，漫散射系数ρ_d,粗糙系数σ²；

物理量η，ρ_d,和σ²可通过所述偏振双向反射比散射方程和非线性运算获得；所述复折射率η直接与目标材质对应预存储入所述数据处理器内。

优选的是，所述偏振状态(斯托克斯向量)与所述光强度的关系为：

其中，I_0°,I_45°,I_90°和I_135°分别表示在0°,45°,90°和135°偏振角度下的所述散射光的光强度，S₀表示总光强度，S₁表示0°和90°中占主导的偏振角度光强，S₂表示45°和135°中占主导的偏振角度光强)，DOLP表示偏振光强度在总光强度中的比例。

优选的是，每相邻的四个呈“田”字形排布的像素点为一个偏极性图像的像素点。

优选的是，所述光源包括被动光源和主动光源：

所述被动光源为太阳或者月亮；

所述主动光源为主动式激光脉冲发射器，处于待机状态，在没有所述被动光源时启用。

优选的是，所述主动光源与所述镜头和目标形成目标散射角度。

优选的是，所述成像显示器上同时生成普通光强度图像，偏极性图像和所述还原参数图像；其中，生成的所述还原参数图像的有效成像距离为不超过2km。

本发明至少包括以下有益效果：

在摄像机的镜头上的每相邻的四个呈“田”字形排布的像素点上分别设置方向为0°，45°,135°和180°的纳米裂隙，进而通过纳米技术(比如：纳米裂隙)可以让成像系统可实时的获取在不同光谱下的多个偏极性图像，多个偏极性图像可以很好的补充普通光强度成像，在识别低温度对比度和低光强度对比度的目标的技术领域，具有显著的技术进步。例如，在现有技术中，一辆熄火的汽车停在阴影的地方，普通相机或红外相机无法把该汽车从阴影环境中提取出来，但是本方案提供的基于目标表面特征参数的多光谱成像系统采集的偏极性图像因为依赖于目标表面的散射光不同波长的光强度和偏振状态，就可以提取目标的位置和形状信息；

进一步使用全球定位系统获取所述目标的所述散射光的目标散射角度，进而可以最终还可以形成还原参数图像并展示在成像显示器上，所述目标的不同部位的材质随所述还原参数图像进行同步示出，也即是目标各部位的材料也能够一并被采集和记录下来。也即是可以补充普通光强度和偏极性图形(或称为斯托克斯图像)对目标的材质进行进一步的提取。据此，本方案在远程目标识别和探测上具有显著的技术进步；

综上所述，本发明能够通过偏极性图像和散射模型，生成远程的以目标材质等参数为基础物理量的图像，从而实现远程目标的确认和识别。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明一个实施例中所述基于目标表面特征参数的多光谱成像系统中偏极性摄像机采光示意图；

图3为本发明一个实施例中所述镜头上的纳米裂隙的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

如图1、2、3所示，本发明提供一种基于目标表面特征参数的多光谱成像系统，包括：光源10；偏极性摄像机20，其包括摄像机本体201；镜头202，在所述镜头上的每相邻的四个呈“田”字形排布的像素点上分别设置方向为0°,45°,90°和135°的纳米裂隙203，用于分别采集来自目标70的偏振度为0°,45°,90°和135°的散射光；多频带窄带滤波器30，其用于对所述镜头采集的散射光进行过滤分析，获得所述散射光不同波长的光强度；以及数据处理器40，其用于实时采集所述散射光不同波长和不同偏振状态的光强度，形成普通光强度图像和偏极性图像并分别展示在成像显示器50上。

在上述方案中，在摄像机的镜头上的每相邻的四个呈“田”字形排布的像素点上分别设置方向为0°,45°,90°和135°的纳米裂隙，进而通过纳米技术(比如：纳米裂隙)可以让成像系统可实时的获取在不同光谱下的多个偏极性图像，多个偏极性图像可以很好的补充普通光强度成像，在识别低温度对比度和低光强度对比度的目标的技术领域，具有显著的技术进步。例如，在现有技术中，一辆熄火的汽车停在阴影的地方，普通相机或红外相机无法把该汽车从阴影环境中提取出来，但是本方案提供的基于目标表面特征参数的多光谱成像系统采集的偏极性图像因为依赖于目标表面的散射光不同波长的光强度和偏振状态，就可以提取目标的位置和形状信息。

