CN113310851B - 一种实时浑浊介质目标识别系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种实时浑浊介质目标识别系统，包括颗粒物探测器和目标探测器，颗粒物探测器现场测量包含颗粒物的浑浊介质的偏振光散射信息，建立和更新浑浊介质的偏振光散射物理模型，偏振光散射物理模型模拟在偏振光照射下浸在浑浊介质中的待测目标的偏振图像，通过模型计算，获得对现场待测目标的最佳偏振照明‑检测组合测量方式，目标探测器控制照明光源与偏振检测器按照最佳偏振照明‑检测组合测量方式，实施现场偏振图像的测量，获得使浑浊介质中的待测目标具有最大对比度的偏振图像，以识别浑浊介质中的待测目标。利用现场测量获得的信息，获得最佳偏振照明‑检测组合，让待测目标的对比度最高、分辨率最好，极大地提高了对现场目标识别的准确度。

Description

一种实时浑浊介质目标识别系统和方法

技术领域

本发明涉及一种实时浑浊介质目标识别系统和方法。

背景技术

利用光学成像方法对潜在目标识别是运用最广泛、效果最佳的方法。浑浊介质中的目标识别是一个挑战，同时具有重要的现实意义。在水下环境中，水体颗粒物吸收、散射主动照明光或者太阳光，使得水中生物(鱼等)、非生物(矿石、航行器等)目标的光学成像图像变得扭曲和模糊，对比度变差，不利于它们的识别。在雾霾天气中，气溶胶、灰尘颗粒的散射易构成识别障碍，使得探测特征丢失，待测目标的光学图像变得模糊。浑浊介质中颗粒物的散射效应是导致光学成像质量下降、目标识别准确度差的主要原因，特别是对于快速移动的平台，比如潜水器、汽车等，对在浑浊水体和空气中的目标识别要求很高。

传统的选通方法，比如时间选通方法、距离选通方法，利用光在浑浊介质中的弹道光子经历时间、路径最短的原理，可以减轻颗粒物(多次)散射造成的影响，但它需要脉冲光照明、结构复杂、价格昂贵，不利于在大范围内推广。光谱选通方法利用不同波长的光在浑浊介质中传播属性不同，采用对颗粒物散射不敏感的特殊波长光照明和检测，减少浑浊介质对光学成像的影响，提高图像对比度。偏振选通方法采用偏振光照射浑浊介质中的目标，并检测散射光的偏振图像，利用颗粒和目标的偏振特性降低噪音、提高待测目标的图像对比度。另外，当前还流行一类基于大数据方法的选通方法，但实时性和通用性较差，对现场目标识别的准确度不高。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的主要目的在于克服上述背景技术的缺陷，提供一种实时浑浊介质目标识别系统和方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种实时浑浊介质目标识别系统，包括颗粒物探测器和目标探测器，所述颗粒物探测器现场测量包含颗粒物的浑浊介质的偏振光散射信息，建立和更新所述浑浊介质的偏振光散射物理模型，所述偏振光散射物理模型模拟在偏振光照射下浸在所述浑浊介质中的待测目标的偏振图像，通过模型计算，获得对现场待测目标的最佳偏振照明-检测组合测量方式，所述目标探测器控制照明光源与偏振检测器按照所述最佳偏振照明-检测组合测量方式，实施现场偏振图像的测量，获得使所述浑浊介质中的待测目标具有最大对比度的偏振图像，以识别浑浊介质中的待测目标。

进一步地：

所述颗粒物探测器现场测量浑浊介质的偏振光散射信息包括：所述颗粒物探测器的发射端光源发出的光经过起偏器形成特定偏振态的光照射所述浑浊介质，所述颗粒物探测器的接收端的偏振检测器测量从浑浊介质中待测目标和颗粒物出射光的光强、偏振数据，通过不同偏振态照明光照射下所述偏振检测器获得的光强、偏振数据评估待测目标的对比度，确定所述最佳偏振照明-检测组合，以使得待测目标与介质背景的对比度最大。

所述偏振光散射物理模型描述光在浑浊介质中的传输过程，以及光的方向、强度、偏振态在浑浊介质中的变化情况，通过所述偏振光散射物理模型可计算、评估不同偏振态的光照明被颗粒物以及待测目标散射、衰减的过程。

所述颗粒物探测器现场测量所述浑浊介质中的颗粒物信息，包括颗粒物的大小、种类、结构、浓度。

所述偏振检测器获得的偏振图像包含颗粒物信息和待测目标信息，以及它们之间的相互耦合项；识别所述浑浊介质中的待测目标时，若待测目标与颗粒物的偏振响应不同，通过寻找对待测目标散射敏感、颗粒物散射不敏感的偏振参数，将待测目标从所述偏振图像中分离出来。

