CN109781259B - 一种图谱关联的精准测量空中运动小目标红外光谱的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种图谱关联的精准测量空中运动小目标红外光谱的方法，包括：进行大视场扫描以捕获目标，并在捕获到目标时获得目标在当前凝视视场中的图像坐标；根据图像坐标控制伺服跟踪目标以使得目标相对运动至测谱区域，并锁定目标；在目标相对运动至测谱区域的过程中，获取并保存每一帧红外图像及对应的红外宽光谱，计算目标光谱权重并更新对应时刻的红外宽光谱为背景光谱；获得进入测谱区域前的最后一帧红外图像的目标光谱加权系数和背景光谱，获得测谱区域里目标与背景的实时混合谱，从实时混合光谱中解混；从目标在像方的实时光谱中消除大气辐射的影响，以精准获得目标在物方的实时光谱。本发明能够精准测量空中运动小目标的实时红外宽谱。

Description

一种图谱关联的精准测量空中运动小目标红外光谱的方法

技术领域

本发明属于数字图像处理和光谱信息处理的交叉领域，更具体地，涉及一种图谱关联的精准测量空中运动小目标红外光谱的方法。

背景技术

运动状态下的实时目标检测识别技术一直是重要的研究方向，现有的目标探测系统均不能很好适用复杂背景的快速稳定识别。图谱关联探测空中目标是一种新型多模探测方式，它利用不同物体不同的辐射特性，通过目标的辐射光谱进行目标的探测识别。特别是当进行远距离探测或者目标的形态和尺度变化较大时，通过红外图像无法有效识别目标，可以通过光谱信息来进行目标的探测识别，提高目标探测识别的准确率。

对于运动的空中小目标，由于背景及大气衰减的影响，在像方获得的目标光谱数据通常都叠加在大量无用的背景光谱信号上，因此为了获得真实的目标光谱数据，需要从像方捕获的光谱中解混。现有的遥感解混方法，都是针对静止地面目标的，难以从运动的空中小目标中解出真实的目标光谱。此外，由于单元探测器的空间分辨率有限，远距离探测时目标可能只占很少像素，分量小，因此精准实时获得目标光谱存在很大的难度。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种图谱关联的精准测量空中运动小目标红外光谱的方法，其目的在于，精准测量空中运动小目标的实时、精准测谱。

为实现上述目的，本发明提供了一种图谱关联的精准测量空中运动小目标红外光谱的方法，使用图谱协同关联探测设备实现对空中目标的图谱关联探测，包括：

(1)控制伺服进行大视场扫描以捕获目标，并在捕获到所述目标时获得所述目标当前凝视视场中的图像坐标；根据图像坐标控制伺服跟踪目标以使得目标相对运动至测谱区域，并锁定目标；

(2)在目标相对运动至测谱区域的过程中，获取并保存每一帧红外图像及对应的红外宽光谱，在获取到每一帧红外图像的同时计算该帧红外图像对应的目标光谱权重并更新对应时刻的红外宽光谱为背景光谱；

由于空中目标移动速度快，采取递推式取得目标光谱加权系数并实时更新背景光谱，可以在空中运动小目标飞行速度较快、姿态有变化的情况下，保证获取信息的实时性、稳定性和准确性，有效提高所获得的目标光谱的精度；

(3)在目标进入测谱区域时获得目标与背景的实时混合光谱，并获得目标进入测谱区域前图像序列中的最后一帧红外图像所对应的目标光谱加权系数和背景光谱，根据光谱的加权关系从实时混合光谱中解混，以精准获得目标在像方的实时光谱；

(4)从目标在像方的实时光谱中消除大气辐射的影响，以精准获得目标在物方的实时光谱；

其中，目标光谱加权系数为红外图像中目标所占像素数与测谱区域大小的比例。

本发明采用光谱加权系数，即红外图像中目标所占像素数与测谱区域大小的比例，可以在空中目标所占像素数少的情况下有效提高所获得的目标光谱的精度。

进一步地，步骤(1)还包括：在进行视场扫描以捕获目标时，若未捕获到目标，则实时将采集到的红外宽光谱更新为背景光谱，使得在捕获到空中目标时目标即出现在测谱区域的情况下仍然能够获得实时背景光谱。

