CN108731821A - 一种基于微纳光栅红外偏振成像的水面耀光抑制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微纳光栅红外偏振成像的水面耀光抑制方法，解决了现有技术中存在的在不同水面耀光能量下基于偏振的水面耀光抑制方法不具自适应能力的问题。本发明包含如下步骤：（1）耀光初步抑制：入射辐射经过外置红外偏振片，实现对耀光的初步抑制；（2）经过步骤（1）进行耀光初步抑制的辐射能量由微纳光栅红外偏振相机收集成像；所述成像为原始图像；所述微纳光栅红外偏振相机的核心部件包括微纳光栅偏振阵列与红外焦平面，微纳光栅偏振阵列与红外焦平面的像素单元一一对齐，微纳光栅偏振阵列对入射辐射进行偏振调制，经由红外焦平面敏感转化为电信号，从而进一步实现分焦平面式红外偏振成像。
Description
技术领域
本发明属于偏振光学成像技术领域，涉及一种基于微纳光栅红外偏振成像的水面耀光抑制方法。
背景技术
当采用红外成像系统对水面目标进行检测时，如果目标位于太阳耀光区域，目标自身的辐射信息可能完全淹没于太阳的耀光辐射中，这样就难以采用传统的红外成像系统实现目标的检测。根据菲涅尔定律和基尔霍夫定律可知反射辐射为部分偏振光，且垂直方向的偏振分量大于水平方向的偏振分量，基于此可利用太阳耀光的偏振特性对其进行抑制，传统方法主要在光学镜头前加装一片红外偏振片实现水面耀光的抑制，但当水面耀光辐射能量较强时，即使加装偏振片，所得图像可能仍然饱和，这时就需要两片偏振片以一定角度组合对强耀光进行抑制，而双偏振片系统在耀光较弱时可能将目标的辐射能量一同滤除，不具有自适应能力。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于微纳光栅红外偏振成像的水面耀光抑制方法，解决了现有技术中存在的在不同水面耀光能量下基于偏振的水面耀光抑制方法不具自适应能力的问题。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种基于微纳光栅红外偏振成像的水面耀光抑制方法，包含如下步骤：
(1)耀光初步抑制：入射辐射经过外置红外偏振片，实现对耀光的初步抑制；
(2)经过步骤(1)进行耀光初步抑制的辐射能量由微纳光栅红外偏振相机收集成像；所述成像为原始图像；
所述微纳光栅红外偏振相机的核心部件包括微纳光栅偏振阵列与红外焦平面，微纳光栅偏振阵列与红外焦平面的像素单元一一对齐，微纳光栅偏振阵列对入射辐射进行偏振调制，经由红外焦平面敏感转化为电信号，从而进一步实现分焦平面式红外偏振成像。
作为本发明公开的一种基于微纳光栅红外偏振成像的水面耀光抑制方法的优选实施方式：还包含对所述原始图像的原始数据进行处理的步骤：
所述对原始数据进行处理的步骤采用如下公式进行处理：
式中：
α、β--根据经验设置的参数(均为非负实数)；
Ii,j--原始图像数据；
patch–图像窗口，大小为n×n；
Epatch--图像窗口的像素均值；
Vpatch--图像窗口的像素方差；
Pin--输入像素；
Pout--处理结果。
作为本发明公开的一种基于微纳光栅红外偏振成像的水面耀光抑制方法的优选实施方式：所述微纳光栅偏振阵列包括依次紧密排列的若干个最小周期单元，所述最小周期单元是指有着最少像素数的重复单元，称为超像素。每个超像素单元为2×2超像素单元。
作为本发明公开的一种基于微纳光栅红外偏振成像的水面耀光抑制方法的优选实施方式：每个超像素单元均包括两个偏振角度为45°的单元和两个无偏振片的全通单元。
作为本发明公开的一种基于微纳光栅红外偏振成像的水面耀光抑制方法的优选实施方式：每个2×2超像素单元包含两个非偏振全通单元Ⅰ和两个45°偏振单元Ⅱ，两个非偏振全通单元Ⅰ和两个45°偏振单元Ⅱ分别沿两个对角线方向排布。
作为本发明公开的一种基于微纳光栅红外偏振成像的水面耀光抑制方法的优选实施方式：每个2×2超像素单元包含两个非偏振全通单元Ⅰ和两个135°偏振单元Ⅲ，两个非偏振全通单元Ⅰ和两个135°偏振单元Ⅲ分别沿两个对角线方向排布。
作为本发明公开的一种基于微纳光栅红外偏振成像的水面耀光抑制方法的优选实施方式：每个2×2超像素单元包含两个非偏振全通单元Ⅰ、一个45°偏振单元Ⅱ和一个135°偏振单元Ⅲ，两个非偏振全通单元Ⅰ和45°偏振单元Ⅱ、135°偏振单元Ⅲ分别沿两个对角线方向排布。