还包括预先建立的颗粒物及目标的偏振数据库，用于供所述偏振光散射物理模型调用其偏振数据，以及进行类别的分析和关键特征提取以快速识别出待测目标。

在所述浑浊介质中的待测目标与设备成像的距离设定为最远距离下，获得使所述浑浊介质中的待测目标具有最大对比度的偏振图像。

所述颗粒物探测器和所述目标探测器分开设置在联网的不同装备上。

所述颗粒物探测器和所述目标探测器集成在单一装备上。

一种实时浑浊介质目标识别方法，使用所述的系统进行实时浑浊介质目标识别。

本发明具有如下有益效果：

本发明提供一种实时地浑浊介质中目标识别的系统，通过现场测量浑浊介质中颗粒物信息，建立浑浊介质的偏振光散射现场物理模型，结合偏振技术的运用，利用该物理模型进行计算，获得对现场目标的最佳偏振照明-检测组合测量方式，实现对现场待测目标成像的最大对比度，减少真实浑浊介质中成像出现的模糊、扭曲、信息丢失的影响，提高图像对比度，从而实现在任意浑浊介质中目标的有效识别，提高目标识别的准确度。相比于其他目标识别成像方法，本发明具有实时性和普适性，利用现场测量获得的信息，获得最佳偏振照明-检测组合，让待测目标的对比度最高、分辨率最好，从而极大地提高了对现场目标识别的准确度。

附图说明

图1为本发明实施例的实时浑浊介质目标识别系统原理示意图。

图2为本发明一种实施例的实时浑浊介质目标识别系统结构图。

图3为本发明另一种实施例的实时浑浊介质目标识别系统结构图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式做详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合或连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

参阅图1至图3，本发明实施例提供一种实时浑浊介质目标识别系统，包括颗粒物探测器和目标探测器，所述颗粒物探测器现场测量包含颗粒物2的浑浊介质1的偏振光散射信息，建立和更新所述浑浊介质1的偏振光散射物理模型，所述偏振光散射物理模型模拟在偏振光照射下浸在所述浑浊介质1中的待测目标3的偏振图像，通过模型计算，获得对现场待测目标3的最佳偏振照明-检测组合测量方式，所述目标探测器控制照明光源与偏振检测器按照所述最佳偏振照明-检测组合测量方式，实施现场偏振图像的测量，获得使所述浑浊介质1中的待测目标3具有最大对比度的偏振图像，以识别浑浊介质1中的待测目标3。

在优选的实施例中，所述颗粒物探测器现场测量浑浊介质1的偏振光散射信息包括：所述颗粒物探测器的发射端光源发出的光经过起偏器形成特定偏振态的光照射所述浑浊介质1，所述颗粒物探测器的接收端的偏振检测器测量从浑浊介质1中待测目标3和颗粒物2出射光的光强、偏振数据，通过不同偏振态照明光照射下所述偏振检测器获得的光强、偏振数据评估待测目标3的对比度，确定所述最佳偏振照明-检测组合，以使得待测目标3与介质背景的对比度最大。

在优选的实施例中，所述偏振光散射物理模型描述光在浑浊介质1中的传输过程，以及光的方向、强度、偏振态在浑浊介质1中的变化情况，通过所述偏振光散射物理模型可计算、评估不同偏振态的光照明被颗粒物2以及待测目标3散射、衰减的过程。

在优选的实施例中，所述颗粒物探测器现场测量所述浑浊介质1中的颗粒物信息，包括颗粒物2的大小、种类、结构、浓度。

在优选的实施例中，所述偏振检测器获得的偏振图像包含颗粒物信息和待测目标信息，以及它们之间的相互耦合项；识别所述浑浊介质1中的待测目标3时，若待测目标3与颗粒物2的偏振响应不同，通过寻找对待测目标3散射敏感、对颗粒物2散射不敏感的偏振参数，将待测目标3从所述偏振图像中分离出来。

在优选的实施例中，本系统还包括预先建立的颗粒物及目标的偏振数据库，用于供所述偏振光散射物理模型调用其偏振数据，以及进行类别的分析和关键特征提取以快速识别出待测目标。