如图1所示，一个优选方案中，还包括：全球定位系统60，其用于获取所述目标的所述散射光的目标散射角度；其中，所述数据处理器还用于实时获取所述目标散射角度，并结合实时获取的所述不同波长和所述不同偏振状态的光强度，采用偏振双向反射比散射方程和散射模型计算获得每一波长下每一像素对应的目标的复折射率，漫散射系数和粗糙系数，进而形成还原参数图像并展示在成像显示器上，所述目标的不同部位的材质随所述还原参数图像进行同步示出。在本方案中，在上述方案的基础上，进一步使用全球定位系统获取所述目标的所述散射光的目标散射角度，进而可以最终还可以形成还原参数图像并展示在成像显示器上，所述目标的不同部位的材质随所述还原参数图像进行同步示出，也即是目标各部位的材料也能够一并被采集和记录下来。也即是可以补充普通光强度和偏极性图形(或称为斯托克斯图像)对目标的材质进行进一步的提取。据此，本方案在远程目标识别和探测上具有显著的技术进步，比如：在现有技术中，一个塑料的箱子和一个相同形状的金属箱子放置在阴影中，普通光强度图像或红外图像无法提供目标的任何信息，偏极性图像可以提供目标的形状和位置信息，但是俩个目标提取的形状相同无法做进一步的信息分析；而以材料为物理参数的图像可以提供目标的材质信息(比如分析出一个是金属材质的，另一个是非金属材质的)，从而进一步确认目标。并且，本方案，在国防和边境检查中，对于金属类材质无标的确认有非常重要的实际意义。此外每一个光谱(波长)下都可以进行该操作，所以多光谱可进一步确认目标。

一个优选方案中，所述纳米裂隙为使用纳米喷镀工艺在镜头表面形成具有倾斜角度分别为0°,45°,90°和135°的纳米线阵列；或者所述镜头为微型偏振镜头。纳米裂缝是依靠当前最先进的纳米镀膜技术(比如美国Los Alamos National Lab),每四个相邻的像素设置0°,45°,90°和135°的纳米金属丝(或者更加主流的纳米裂缝)进行排布形成的方形区域，其原理为使得纳米金属丝或者纳米裂隙在相对于传播轴呈一定角度的倾斜，并且，确保每一个方形区域内的纳米裂隙的位置要与每一个像素点完美的契合。

一个优选方案中，

偏振双向反射比散射方程为：

所述偏振双向反射比散射方程中包含：

入射斯托克斯参数：S₀ ^I，S₁ ^I和S₂ ^I，通过所述偏极性摄像机测量；

散射斯托克斯参数：S₀ ^R，S₁ ^R和S₂ ^R，通过所述偏极性摄像机测量；

每一像素对应的目标散射角度：入射天顶角θi，探测天顶角θr，入射方位角φi,和探测方位角φr；非平面散射角α_i，法线差角θ；所述目标散射角度θi，θr，φi,和φr通过所述全球定位系统测量；所述目标散射角度α_i和θ可通过散射角度θi，θr，φi,和φr计算获得；

用于还原识别所述目标的物理量：复折射率η，漫散射系数ρ_d,粗糙系数σ²；

物理量η，ρ_d,和σ²可通过所述偏振双向反射比散射方程和非线性运算获得；所述复折射率η直接与目标材质对应预存储入所述数据处理器内。

一个优选方案中，所述偏振状态(斯托克斯向量)与所述光强度的关系为：

其中，I_0°,I_45°,I_90°和I_135°分别表示在0°,45°,135°和180°偏振角度下的所述散射光的光强度，S₀表示总光强度，S₁表示0°和90°中占主导的偏振角度光强，S₂表示45°和135°中占主导的偏振角度光强)，DOLP表示偏振光强度在总光强度中的比例。

一个优选方案中，每相邻的四个呈“田”字形排布的像素点为一个偏极性图像的像素点。在实际应用中，当四个呈“田”字形排布的像素点作为一个偏极性图像的像素点进行偏振光强度信息采集，并进一步生成偏极性图像时；数据处理器中还设置有信号放大器，可以将普通光强度的信号成倍放大，因此，系统形成的普通光强度图像的光强度并不受影响。

一个优选方案中，所述光源包括被动光源和主动光源：所述被动光源为太阳或者月亮；

所述主动光源为主动式激光脉冲发射器，处于待机状态，在没有所述被动光源时启用。

在本方案中，被动光源为太阳或者月亮，被动光源与镜头的角度会随时间发生变化，且该角度越大检测效果越好，因此，一般情况下推荐采用被动光源进行检测；但是，在阴雨天气或者无人区夜晚多云情况下，仍然需要启动主动光源辅助系统进行目标的定位、形状和材质信息的成像采集。在实际使用中，可以人为控制启动主动光源或者设置光照度传感器进行自动的光照度检测，并根据设置的光照度阈值控制被动光源的启闭作业。

如图2所示，一个优选方案中，所述主动光源与所述镜头和目标形成目标散射角度。在实际使用中，主动光源与镜头和目标之间呈较小目标散射角度时，目标的每一像素获取的各个参数的数值过于接近，计算时不易还原复折射率等参数，因此，主动光源与镜头和目标之间的目标散射角度时，应尽量避免小角度的设置。

一个优选方案中，所述成像显示器上同时生成普通光强度图像，偏极性图像和所述还原参数图像；其中，生成的所述还原参数图像的有效成像距离为不超过2km。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离说明书及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种基于目标表面特征参数的多光谱成像系统，其特征在于，包括：