进一步地，步骤(1)中进行视场扫描的方式为：以凝视视场中心为扫描中心、以螺旋形由近及远扫描，以避免由于速度突变而造成的扫描安全隐患。

进一步地，步骤(2)中，在获取到每一帧红外图像的同时计算该帧红外图像对应的目标光谱权重，包括：

每获取到一帧红外图像Img_i，则对红外图像Img_i进行图像增强和分割，以获得目标在红外图像中所占的像素数N_i；根据像素数N_i和测谱区域大小 N_diaphragm计算红外图像Img_i对应的目标光谱加权系数为：

进一步地，步骤(3)包括：

在目标进入测谱区域时获得图谱协同关联探测设备测得的原始谱曲线并从中减去设备内部谱偏移，以得到目标与背景的实时混合光谱L₀(T,λ)；

获得目标进入测谱区域前图像序列中的最后一帧红外图像对应的目标光谱加权系数α和背景光谱L_b(T,λ)，并根据光谱的加权关系对实时混合光谱L₀(T,λ)中解混，得到目标的实时光谱为：

其中，T表示亮温，λ表示波长。

进一步地，步骤(4)中，从目标在像方的实时光谱中消除大气辐射的影响，所采用的计算公式为：

其中，L_Target′(T,λ)表示目标在物方的实时光谱，L_Target(T,λ)表示目标在像方的实时光谱，T表示亮温，λ表示波长，t表示目标的实时光谱所对应波段的透过率。

解混得到的目标光谱为像方的目标光谱，从像方的目标光谱中减去大气辐射的影响，能够获取到空中目标真实的实时光谱，即物方的目标光谱，从而提高测谱的精准性。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本发明所提供的图谱关联的精准测量空中运动小目标红外光谱的方法，采用光谱加权系数，而不是直接采用目标所占像素数进行解混，可以在遥感探测空中目标所占像素数少的情况下有效提高所获得的目标光谱的精度。

(2)本发明所提供的图谱关联的精准测量空中运动小目标红外光谱的方法，采取递推式取得每一帧红外图像对应的目标光谱加权系数并将对应时刻的红外宽光谱更新为背景光谱，可以在空中运动小目标飞行速度较快、姿态有变化的情况下，保证获取信息的实时性、稳定性和准确性，使得在利用目标光谱加权系数和背景光谱进行解混时，能够有效提高所获得的目标光谱的精度。

(3)本发明所提供的图谱关联的精准测量空中运动小目标红外光谱的方法，从实时混合光谱中减去大气辐射的影响，能够获取到空中目标真实的实时光谱，提高测谱的精准性。

(4)本发明所提供的图谱关联的精准测量空中运动小目标红外光谱的方法，采用图谱关联探测的方式捕获目标，并在捕获到空中目标后通过控制伺服对目标进行跟踪并锁定，实现了对运动的空中小目标的智能化精准测谱。