在优选的实施例中，在所述浑浊介质中的待测目标与设备成像的距离设定为最远距离下，获得使所述浑浊介质中的待测目标具有最大对比度的偏振图像。

在一种实施例中，所述颗粒物探测器和所述目标探测器可以分开设置在相互联网的不同装备上。

另一些实施例中，所述颗粒物探测器和所述目标探测器可集成在单一装备上。

在另一种实施例中，一种实时浑浊介质目标识别方法，使用所述的系统进行实时浑浊介质目标识别。

以下进一步描述本发明具体实施例。

如图1为系统的原理示意图。光源发出的经过起偏器形成特定偏振态的光照射浑浊介质1，浑浊介质1中包含有大量颗粒物2，待测目标3放在浑浊介质1中。接收端放在某个(比如后向)散射角度处，接收从待测目标和颗粒物的偏振光散射信号。物理模型描述光在浑浊介质中的传输过程，以及光的方向、强度、偏振态在浑浊介质中的变化情况，可以计算、评估不同偏振态的照明被颗粒物、待测目标散射、衰减的过程。接收端的偏振检测器可以测量从浑浊介质中出射光的光强、偏振数据。通过评估不同偏振态照明光照射下，偏振检测器获得的光强、偏振信号中待测目标的对比度，可以确定最佳偏振照明-检测组合，使得待测目标与介质背景的对比度最大。照明光源与偏振检测器按照模型给出的最佳偏振照明-检测组合，实施现场偏振图像测量，获得最大对比度的图像，为待测目标的识别提供数据支撑。

本发明的实时浑浊介质目标识别方案的特点和优势体现为：

1)实时性。其核心是现场测量颗粒物信息，实时更新浑浊介质的偏振光散射模型，并给出当前情形下最佳的偏振照明-检测组合，实现浑浊介质中目标成像的对比度最高。现场测量了颗粒物信息，其中包括颗粒物的大小、种类、结构、浓度等。浑浊介质的偏振光散射模型会根据颗粒物信息进行更新。由模型可以模拟在偏振光照射下浸在浑浊介质中的待测目标的偏振图像。经过数据分析可以得到最佳偏振照明-检测组合，它可以让偏振图像中待测目标与背景的对比度最大，从而能够提高目标识别的准确率。由于浑浊介质中颗粒物信息是现场测量的，它可以保证目标对比度总是最高，所以该方案的最大优势是它的实时性，实时性确保了该方案的普适性。

实时性并不排斥在系统中事先包含大量颗粒物及目标物的偏振数据库，因此可以将需要探测到的目标物进行迅速界定判别。起偏器调制出判别这种目标最适合的偏振光，检偏器检测出目标偏振图像数据；从数据库中找到可以实现高对比度的偏振参数，从而能够准确，快速识别出目标物。

2)高对比度。偏振特性是物质的物理属性。当偏振照明光照射浑浊介质以及其中的待测目标，偏振检测器可以获得偏振图像，它同时包含颗粒物信息和待测目标信息，以及它们之间的相互耦合项。若待测目标与颗粒物的偏振响应不同，就可以通过寻找对待测目标散射敏感、颗粒物散射不敏感的偏振参数，将待测目标从偏振图像中分离出来。其中一个衡量标准是待测目标与背景的对比度。高对比度是模型在寻找偏振照明-检测组合的目标函数，最佳组合会导致最高对比度。

在浑浊介质中待测目标与设备成像的距离是变化的，所以本方案中设定为最远距离。即在某个最远距离要求下，采用本方案实现偏振图像中目标的最大对比度。可以想见，在小于最远距离时，偏振图像中目标的对比度会增加。另外一方面，也可以在物理建模设定对比度进而追求最远距离。

由于应用场合的复杂性，目标的偏振性质可能未知。该方案可以积累待测目标的偏振特性，建立待测目标偏振数据库。针对那些已知目标的识别，物理模型可以直接调用其偏振数据。同时，对多种目标进行类别分析和关键特征提取，比如粗糙表面目标(岩石、地面等)、光滑界面目标(鱼、车、航行器等)。在针对未知、陌生目标识别时，在物理模型中可以遍历这些类别，从而对未知、陌生目标的归类和等效，提高目标的识别效果。

由于浑浊介质的多样和复杂，最大对比度不一定是高对比度，特别是在散射系数过大或者目标离光源和探测器太远时。但是，该方案由于实时更新了模型中颗粒物信息，它得到的对比度要高于传统方案。

具体实施例可以采用如下两种实现方式，一种是物联网共享式的实现方式，第二种是单一装备集成的实现方式。

图2所示为物联网共享式的实现方式，即浑浊介质中的颗粒物信息被一个实时探测平台测量得到，这些信息分享给该区域的其他目标探测器，协助他们在浑浊介质中识别目标。举例来说。一群无人深潜器潜入某片海域，一台探测深潜器实时、现场测量颗粒物水体颗粒物信息，经过模型计算给出适用于该浑浊介质的最佳偏振照明-检测组合方案，分享给其他深潜器，协助其他对目标成像与识别。其他深潜器按照方案实施偏振照明和成像，实现对待测目标的有效识别。这种技术也可以用于复杂天气条件下汽车安全行驶。比如总台(或其他机构)发布大气中颗粒物信息，模型计算可以给出最佳偏振-检测组合，并分享给该区域的所有汽车；每台汽车根据这方案可以识别公路上目标，比如其他汽车或障碍物，从而实现在复杂天气下的安全驾驶。

