一种基于选通偏振成像的红外伪装识别方法研究

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第 34卷 第 5期2013年 9月应 用 光 学Journal of Applied OpticsVo1．34 NO．5Sep． 2013文章编号 ：1002—2082(2013)05—0860—04一 种基于选通偏振成像的红外伪装识别方法研究王元铂 ，沈洪斌 ，李 刚，黄敬霞，李 莉 ，毛少娟(军械工程学院 ，河北 石家庄 050003)摘 要 ：为解决红外伪装对传统热成像 系统的干扰 问题，达到在战场上识别红外伪装 目标的 目的，提 出一种基于选通偏振成像的红外伪装识别方法。红 外偏振 图像的获取通过扫描机构对 4个固定放置的偏振片选通实现。实验结果表明，该方法可以4帧／s的频率实现对场景红外偏振度图像的获取。得到的红外偏振度 图像 与原始红外辐射强度 图像相比，灰度均值提 高了 14 、灰度标准差提高了 42 、平均梯度提高了 98 。

关键词 ：选通偏振成像；红外伪装识别；非制冷 焦平面阵列；Matlab中图分类号 ：TN219；TH745 文献标 志码 ：A doi：10．5768／JA0201334．0506001M ethod of infrared camouflage target recognitionbased on polarization—gated imagingWANG Yuan—bo，SHEN Hong—bin，LI Gang，HUANG Jing—xia，LI Li，MA0 Shao—juan(Ordnance Engineering Colege，Shijiazhuang 050003，China)Abstract：A method of infrared camouflage target recognition based on polarization—gated ima—ging was proposed，in order to prevent the infrared camouflage from disturbing the traditionalthermal imaging system and recognize the IR camouflage targets on the battlefield．The acqui—sition of infrared polarization images was implemented through 4 fixed polarizers gated by scan—ner．Experiment result shows that fhe method can successfully acquire the IR polarization im—age at the rate of 4 f／s，meaning this method is real—time to a certain extent．Comparing withthe original thermal intensity image，the polarization image has an increase of average gray—scale value up to 1 4％，gray-scale standard deviation up to 42 and average gradient up to98 ，meaning an ideal camouflage target recognition effect.

Key words：polarization—gated imaging；IR camouflage target recognition；uncooled focal planearray(UFPA)；M atlab引言红外热成像系统具有 隐蔽性 强、全天候工作、识别可见光伪装、视距远等优点，已成为各国军方主战夜视装备口]。工作于 8 m ～14 m 的长波红外热成像系统主要用于对地面和水面 目标的侦察、瞄准和跟踪，其大规模投入战场已成为改变作战模式和影响未来战争走 向的因素 ]。随之出现的红外伪装技术 ，通过 降低或扭 曲军事 目标表 面热辐射特征，严重影响传统红外热成像系统的作战效能 』，使 得探索与之对抗 的伪装识别 系统 十分必要。目前红外伪装识别技术主要有多光谱或高光谱成像 ]、背景减除算法 ]、伪彩色编码和图像融合E63、红外偏振成像等。其中红外偏振成像具有识别效果好、系统结构简单等优点。

目前文献中记载的红外偏振 图像获取手段以收稿 日期 ：2013—02—05； 修回 日期 ：2013—04—09基金项 目：军械工程学院基金资助项 目(YJJXM11012)作者简介：王元铂(1984一)，男 ，河北行唐人 ，硕士 ，讲师 ，主要从 事光 电成像与 图像 处理 、红外 热成像 技术与应用 研究工作 。

E-mail：happywyb###gmail．com应用光学 2013，34(5) 王元铂，等：一种基于选通偏振成像的红外伪装识别方法研究 ·861 ·手动旋转偏振片为主，实时性较差。为提高红外偏振图像的获取效率 ，探索动态场景红外偏振研究的途径，本文提出一种基于选通偏振成像的长波红外伪装识别方法。设计 了一种位于红外 热成 像 系统 前 端 的选通 红 外偏 振装 置 ，能够以较 高 效 率 对 4个 方 向 的 偏 振 分 量 选 通 成像 ，分别被非制冷焦平面阵列成像系统所采集 ，利用 Matlab编程对 采集 的 图像进 行 处理 ，获得高识 别率 的红 外 偏振 度 图像 ，达到 对 目标进 行伪装识别目的。

