CN109490867A - 水面目标偏振遥感探测能力评价方法 - Google Patents

水面目标偏振遥感探测能力评价方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种水面目标偏振遥感探测能力评价方法，包括步骤：通过偏振成像系统获取水面目标与背景的偏振图像数据；对所述水面目标和背景的偏振图像数据进行向量分析；建立目标与背景探测器平面偏振对比度模型；对所述水面目标反射光与所述背景反射光的偏振探测对比度进行离差标准化；获取最佳检偏角。本发明充分考虑了光学遥感检偏器的偏振片在一定检偏角情况下得到目标与背景透过检偏器后的对比情况，按照本发明的评价方法得到的最佳检偏角可以为光学遥感偏振探测器检偏角的确定提供依据。本发明离差标准化后的目标与背景探测器平面偏振对比度模型是非负且归一化的，易于统一评价标准，增加了评价指标的可理解性，具有更广泛的适用性。

Description

水面目标偏振遥感探测能力评价方法
技术领域
本发明涉及水面目标遥感探测领域，尤其涉及一种水面目标偏振遥感探测能力评价方法。
背景技术
传统的目标探测问题是在非偏振的条件下，通过计算目标与背景的可见光强对比度或辐射强度对比度来评价目标探测的能力。传统的偏振目标探测问题通过计算偏振度对比度来评价目标偏振探测的能力。这种方法认为目标与背景的偏振度差异越大，探测到的目标就是更容易从背景中被辨别出来的。该方法的偏振度对比度有介于-1到1之间和大于等于0两种描述方式。
实际上，目标与背景的偏振情况除了偏振度以外还有一个重要的参数是偏振角，上述传统的偏振目标探测问题通过计算偏振度对比度来评价目标偏振探测的能力的方法并未考虑偏振角的情况，仅能反映目标与背景偏振度大小对比，不能说明整个偏振探测最终被探测器接收的强度分布，且存在负值和非归一化导致评价指标可比较性和可理解性较差。
发明内容
本发明公开了一种水面目标偏振遥感探测能力评价方法，包括步骤：
通过偏振成像系统获取水面目标与背景的偏振图像数据，包括步骤：
在所述偏振成像系统中同时放置0°、45°、90°、以及135°四个偏振角度的偏振片；
在所述偏振成像系统中不放入1/4波片情况下，通过所述0°、45°、90°、以及135°四个偏振角度的偏振片获得水面目标反射光和背景反射光的Stokes参数S0、S1和S2；
在所述偏振成像系统中的0°和135°偏振角度的偏振片通道中放入1/4波片，旋转所述1/4波片得到所述水面目标反射光和所述背景反射光的Stokes参数S3；
用所述偏振成像系统获得不同太阳高度角下的水面目标反射光和背景反射光的Stokes参数；
对所述水面目标和背景的偏振图像数据进行向量分析，包括步骤：
建立Stokes参数模型；
利用所述Stokes参数模型，计算得出所述水面目标反射光和所述背景反射光的偏振光强度I、水平方向偏振光强度Q、45°方向偏振光强度U、以及右旋圆偏振光强度V；
通过所述水面目标反射光和所述背景反射光的偏振光强度I、水平方向偏振光强度Q、45°方向偏振光强度U、以及右旋圆偏振光强度V，计算得出所述水面目标反射光和所述背景反射光的偏振度DOP；
通过所述水面目标反射光和所述背景反射光的偏振度DOP，计算出所述水面目标反射光和所述背景反射光的自然光强度；
通过所述水面目标反射光和所述背景反射光的45°方向偏振光强度U和水平方向偏振光强度Q，计算出所述水面目标反射光和所述背景反射光的偏振角PA；
建立目标与背景探测器平面偏振对比度模型，包括步骤：
建立所述目标与背景探测器平面偏振对比度模型，模型为：
其中，INi为水面目标反射光的自然光强度；IPi为水面目标反射光的线偏振光强度；INw为背景反射光的自然光强度；IPw为背景反射光的线偏振光强度；θi为水面目标反射光的偏振角；θw为背景反射光的偏振角；为光学遥感检偏器的检偏角，范围在0-π之间；
通过所述目标与背景探测器平面偏振对比度模型计算得到所述水面目标反射光与所述背景反射光的偏振探测对比度；
对所述水面目标反射光与所述背景反射光的偏振探测对比度进行离差标准化，包括步骤：
建立偏振探测对比度归一化模型；