附图说明

图1为现有的图谱协同关联探测设备示意图；

图2为本发明实施例提供的图谱关联的精准测量空中运动小目标红外光谱的方法；

图3为本发明实施例提供的等距螺旋方式扫描的示意图；

图4为本发明实施例提供的小目标检测跟踪锁定的示意图；

图5为本发明实施例提供的递推式取得目标光谱加权系数示意图；

图6(a)和图6(b)分别为本发明实施例提供的目标相对运动至测谱区域的过程中采集到的两帧图像；

图7(a)和图7(b)分别为图6(a)和图6(b)所示图像增强后的图像；

图8为图1所示图谱协同关联探测设备的视场中心、成像中心和测谱区域的关系示意图；

图9(a)为本发明实施例提供的小目标出现在凝视视场中心的红外图像；图9(b)为图9(a)所示图像增强后的图像；

图10为本发明实施例提供的原始谱曲线；

图11为红外图比例解混后的2-12um像方更精准目标光谱；

图12为除去大气衰减的2-12um物方更精准的目标光谱。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在详细解释本发明的技术方案之前，先对本发明所采用的图谱协同关联探测设备进行简单介绍。在本发明中，所使用的图谱协同关联探测设备如图1所示，包括成像单元和测谱单元，成像单元和测谱单元采用共光路的结构设计，光线经瞄准镜反射至卡式镜头后聚焦，汇集到一个半透半反的分光镜，分光镜反射长波的部分能量用于成像，透过长波的剩余能量及中、短波的全部能量用于成谱；在像面坐标系中，当测谱中心对准目标时，可获得目标的光谱。

在本发明中，所说的小目标，是指在红外图像中所占像素数小于测谱区域大小的目标。以下以珠海航展为测谱场景，以“FTC教练机”作为运动空中小目标，对本发明进行详细说明。在以下实施例中，利用图1所示图谱协同关联探测设备测量“FTC教练机”在2～12um的红外宽光谱。

本发明所提供的图谱关联的精准测量空中运动小目标红外光谱的方法，使用图谱协同关联探测设备实现对空中目标的图谱关联探测，如图2所示，包括：

(1)控制伺服进行大视场扫描以捕获目标，并在捕获到目标时获得目标的在当前凝视视场中的图像坐标(X_target,Y_target)；根据图像坐标 (X_target,Y_target)控制伺服跟踪目标以使得目标相对运动至测谱区域，并锁定目标；

在全视场扫描的过程中，目标的运动不规律，背景也会随着视场的改变而改变，因此常用的背景建模和运动目标检测均不适用于本发明；在本实施例中，在红外探测器的成像面上检测出符合要求的目标后，具体采用多级滤波算法获得目标在当前凝视视场中的图像坐标，以保证获取坐标的准确性；

在一个可选的实施方式中，步骤(1)还包括：在进行视场扫描以捕获目标时，若未捕获到目标，则实时将采集到的红外宽光谱更新为背景光谱 L_b(T,λ)，使得在捕获到空中目标时目标即出现在测谱区域的情况下仍然能够获得实时背景光谱；其中，T表示亮温，λ表示波长；

由于本发明实施例所采用的图谱协同关联探测设备，全视场大小为± 20°×±20°，凝视视场大小为2×2°，红外成像探测器的成像频率为50Hz，根据几何原理，若要求最快的扫描速度，则伺服系统的动作指令应尽可能少；

在一个可选的实施例中，如图3所示，步骤(1)中进行视场扫描的方式具体为：以凝视视场中心为扫描中心、以螺旋形由近及远扫描，以避免由于速度突变而造成的扫描安全隐患；

由于图谱协同关联探测设备只对成像视场中心小区域测量光谱，在目标光谱测量前测量的是局部背景的光谱，通过检测跟踪算法将目标锁定到视场中心(测谱区域)，目标光谱的获取概括起来可以分为3步：“检测——跟踪——锁定”，如图4所示；

(2)在目标相对运动至测谱区域的过程中，获取并保存每一帧红外图像及对应的红外宽光谱，在获取到每一帧红外图像的同时计算该帧红外图像对应的目标光谱权重并更新对应时刻的红外宽光谱为背景光谱；其中，目标光谱加权系数为红外图像中目标所占像素数与测谱区域大小的比例；

由于空中目标移动速度快，采取递推式取得目标光谱加权系数并实时更新背景光谱，可以在空中运动小目标飞行速度较快、姿态有变化的情况下，保证获取信息的实时性、稳定性和准确性，有效提高所获得的目标光谱的精度；

目标相对运动至测谱区域的过程如图5所示，在此过程中，获取到的红外图像依次记为Img₁～Img_n，目标在各帧红外图像中对应地记为S₁～S_n，各帧红外图像对应的目标光谱加权系数对应地依次记为N₁～N_n，利用各帧图像对应的红外宽光谱更新后的背景光谱对应地依次记为L_b1～L_bn；