图3所示为单一装备集成的实现方式。颗粒物探测装置和目标识别装置集成在单一装备上。颗粒物信息被探测并实时提供给目标识别装置。单一装备经过计算后得到当前最佳偏振照明-检测组合，并实施获得目标对比度最大的图像，从而进行有效的目标识别。比如，载人潜器自带颗粒物传感器，现场决定、实施对水下目标的识别方案。

本发明通过现场测量浑浊介质颗粒物，建立和更新浑浊介质的偏振光散射物理模型，获得对现场待测目标的最佳偏振照明-检测组合测量方式，保证了浑浊介质光学模型的准确性、实用性，模拟计算给出的最佳偏振照明-检测组合可以有效提高目标成像的对比度。由于模型可以随着现场颗粒物信息更新，保证了本发明对浑浊介质中目标识别的实时性、通用性。因此，本发明可以准确度高、实时好、通用性强，适合在任意浑浊介质中的目标识别。

本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

Claims (9)

1.一种实时浑浊介质目标识别系统，其特征在于，包括颗粒物探测器和目标探测器，所述颗粒物探测器现场测量包含颗粒物的浑浊介质的偏振光散射信息，建立和更新所述浑浊介质的偏振光散射物理模型，所述偏振光散射物理模型模拟在偏振光照射下浸在所述浑浊介质中的待测目标的偏振图像，通过模型计算，获得对现场待测目标的最佳偏振照明-检测组合测量方式，所述目标探测器控制照明光源与偏振检测器按照所述最佳偏振照明-检测组合测量方式，实施现场偏振图像的测量，获得使所述浑浊介质中的待测目标具有最大对比度的偏振图像，以识别浑浊介质中的待测目标，所述偏振检测器获得的偏振图像包含颗粒物信息和待测目标信息，以及它们之间的相互耦合项；识别所述浑浊介质中的待测目标时，若待测目标与颗粒物的偏振响应不同，通过寻找对待测目标散射敏感、颗粒物散射不敏感的偏振参数，将待测目标从所述偏振图像中分离出来，由此，实时更新浑浊介质的偏振光散射模型，并给出当前情形下最佳的偏振照明-检测组合；其中，以待测目标与背景的高对比度为目标函数，寻找导致最大对比度的最佳偏振照明-检测组合测量方式。

2.如权利要求1所述的实时浑浊介质目标识别系统，其特征在于，所述颗粒物探测器现场测量浑浊介质的偏振光散射信息包括：所述颗粒物探测器的发射端光源发出的光经过起偏器形成特定偏振态的光照射所述浑浊介质，所述颗粒物探测器的接收端的偏振检测器测量从所述浑浊介质中待测目标和颗粒物出射光的光强、偏振数据，通过不同偏振态照明光照射下所述偏振检测器获得的光强、偏振数据评估待测目标的对比度，确定所述最佳偏振照明-检测组合，以使得待测目标与介质背景的对比度最大。

3.如权利要求1或2所述的实时浑浊介质目标识别系统，其特征在于，所述偏振光散射物理模型描述光在浑浊介质中的传输过程，以及光的方向、强度、偏振态在浑浊介质中的变化情况，通过所述偏振光散射物理模型可计算、评估不同偏振态的光照明被颗粒物以及待测目标散射、衰减的过程。

4.如权利要求1至2任一项所述的实时浑浊介质目标识别系统，其特征在于，所述颗粒物探测器现场测量所述浑浊介质中的颗粒物信息，包括颗粒物的大小、种类、结构、浓度。

5.如权利要求1至2任一项所述的实时浑浊介质目标识别系统，其特征在于，还包括预先建立的颗粒物及目标的偏振数据库，用于供所述偏振光散射物理模型调用其偏振数据，以及进行类别的分析和关键特征提取以快速识别出待测目标。

6.如权利要求1至2任一项所述的实时浑浊介质目标识别系统，其特征在于，在所述浑浊介质中的待测目标与设备成像的距离设定为最远距离下，获得使所述浑浊介质中的待测目标具有最大对比度的偏振图像。

7.如权利要求1至2任一项所述的实时浑浊介质目标识别系统，其特征在于，所述颗粒物探测器和所述目标探测器分开设置在联网的不同装备上。

8.如权利要求1至2任一项所述的实时浑浊介质目标识别系统，其特征在于，所述颗粒物探测器和所述目标探测器集成在单一装备上。

9.一种实时浑浊介质目标识别方法，其特征在于，使用如权利要求1至8任一项所述的系统进行实时浑浊介质目标识别。