通过所述偏振探测对比度归一化模型，计算得出归一化后的所述水面目标反射光与所述背景反射光的偏振探测对比度；
获取最佳检偏角。
优选地，所述Stokes参数模型为：
其中，I为偏振光强度；Q为水平方向偏振光强度；U为45°方向偏振光强度；V为右旋圆偏振光强度；I(0°，0)为水平方向、位相差为0的偏振光强度；I(90°，0)为90°方向、位相差为0的偏振光强度；I(45°，0)为45°方向、位相差为0的偏振光强度；I(135°，0)为135°方向、位相差为0的偏振光强度；为45°方向、位相差为的偏振光强度；为135°方向、位相差为的偏振光强度。
优选地，所述偏振度DOP计算公式为：
其中，IP为线偏振光强度，即为所述偏振光强度I；IN为自然光强度。
优选地，所述偏振角PA计算公式为：
优选地，所述偏振探测对比度归一化模型为：
其中，C*为归一化后的偏振探测对比度；Cmin为偏振探测对比度的最小值；Cmax为偏振探测对比度的最大值。
优选地，C*取得最大值时的光学遥感检偏器的检偏角为所述最佳检偏角。
与现有技术相比，本发明提供的水面目标偏振遥感探测能力评价方法，达到如下有益效果：
第一，本发明充分考虑了光学遥感检偏器的偏振片在一定检偏角情况下得到目标与背景透过检偏器后的对比情况，更能反映探测器接收到的真实强度分布，按照本发明的评价方法得到的最佳检偏角可以为光学遥感偏振探测器检偏角的确定提供依据。
第二，本发明离差标准化后的目标与背景探测器平面偏振对比度模型是非负且归一化的，易于统一评价标准，增加了评价指标的可理解性，具有更广泛的适用性。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例1中水面目标偏振遥感探测能力评价方法的流程图；
图2为本发明实施例3中水面目标偏振遥感探测能力评价方法的对比度初始结果图；
图3为本发明实施例3中水面目标偏振遥感探测能力评价方法的归一化后对比度结果图；
图4为本发明实施例3中水面目标偏振遥感探测能力评价方法的最佳检偏角结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。应注意到，所描述的实施例实际上仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，且实际上仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
实施例1：
参见图1所示为本申请所述水面目标偏振遥感探测能力评价方法的具体实施例，该方法包括：
步骤101、通过偏振成像系统获取水面目标与背景的偏振图像数据，包括步骤：
在所述偏振成像系统中同时放置0°、45°、90°、以及135°四个偏振角度的偏振片；
在所述偏振成像系统中不放入1/4波片情况下，通过所述0°、45°、90°、以及135°四个偏振角度的偏振片获得所述水面目标反射光和所述背景反射光的Stokes参数S0、S1和S2；
在所述偏振成像系统中的0°和135°偏振角度的偏振片通道中放入1/4波片，旋转所述1/4波片得到所述水面目标反射光和所述背景反射光的Stokes参数S3；
用所述偏振成像系统获得不同太阳高度角下的水面目标反射光和背景反射光的Stokes参数；
步骤102、对所述水面目标和背景的偏振图像数据进行向量分析，包括步骤：
建立Stokes参数模型；
利用所述Stokes参数模型，计算得出所述水面目标反射光和所述背景反射光的偏振光强度I、水平方向偏振光强度Q、45°方向偏振光强度U、以及右旋圆偏振光强度V；
通过所述水面目标反射光和所述背景反射光的偏振光强度I、水平方向偏振光强度Q、45°方向偏振光强度U、以及右旋圆偏振光强度V，计算得出所述水面目标反射光和所述背景反射光的偏振度DOP；
通过所述水面目标反射光和所述背景反射光的偏振度DOP，计算出所述水面目标反射光和所述背景反射光的自然光强度；
通过所述水面目标反射光和所述背景反射光的45°方向偏振光强度U和水平方向偏振光强度Q，计算出所述水面目标反射光和所述背景反射光的偏振角PA；
步骤103、建立目标与背景探测器平面偏振对比度模型，包括步骤：