本发明有益效果是：
本发明通过在微纳光栅偏振阵列中加入非偏振全通单元，结合外置偏振片，可同时获取经过一次偏振调制和经过两次偏振调制的水面耀光抑制数据，实现对不同能量等级水面耀光的抑制，解决了单偏振片系统难以抑制强水面耀光以及双偏振片系统对弱水面耀光过抑制的问题。
附图说明
图1是本发明提出的用于水面耀光抑制的微纳光栅红外偏振成像系统图；
图中，1：入射光，2：红外偏振片，3：微纳光栅红外偏振相机，4：微纳光栅偏振阵列，5：红外焦平面；
图2是微纳光栅偏振阵列结构示意图；
图中，6：2×2超像素单元；在全阵列周期性重复；
图3是微纳光栅偏振阵列2×2超像素单元排布(全通单元+45°偏振单元模式)示意图；
图中，Ⅰ：非偏振全通单元，Ⅱ：45°偏振单元；
图4是微纳光栅偏振阵列2×2超像素单元排布(全通单元+135°偏振单元模式)示意图；
图中，Ⅰ：非偏振全通单元，Ⅲ：135°偏振单元；
图5是微纳光栅偏振阵列2×2超像素单元排布(全通单元+45°偏振单元+135°偏振单元模式)示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例描述本发明具体实施方式：
本发明提供一种基于微纳光栅红外偏振成像的水面耀光抑制方法，主要通过一片红外偏振片与微纳光栅红外偏振相机组成的成像系统实现对不同能量等级水面耀光的抑制。
如图1所示，入射辐射1经过外置红外偏振片2，实现对耀光的初步抑制，然后辐射能量由微纳光栅红外偏振相机3收集成像，微纳光栅红外偏振相机3的核心部件包括微纳光栅偏振阵列4与红外焦平面5，微纳光栅偏振阵列4与红外焦平面5的像素单元一一对齐，微纳光栅偏振阵列4对入射光进行偏振调制，经由红外焦平面5敏感转化为电信号，从而进一步实现分焦平面式红外偏振成像。
图2显示了微纳光栅偏振阵列的一种常规排布模式，包括依次紧密排列的若干个最小周期单元，最小周期单元是指有着最少像素数的重复单元，称为超像素，如虚线框中区域6。如图2所示，每个超像素单元均包括两个偏振角度为45°的单元和两个无偏振片的全通单元。
图3为水面耀光抑制应用的一种微纳光栅偏振阵列排布模式，2×2超像素单元包含两个非偏振全通单元Ⅰ和两个45°偏振单元Ⅱ，两个非偏振全通单元Ⅰ和两个45°偏振单元Ⅱ分别沿两个对角线方向排布，也可对四个子单元进行其它方式的位置排布。
图4为可选择的另外一种微纳光栅偏振阵列排布模式，2×2超像素单元包含两个非偏振全通单元Ⅰ和两个135°偏振单元Ⅲ，两个非偏振全通单元Ⅰ和两个135°偏振单元Ⅲ分别沿两个对角线方向排布，也可对四个子单元进行其它方式的位置排布。
图5为结合图3与图4得到的一种微纳光栅偏振阵列排布模式，2×2超像素单元包含两个非偏振全通单元Ⅰ、一个45°偏振单元Ⅱ和一个135°偏振单元Ⅲ，两个非偏振全通单元Ⅰ和45°偏振单元Ⅱ、135°偏振单元Ⅲ分别沿两个对角线方向排布，也可对四个子单元进行其它方式的位置排布。
图3至图5是三种水面耀光抑制应用可选的三种排布模式，也可根据实际情况进行调整。
现有技术中，采用单红外偏振片的红外偏振成像系统进行水面耀光抑制适用于耀光能量较弱的情况，当耀光能量较强时仍然存在饱和；而采用双红外偏振片的红外偏振成像系统进行水面耀光抑制适用于耀光能量较强的情况，当耀光能量较弱时可能将目标辐射能量同时滤除，二者均存在自适应能力差的问题。
为了实现对不同能量等级水面耀光的抑制，提高自适应能力，本发明提出了将红外偏振片与微纳光栅红外偏振成像相机相结合的方式，并在微纳光栅偏振阵列中设置非偏振全通单元，实现同时获取单偏振片调制数据与双偏振片调制数据，达到对不同能量等级水面耀光的抑制效果。
以微纳光栅偏振阵列排布模式为图3中结构为例，对本发明的工作原理进行说明。如图1中入射辐射1经过外置红外偏振片2后，水面耀光被初步抑制，然后出射辐射经微纳光栅红外偏振相机3镜头收集，再次经过微纳光栅偏振阵列4，部分辐射能量通过阵列中的非偏振全通单元Ⅰ，经由后端红外焦平面5直接转化为电量并成像，此部分像素值则为只经过一次偏振片所获取数据；另外的辐射能量通过阵列中的45°偏振单元Ⅱ，进行二次耀光抑制，经由后端红外焦平面5转化为电量并成像，此部分像素值则为经过两片互成角度偏振片所获取数据。