光源；

偏极性摄像机，其包括摄像机本体；镜头，在所述镜头上的每相邻的四个呈“田”字形排布的像素点上分别设置方向为0°,45°,90°和135°的纳米裂隙，用于分别采集来自目标的偏振度为0°,45°,90°和135°的散射光；多频带窄带滤波器，其用于对所述镜头采集的散射光进行过滤分析，获得所述散射光不同波长的光强度；以及

数据处理器，其用于实时采集所述散射光不同波长和不同偏振状态的光强度，形成普通光强度图像和偏极性图像并分别展示在成像显示器上。

2.如权利要求1所述的基于目标表面特征参数的多光谱成像系统，其特征在于，还包括：

全球定位系统，其用于获取所述目标的所述散射光的目标散射角度；

其中，所述数据处理器还用于实时获取所述目标散射角度，并结合实时获取的所述不同波长和所述偏振状态的光强度，采用偏振双向反射比散射方程和散射模型计算获得每一波长下每一像素对应的目标的复折射率，漫散射系数和粗糙系数，进而形成还原参数图像并展示在成像显示器上，所述目标的不同部位的材质随所述还原参数图像进行同步示出。

3.如权利要求1所述的基于目标表面特征参数的多光谱成像系统，其特征在于，所述纳米裂隙为使用纳米喷镀工艺在镜头表面形成具有倾斜角度分别为0°,45°,90°和135°的纳米线阵列；

或者所述镜头为微型偏振镜头。

4.如权利要求1所述的基于目标表面特征参数的多光谱成像系统，其特征在于，所述偏振状态与所述光强度的关系为：

$DOLP=\frac{\sqrt{{\left(S_1\right)}^2+{\left(S_2\right)}^2}}{S_0}$

其中，I₀°,I₄₅°,I₉₀°和I₁₃₅°分别表示在0°,45°,90°和135°偏振角度下的所述散射光的光强度，S₀表示总光强度，S₁表示0°和90°中占主导的偏振角度光强，S₂表示45°和135°中占主导的偏振角度光强)，DOLP表示偏振光强度在总光强度中的比例。

5.如权利要求1所述的基于目标表面特征参数的多光谱成像系统，其特征在于，

偏振双向反射比散射方程为：

$\left[\begin{array}{c}{S}_0^R\\ S_1^R\\ S_2^R\end{array}\right]=\left(\frac{1}{2\mathrm{\π}}\frac{1}{4{\mathrm{\σ}}^2}\frac{1}{{\left(cos\mathrm{\θ}\right)}^4}\frac{\exp \[-\frac{{\left(tan\mathrm{\θ}\right)}^2}{\left(2{\mathrm{\σ}}^2\right)}\]}{{\mathrm{cos\θ}}_r{\mathrm{cos\θ}}_i}{M}_{jl}^{s}R\right(a_i)+{\mathrm{\ρ}}_d\frac{{\mathrm{cos\θ}}_r}{\mathrm{\π}}\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right])\left[\begin{array}{c}{S}_0^I\\ S_1^I\\ S_2^I\end{array}\right]$

所述偏振双向反射比散射方程中包含：

入射斯托克斯参数：S₀ ^I，S₁ ^I和S₂ ^I，通过所述偏极性摄像机测量；

散射斯托克斯参数：S₀ ^R，S₁ ^R和S₂ ^R，通过所述偏极性摄像机测量；

每一像素对应的目标散射角度：入射天顶角θi，探测天顶角θr，入射方位角φi,和探测方位角φr；非平面散射角α_i，法线差角θ；所述目标散射角度θi，θr，φi,和φr通过所述全球定位系统测量；所述目标散射角度α_i和θ可通过散射角度θi，θr，φi,和φr计算获得；

用于还原识别所述目标的物理量：复折射率η，漫散射系数ρ_d,粗糙系数σ²；

物理量η，ρ_d,和σ²可通过所述偏振双向反射比散射方程和非线性运算获得；所述复折射率η直接与目标材质对应预存储入所述数据处理器内。

6.如权利要求1所述的基于目标表面特征参数的多光谱成像系统，其特征在于，每相邻的四个呈“田”字形排布的像素点为一个偏极性图像的像素点。

7.如权利要求1所述的基于目标表面特征参数的多光谱成像系统，其特征在于，所述光源包括被动光源和主动光源：

所述被动光源为太阳或者月亮；

所述主动光源为主动式激光脉冲发射器，处于待机状态，在没有所述被动光源时启用。

8.如权利要求7所述的基于目标表面特征参数的多光谱成像系统，其特征在于，所述主动光源与所述镜头和目标形成目标散射角度。

9.如权利要求2所述的基于目标表面特征参数的多光谱成像系统，其特征在于，所述成像显示器上同时生成普通光强度图像，偏极性图像和所述还原参数图像；其中，生成的所述还原参数图像的有效成像距离为不超过2km。