建立所述目标与背景探测器平面偏振对比度模型，模型为：
其中，INi为水面目标反射光的自然光强度；IPi为水面目标反射光的线偏振光强度；INw为背景反射光的自然光强度；IPw为背景反射光的线偏振光强度；θi为水面目标反射光的偏振角；θw为背景反射光的偏振角；为光学遥感检偏器的检偏角，范围在0-π之间；
通过所述目标与背景探测器平面偏振对比度模型计算得到所述水面目标反射光与所述背景反射光的偏振探测对比度；
步骤104、对所述水面目标反射光与所述背景反射光的偏振探测对比度进行离差标准化，包括步骤：
建立偏振探测对比度归一化模型；
通过所述偏振探测对比度归一化模型，计算得出归一化后的所述水面目标反射光与所述背景反射光的偏振探测对比度；
步骤105、获取最佳检偏角。
实施例2：
本申请提供了水面目标偏振遥感探测能力评价方法的另一个实施例，该方法包括：
步骤201、通过偏振成像系统获取水面目标与背景的偏振图像数据，包括步骤：
在所述偏振成像系统中同时放置0°、45°、90°、以及135°四个偏振角度的偏振片；
在所述偏振成像系统中不放入1/4波片情况下，通过所述0°、45°、90°、以及135°四个偏振角度的偏振片获得所述水面目标反射光和所述背景反射光的Stokes参数S0、S1和S2；
在所述偏振成像系统中的0°和135°偏振角度的偏振片通道中放入1/4波片，旋转所述1/4波片得到所述水面目标反射光和所述背景反射光的Stokes参数S3；
用所述偏振成像系统获得不同太阳高度角下的水面目标反射光和背景反射光的Stokes参数；
步骤202、对所述水面目标和背景的偏振图像数据进行向量分析，包括步骤：
建立Stokes参数模型；
利用所述Stokes参数模型，计算得出所述水面目标反射光和所述背景反射光的偏振光强度I、水平方向偏振光强度Q、45°方向偏振光强度U、以及右旋圆偏振光强度V；
通过所述水面目标反射光和所述背景反射光的偏振光强度I、水平方向偏振光强度Q、45°方向偏振光强度U、以及右旋圆偏振光强度V，计算得出所述水面目标反射光和所述背景反射光的偏振度DOP；
通过所述水面目标反射光和所述背景反射光的偏振度DOP，计算出所述水面目标反射光和所述背景反射光的自然光强度；
通过所述水面目标反射光和所述背景反射光的45°方向偏振光强度U和水平方向偏振光强度Q，计算出所述水面目标反射光和所述背景反射光的偏振角PA；
步骤203、建立目标与背景探测器平面偏振对比度模型，包括步骤：
建立所述目标与背景探测器平面偏振对比度模型，模型为：
其中，INi为水面目标反射光的自然光强度；IPi为水面目标反射光的线偏振光强度；INw为背景反射光的自然光强度；IPw为背景反射光的线偏振光强度；θi为水面目标反射光的偏振角；θw为背景反射光的偏振角；为光学遥感检偏器的检偏角，范围在0-π之间；
通过所述目标与背景探测器平面偏振对比度模型计算得到所述水面目标反射光与所述背景反射光的偏振探测对比度；
步骤204、对所述水面目标反射光与所述背景反射光的偏振探测对比度进行离差标准化，包括步骤：
建立偏振探测对比度归一化模型；
通过所述偏振探测对比度归一化模型，计算得出归一化后的所述水面目标反射光与所述背景反射光的偏振探测对比度；
步骤205、获取最佳检偏角。
上述步骤202中，所述Stokes参数模型为：
其中，I为偏振光强度；Q为水平方向偏振光强度；U为45°方向偏振光强度；V为右旋圆偏振光强度；I(0°，0)为水平方向、位相差为0的偏振光强度；I(90°，0)为90°方向、位相差为0的偏振光强度；I(45°，0)为45°方向、位相差为0的偏振光强度；I(135°，0)为135°方向、位相差为0的偏振光强度；为45°方向、位相差为的偏振光强度；为135°方向、位相差为的偏振光强度。
所述偏振度DOP计算公式为：
其中，IP为线偏振光强度，即为所述偏振光强度I；IN为自然光强度。
所述偏振角PA计算公式为：
上述步骤204中，所述偏振探测对比度归一化模型为：
其中，C*为归一化后的偏振探测对比度；Cmin为偏振探测对比度的最小值；Cmax为偏振探测对比度的最大值。
其中，C*取得最大值时的光学遥感检偏器的检偏角为所述最佳检偏角。