1 红外偏振成像原理由菲涅耳公式可知，物体表面对 自然光的反射具有一定的偏振度 ，由能量守恒定 律和基尔霍夫定律可知，不透明物体的热辐射同样具有偏振性 。实验结果表 明，不 同材 质物体 的热辐射偏振特性存在较大差异 ，自然 环境 中地物 的红外偏振度非常小 (<1．5 )，只有水体 的偏振 度较 强 ，可达 8 ～1O 。而军事目标一般有较强的热辐射偏振特性 ，其 中金属材料偏振度达到了 2 ～7 ，人工建筑偏振度也在 1．5 以上[7]。由于偏振信息是不同于辐射的另一种表征事物的信息，相同辐射 的被测 物体也可 能有不 同的偏 振度L8]，在 目标采用红外 伪装 时仍能达到较 高成像对 比度 ，具有理想的伪装识别效果[9]。

对偏振光的描述常用的有琼斯矢量 和斯托克斯矢量 。琼斯矢量用振幅和相位描述光波 的偏振态 ，斯托克斯矢量则利用 4个参量(斯托克斯参量)来描述光波的偏振态和强度 。与琼斯矢量 的参量不同的是，斯托克斯参量均是光强的时间平均值，具有强度的量纲 ，可以直接被探测器探测[1 ，因此应用更加广泛 ，其形式_1 为S—JQ己，J0a+ 9o口Io。一 I9o。

45。 一 135。

I r+ I(1)式 中：J表示总光强 ，。。。、 。、 。、 分别表示放置在光波传播路径上一理想偏振片在 0。、90。、45。、135。方向上 的线偏振光 以及左旋和右旋 圆偏振光的光强。在 自然大气背景及 目标物对太 阳入射的偏振效应 中，圆偏 振分量在仪器 可以检测 的范围内很小 ，相对于误差来说可 以忽略n引，因此偏振度通常写成 ：P一 (2)通过在探测 器前 放置偏振 片 ，分别测 量r。。、I 、f a的场景光强分布 ，并将一个测量周期内得到的 4幅图像各对应点代人(2)式，即可计算得到场景的偏振度图像 。

Daniel W．Beekman等人提出的偏振敏感的红外焦平面阵列探测器，即在一个 384像素 ×288像素阵列每个成像单元前放置独立的线偏振片，每 4个相邻单元测量得到 4个斯托克斯矢量 ，由处理电路计算得到场景偏振图像[1 。该方案在获取偏振信息的同时牺牲了空间分辨率，且对器件生产工艺有较高要求。

2 实验装置2．1 总体设计基于选通偏振成像 的红外伪装识别实验装置如图 1所示，由选通偏振扫描系统、长波非制冷热成像系统、数据处理计算机、单片机控制器构成。

选通偏振扫描系统位于实验装 置的最前端 ，场景热辐射中的偏振分量被选通后，形成 。、 。 、。 4个分量 ，被长波非制冷热成像系统采集 。

莅吾甬：选通偏振 ：一 道 缝图 1 实验装置 示意图Fig．1 Schematic diagram of experiment equipment实验采用 FLIR公司 SC325型热像仪，探测器为非 制冷焦 平面 阵列 ，工作 波段 7．5 m～ 13“1TI，像元总数 320×240，帧频 60 Hz，热灵敏度<0．05。(+30℃)。利用热像仪 自带的数字接 口把成像结果送入计算机 。数据处理计算机利用 Matlab平台进行编程，利用(1)式的方法对 J。 一u、。 4个图像进行处理 ，得 到 Q、【，、 图像 ，并利用(2)式方法计算得到偏振度图像 P。

为了实现 4个偏振分量的选通 ，利用直流电机· 862 · 应用光学 2013，34(5) 王元铂 ，等：一种基于选通偏振成像的红外伪装识别方法研究带动选通机构转 动，转速 由单 片机实时控制 。在每个方向偏振片对应位置放置传感器，达到实时掌握采集偏振分量方向的目的。位置传感器产生的开关信号被单片机解算，通过异步串行接 口送入计算机。