在一个可选的实施方式中，步骤(2)中，在获取到每一帧红外图像的同时计算该帧红外图像对应的目标光谱权重，，具体包括：

每获取到一帧红外图像Img_i，则对红外图像Img_i进行图像增强以得到红外图像Img_i′；在本发明实施例中，所采用的图像增强方式具体为多级滤波加灰度拉伸，应当理解的是，其他可实现图像增强的方式也可以用于本发明；图像增强能够提高获取目标光谱加权系数的准确性，进行图像增强前，其中两帧红外图像分别如图6(a)和图6(b)所示，对应地，进行图像增强后，两帧图像分别如图7(a)和图7(b)所示；

在红外图像上能清楚分割得到小目标S_i并获得小目标S_i在红外图像中所占的像素数N_i；如图8所示，图谱协同关联探测设备光阑在红外图像上的测谱区域大小N_diaphragm已知，根据像素数N_i和测谱区域大小N_diaphragm计算红外图像Img_i对应的目标光谱加权系数为：

(3)在目标进入测谱区域时获得目标与背景的实时混合光谱，并获得目标进入测谱区域前图像序列中的最后一帧红外图像所对应的目标光谱加权系数和背景光谱，根据光谱的加权关系从实时混合光谱中解混，以精准获得目标的实时光谱；

在一个可选的实施方式中，步骤(3)具体包括：

在目标进入测谱区域时，锁定目标，目标出现在测谱区域的红外图像及增强后的图像分别如图9(a)和图9(b)所示，获得图谱协同关联探测设备测得的原始谱曲线L_M(T,λ)并从中减去设备内部谱偏移L_INS(T,λ)，以得到目标与背景的实时混合光谱L₀(T,λ)；仪器测得的原始谱曲线如图10 所示，根据图10可知，由于空中小目标在视场中像素少占比小，所以仪器测得的原始混合谱中真正空中目标的分量比较小，导致目标红外光谱和背景光谱比较相近，重合度比较高，由目标红外光谱很难识别分类空中目标；

获得目标进入测谱区域前图像序列中的最后一帧红外图像对应的目标光谱加权系数α和背景光谱L_b(T,λ)；

如图5所示，目标进入测谱区域时，上一帧红外图像所对应的目标S_n最接近测谱区域；由于空中目标的运动是连续的，进入测谱区域后，空中目标的姿态和距离不会发生图谱，因此可以将目标进入测谱区域前图像序列中的最后一帧红外图像对应的目标光谱加权系数和背景光谱对应作为目标在测谱区域中的目标光谱加权系数和背景光谱；

实时混合光谱L₀(T,λ)、背景光谱L_b(T,λ)及目标光谱L_target(T,λ)之间满足加权关系：

L_O(T,λ)＝αL_target(T,λ)+(1-α)L_b(T,λ)；

根据光谱的加权关系实时混合光谱L₀(T,λ)中解混，得到目标的实时光谱为：

通过目标光谱加权系数计算得到的实时光谱L_target(T,λ)为像方的目标光谱，解混后目标实时光谱L_target(T,λ)及背景光谱L_b(T,λ)如图11所示，对比图10所示原始谱曲线可知，谱细节含有的指纹信息可以展示出来，与背景谱差异明显；

本发明采用光谱加权系数，即红外图像中目标所占像素数与测谱区域大小的比例，可以在空中目标所占像素数少的情况下有效提高所获得的目标光谱的精度；

(4)从目标在像方的实时光谱L_target(T,λ)中消除大气辐射的影响，以精准获得目标在物方的实时光谱L_Target′(T,λ)；

具体的计算公式为：

t表示目标的实施光谱对应波段的透过率；用MODTRAN设置参数，根据珠海当时的气象条件来选择大气模式、气溶胶及云雨模式、探测的几何方式、波段及分辨率设置等；即可得到2-12um波段的大气透过率t；