实施例3：
本申请所述水面目标偏振遥感探测能力评价方法的一个实用型实施例。
步骤301、获取水面钢板的偏振图像；
首先用偏振相机进行拍摄，获取一组水面钢板的偏振图像，具体步骤为：
1)将偏振成像系统架设在室外平坦光线充足的场地(例如操场)，模拟卫星偏振成像，并连接好电路及图像采集设备等；
2)同时放置0°、45°、90°和135°四个偏振角度的偏振片以获得不同偏振角度的图像；
3)首先不用1/4波片，通过四个通道的不同偏振角度偏振片获得Stokes参数S0、S1和S2，接着在成像系统中的偏振角度45°和135°通道中插入1/4波片，通过旋转波片得到Stokes参数S3；
4)分别在不同的太阳高度角情况下对同一场景重复步骤3),完成一组图像的采集。
步骤302、对图像数据进行向量分析；
偏振相机获取的数据是一组不同偏振角，不同位相延迟的偏振数据，进行一定的预处理后，对已处理图像采用向量分析的方法对偏振数据进行分析。
G.G.Stokes引入四个参数(Stokes向量，S＝[S0，S1，S2，S3])来描述偏振信息，这4个参数都是光强的时间平均值(时间间隔长到可以测量)，所描述的信息便于用各种成像设备间接或直接测量得，并且测量方式简便容易实现，其定义公式如下：
其中，I为偏振光强度；Q为水平方向偏振光强度；U为45°方向偏振光强度；V为右旋圆偏振光强度；I(0°，0)为水平方向、位相差为0的偏振光强度；I(90°，0)为90°方向、位相差为0的偏振光强度；I(45°，0)为45°方向、位相差为0的偏振光强度；I(135°，0)为135°方向、位相差为0的偏振光强度；为45°方向、位相差为的偏振光强度；为135°方向、位相差为的偏振光强度。
在获得了反射光的Stokes参数后，即可得到偏振光的偏振度(DOP)，DOP表示为：
IP表示线偏振光强即Stokes向量中的I，IN表示自然光强，在已知DOP和IP的情况下可以由上述公式得出IN。
偏振角(Polarization Angle，PA)表示辐射两个分量之间的相位差：
步骤303、建立钢板与水探测器平面偏振对比度模型；
建立探测器接收信号的绝对强度比值对比度模型：钢板偏振器消光后结果与水体偏振器消光后结果之比；
模型如下所示：
其中，INi为钢板反射光的自然光强度；IPi为钢板反射光的线偏振光强度；INw为水反射光的自然光强度；IPw为水反射光的线偏振光强度；θi为钢板反射光的偏振角；θw为水反射光的偏振角；为光学遥感检偏器的检偏角，范围在0-π之间。在不同太阳高度角下的对比度初始结果参见表1和图2，表1中检偏角只选取了几个点作为示例，实际计算时，检偏角取值为0-π之间连续的数。
表1对比度初始结果
步骤304、离差标准化；
如步骤303中所述的模型是一个绝对强弱对比，结果可能大于1，为方便比较和统一评价的指标，需要对步骤303中所建模型求出的对比度进行归一化，即数据标准化。选取离差标准化的方法将对比度归一，完成线性映射。归一化公式如下所示：
其中，C*为归一化后的偏振探测对比度；Cmin为一组偏振探测对比度的最小值；Cmax为一组偏振探测对比度的最大值。不同太阳高度角下的归一化后的对比度结果参见表2和图3，表2中检偏角只选取了几个点作为示例，实际计算时，检偏角取值为0-π之间连续的数。
表2归一化后的对比度结果
步骤305、求取最佳检偏角；结果参见图4所示；
我们所建立的非负归一化的钢板与水探测器平面偏振对比度，是在一定检偏角下的评价方法，光学遥感检偏器的检偏角取值范围在0-π之间，对应的C*取值也有变化，C*取得最大值的检偏角即为探测器平面所能获得的最大的钢板和水体对比度所对应的最佳检偏角。
本实施例给出了探测器层面的钢板偏振探测能力评价方法，比原有的仅考虑偏振度未加入偏振角不能反映到达探测器强度的实际分布的简单偏振度对比度模型具有更加贴合实际的意义，并且建立了非负归一化的模型，具有更加广泛的适用性。
通过以上各实施例可知，本申请存在的有益效果是：
第一，本发明充分考虑了光学遥感检偏器的偏振片在一定检偏角情况下得到目标与背景透过检偏器后的对比情况，更能反映探测器接收到的真实强度分布，按照本发明的评价方法得到的最佳检偏角可以为光学遥感偏振探测器检偏角的确定提供依据。