2．2 选通偏振扫描系统选通偏振扫描系统放置于长波非制冷热成像系统之前，作用是对场景热辐射的偏振分量进行选通 ，动态地获取 4个斯托克斯矢量 。采用 4片KRS一5线栅偏振片 (Thorlabs)构成阵列 ，固定放置在系统入瞳位置，每个偏振片直径 50 mm，透过率 70％ (12 Fm)，偏 振 度 为 99．6 ，消 光 比 为300：1。4个线栅偏振片分别 固定在 0。、90。、45。、135。偏角，并在每 2个偏振片之间预 留直径 50 mm的圆形空位 ，保 证斩波器通光孑L扫描时 只有一个方向线偏振光透过 。排列关系如图 2(a)所示 。在线栅偏振 片阵列之前设置扫描 选通机构 ，在一 块圆形金属板上开直径 50 mm通光孔构成斩波器 ，如图 2(b)所示。斩波器与偏振片阵列共心放置，在电机驱动下绕 中心旋转，对成像偏振 光方 向进行选通 。为实时掌握 当前成像 偏振分量方 向，在斩波器外缘 与通光孔正对位置 固定小 型磁钢 ，在每个线 栅偏振 片对应位 置 固定高精度 霍尔传 感器 ，分别在 ，。 I 、J 。分量透过时产生开关信号，并经由单片机采集后送入计算机，Matlab程序 以此为依据对 4个斯托克斯矢量进行区分。

尔传感器 小 磁钢(a)线栅偏振片阵列 (h)扫描选通机卡勾图 2 线栅偏振片 阵列与选通机构Fig．2 W ire-grid polarizer array and gating unit3 实验结果及分析3．1 实验方案与结果实验对象是军械工程学 院对面建筑物 ，采集图像内容包括天空 、建筑物和树木 ，模拟 战场环境下较常见的天空背景、人造 目标和植被情况。利用本文实验装置采 集 、J 。分量 ，采集时为保证成像质量，使扫描机构转到每个偏振片位置时停 留 0．05 S，实际测试一个 扫描周期耗 时0．25 S，帧频 为 4帧／s。经过 Matlab编程处理后得到场景的偏振度图像 。场景的原始辐射强度图像和处理得到的偏振度图像如图 3所示。

_ ■(a)热辐射强度图像 (h)偏振度图像图 3 场景辐射强度 图像及偏振 度图像Fig．3 Intensity & polarization thermal images of scene3．2 定性分析从实验结 果可 以看 出，场 景偏 振度图像 比原始强度图像具有更高的对 比度，人造 目标的边缘和细节信息更加丰富。人造建筑和 自然植被 的原始辐射强度较 为接 近，经过偏振成像 系统处理之后 ，在偏振度图像 中可 明显 区分 出人造物和 自然物(图中圆圈处 )，说 明利用 本文方法可获得理 想的伪装识别效果。

3．3 客观评价根据参考文献[14]的评价指标(灰度均值、灰度标准差和平 均梯度)对原始 长波红外辐射强 度图像和处理得到的偏振度图像进行了评价。

表 1 偏振 度图像评 价Table 1 Values of polarization image从表 1可以看出：①场景的红外偏振度图像比原始辐射强度图像灰度均值提高 14 、灰度标准差提高 42 ；②红外偏振度图像 平均梯度显著增大，比原始红外图像平均梯度提高 98 。与前文定性分析结果相符 。

4 结论提出了一种基于选通偏振成像的红外伪装识别方法并进行了实验验证。放置在长波非制冷热成像系统前的选通偏振扫描系统在一个选通周期内的不同时刻分别使 4个斯托克斯矢量(I 。

应用光学 2013，34(5) 王元铂，等：一种基于选通偏振成像的红外伪装识别方法研究 ·863 ·J 、I -)透过。通过编写基于 Matlab平台的程序对获取的4个斯托克斯矢量进行计算，得到场景的红外偏振度图像。实验结果表明：红外偏振度图像比原始图像灰度提高了 14 ，灰度标准差提高了 42 ，平均梯度提高了 98 。有效增强 了人造物和 自然物 间的差异 ，获得 了理想 的红外伪装识别效果 。

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