对于以上所得原始图像数据，本发明提出如下方法对水面耀光进行抑制同时突出感兴趣的目标，对原始数据采用如下公式进行处理：
式中：
α、β--根据经验设置的参数(均为非负实数)；
Ii,j--原始图像数据；
patch–图像窗口，大小为n×n；
Epatch--图像窗口的像素均值；
Vpatch--图像窗口的像素方差；
Pin--输入像素；
Pout--处理结果。
对原始图像进行处理时以patch为单位对全图像进行处理，一般可选取图像patch窗口大小为3×3或5×5，按实际效果而定。式(1)可实现对耀光区域的抑制同时实现对目标的凸显，其原理为：①一般耀光区域与目标区域的偏振特性存在较大的差异，这种差异体现为在耀光区域单次偏振调制通道像素与双次偏振调制通道像素存在较大的差异，而在目标区域两种通道的差异较小，两种通道的差异可以通过计算图像patch窗口内像素的方差来衡量，方差越大说明差异越大，越有可能为耀光区域，反之则越有可能为目标区域；②除了偏振差异，耀光区的另外一个特征是其自身的辐射能量较背景区域强，所以加入均值项的目的就是为了体现耀光区域的能量特征，本发明利用耀光区域的强能量特征将其从暗背景中区分出来，即采用图像patch窗口内像素的均值来衡量，均值越大越可能为耀光。在指数函数框架下综合利用以上两条约束，并根据经验设置参数α和β(均为非负实数)的值，实现更好的耀光抑制效果。
上面结合附图对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化，这些变化涉及本领域技术人员所熟知的相关技术，这些都落入本发明专利的保护范围。
不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。
Claims (7)
1.一种基于微纳光栅红外偏振成像的水面耀光抑制方法，其特征在于，包含如下步骤：
(1)耀光初步抑制：入射辐射经过外置红外偏振片，实现对耀光的初步抑制；
(2)经过步骤(1)进行耀光初步抑制的辐射能量由微纳光栅红外偏振相机收集成像；所述成像为原始图像；
所述微纳光栅红外偏振相机的核心部件包括微纳光栅偏振阵列与红外焦平面，微纳光栅偏振阵列与红外焦平面的像素单元一一对齐，微纳光栅偏振阵列对入射辐射进行偏振调制，经由红外焦平面敏感转化为电信号，从而进一步实现分焦平面式红外偏振成像。
2.如权利要求1所述的一种基于微纳光栅红外偏振成像的水面耀光抑制方法，其特征在于：还包含对所述原始图像的原始数据进行处理的步骤：
所述对原始数据进行处理的步骤采用如下公式进行处理：
式中：
α、β--根据经验设置的参数(均为非负实数)；
Ii,j--原始图像数据；
patch--图像窗口，大小为n×n；
Epatch--图像窗口的像素均值；
Vpatch--图像窗口的像素方差；
Pin--输入像素；
Pout--处理结果。
3.如权利要求1所述的一种基于微纳光栅红外偏振成像的水面耀光抑制方法，其特征在于：所述微纳光栅偏振阵列包括依次紧密排列的若干个最小周期单元，所述最小周期单元是指有着最少像素数的重复单元，称为超像素。每个超像素单元为2×2超像素单元。
4.如权利要求3所述的一种基于微纳光栅红外偏振成像的水面耀光抑制方法，其特征在于：每个超像素单元均包括两个偏振角度为45°的单元和两个无偏振片的全通单元。
5.如权利要求3所述的一种基于微纳米光栅红外偏振成像的水面耀光抑制方法，其特征在于：每个2×2超像素单元包含两个非偏振全通单元Ⅰ和两个45°偏振单元Ⅱ，两个非偏振全通单元Ⅰ和两个45°偏振单元Ⅱ分别沿两个对角线方向排布。
6.如权利要求3所述的一种基于微纳米光栅红外偏振成像的水面耀光抑制方法，其特征在于：每个2×2超像素单元包含两个非偏振全通单元Ⅰ和两个135°偏振单元Ⅲ，两个非偏振全通单元Ⅰ和两个135°偏振单元Ⅲ分别沿两个对角线方向排布。
7.如权利要求3所述的一种基于微纳米光栅红外偏振成像的水面耀光抑制方法，其特征在于：每个2×2超像素单元包含两个非偏振全通单元Ⅰ、一个45°偏振单元Ⅱ和一个135°偏振单元Ⅲ，两个非偏振全通单元Ⅰ和45°偏振单元Ⅱ、135°偏振单元Ⅲ分别沿两个对角线方向排布。
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