第二，本发明离差标准化后的目标与背景探测器平面偏振对比度模型是非负且归一化的，易于统一评价标准，增加了评价指标的可理解性，具有更广泛的适用性。
上面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种水面目标偏振遥感探测能力评价方法，其特征在于，包括步骤：
通过偏振成像系统获取水面目标与背景的偏振图像数据，包括步骤：
在所述偏振成像系统中同时放置0°、45°、90°、以及135°四个偏振角度的偏振片；
在所述偏振成像系统中不放入1/4波片情况下，通过所述0°、45°、90°、以及135°四个偏振角度的偏振片获得水面目标反射光和背景反射光的Stokes参数S0、S1和S2；
在所述偏振成像系统中的0°和135°偏振角度的偏振片通道中放入1/4波片，旋转所述1/4波片得到所述水面目标反射光和所述背景反射光的Stokes参数S3；
用所述偏振成像系统获得不同太阳高度角下的水面目标反射光和背景反射光的Stokes参数；
对所述水面目标和背景的偏振图像数据进行向量分析，包括步骤：
建立Stokes参数模型；
利用所述Stokes参数模型，计算得出所述水面目标反射光和所述背景反射光的偏振光强度I、水平方向偏振光强度Q、45°方向偏振光强度U、以及右旋圆偏振光强度V；
通过所述水面目标反射光和所述背景反射光的偏振光强度I、水平方向偏振光强度Q、45°方向偏振光强度U、以及右旋圆偏振光强度V，计算得出所述水面目标反射光和所述背景反射光的偏振度DOP；
通过所述水面目标反射光和所述背景反射光的偏振度DOP，计算出所述水面目标反射光和所述背景反射光的自然光强度；
通过所述水面目标反射光和所述背景反射光的45°方向偏振光强度U和水平方向偏振光强度Q，计算出所述水面目标反射光和所述背景反射光的偏振角PA；
建立目标与背景探测器平面偏振对比度模型，包括步骤：
建立所述目标与背景探测器平面偏振对比度模型，模型为：
其中，INi为水面目标反射光的自然光强度；IPi为水面目标反射光的线偏振光强度；INw为背景反射光的自然光强度；IPw为背景反射光的线偏振光强度；θi为水面目标反射光的偏振角；θw为背景反射光的偏振角；为光学遥感检偏器的检偏角，范围在0-π之间；
通过所述目标与背景探测器平面偏振对比度模型计算得到所述水面目标反射光与所述背景反射光的偏振探测对比度；
对所述水面目标反射光与所述背景反射光的偏振探测对比度进行离差标准化，包括步骤：
建立偏振探测对比度归一化模型；
通过所述偏振探测对比度归一化模型，计算得出归一化后的所述水面目标反射光与所述背景反射光的偏振探测对比度；
获取最佳检偏角。
2.根据权利要求1所述的水面目标偏振遥感探测能力评价方法，其特征在于，所述Stokes参数模型为：
其中，I为偏振光强度；Q为水平方向偏振光强度；U为45°方向偏振光强度；V为右旋圆偏振光强度；I(0°，0)为水平方向、位相差为0的偏振光强度；I(90°，0)为90°方向、位相差为0的偏振光强度；I(45°，0)为45°方向、位相差为0的偏振光强度；I(135°，0)为135°方向、位相差为0的偏振光强度；为45°方向、位相差为的偏振光强度；为135°方向、位相差为的偏振光强度。
3.根据权利要求1所述的水面目标偏振遥感探测能力评价方法，其特征在于，所述偏振度DOP计算公式为：
其中，IP为线偏振光强度，即为所述偏振光强度I；IN为自然光强度。
4.根据权利要求1所述的水面目标偏振遥感探测能力评价方法，其特征在于，所述偏振角PA计算公式为：
5.根据权利要求1所述的水面目标偏振遥感探测能力评价方法，其特征在于，所述偏振探测对比度归一化模型为：
其中，C*为归一化后的偏振探测对比度；Cmin为偏振探测对比度的最小值；Cmax为偏振探测对比度的最大值。
6.根据权利要求5所述的水面目标偏振遥感探测能力评价方法，其特征在于，C*取得最大值时的光学遥感检偏器的检偏角为所述最佳检偏角。
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