从像方目标光谱中减去大气辐射的影响，能够获取到目标在物方的实时光谱L_Target′(T,λ)，从而提高测谱的精准性；目标在2-12um的实时光谱 L_Target′(T,λ)及背景光谱如图12所示，根据图12可知，去除大气衰减的影响后，能够获得目标更为真实、可观的实时光谱，在物方与背景光谱区分更为明显。

总的来说，根据本发明所提供的图谱关联的精准测量空中运动小目标红外光谱的方法，能够实现对运动的空中小目标的实时、精准测谱。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种图谱关联的精准测量空中运动小目标红外光谱的方法，使用图谱协同关联探测设备实现对空中运动小目标的图谱关联探测，其特征在于，包括：

(1)控制伺服进行大视场扫描以捕获目标，并在捕获到所述目标时获得所述目标在当前凝视视场中的图像坐标；根据所述图像坐标控制所述伺服跟踪所述目标以使得所述目标相对运动至测谱区域，并锁定所述目标；

(2)在所述目标相对运动至测谱区域的过程中，获取并保存每一帧红外图像及对应的红外宽光谱，在获取到每一帧红外图像的同时计算该帧红外图像对应的目标光谱权重并更新对应时刻的红外宽光谱为背景光谱；

(3)在所述目标进入所述测谱区域时获得所述目标与背景的实时混合光谱，并获得所述目标进入所述测谱区域前图像序列中的最后一帧红外图像所对应的目标光谱加权系数和背景光谱，根据光谱的加权关系从所述实时混合光谱中解混，以精准获得所述目标在像方的实时光谱；

(4)从所述目标在像方的实时光谱中消除大气辐射的影响，以精准获得所述目标在物方的实时光谱；

所述步骤(4)中，从所述目标在像方的实时光谱中消除大气辐射的影响，所采用的计算公式为：

其中，所述目标光谱加权系数为红外图像中所述目标所占像素数与所述测谱区域大小的比例；L_Target′(T,λ)表示所述目标在物方的实时光谱，L_Target(T,λ)表示所述目标在像方的实时光谱，T表示亮温，λ表示波长，t表示所述目标的实时光谱所对应波段的透过率。

2.如权利要求1所述的图谱关联的精准测量空中运动小目标红外光谱的方法，其特征在于，所述步骤(1)还包括：在进行视场扫描以捕获目标时，若未捕获到所述目标，则实时将采集到的红外宽光谱更新为背景光谱。

3.如权利要求1或2所述的图谱关联的精准测量空中运动小目标红外光谱的方法，其特征在于，所述步骤(1)中进行视场扫描的方式为：以凝视视场中心为扫描中心、以螺旋形由近及远扫描。

4.如权利要求1或2所述的图谱关联的精准测量空中运动小目标红外光谱的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，在获取到每一帧红外图像的同时计算该帧红外图像对应的目标光谱权重，包括：

每获取到一帧红外图像Img_i，则对所述红外图像Img_i进行图像增强和分割，以获得所述目标在所述红外图像中所占的像素数N_i；根据所述像素数N_i和测谱区域大小N_diaphragm计算所述红外图像Img_i对应的目标光谱加权系数为：

5.如权利要求1或2所述的图谱关联的精准测量空中运动小目标红外光谱的方法，其特征在于，所述步骤(3)包括：

在所述目标进入所述测谱区域时获得所述图谱协同关联探测设备测得的原始谱曲线并从中减去设备内部谱偏移，以得到所述目标与背景的实时混合光谱L₀(T,λ)；

获得所述目标进入所述测谱区域前图像序列中的最后一帧红外图像对应的目标光谱加权系数α和背景光谱L_b(T,λ)，并根据光谱的加权关系对所述实时混合光谱L₀(T,λ)中解混，得到所述目标的实时光谱为：

其中，T表示亮温，λ表示波长。

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