光譜偏振探測對偽裝網(wǎng)的識別研究

王啟超，汪家春，趙大鵬，馬麗芳

光譜偏振探測對偽裝網(wǎng)的識別研究

王啟超1，2，汪家春1，2，趙大鵬1，2，馬麗芳3

（1.脈沖功率激光技術國家重點實驗室，安徽合肥230037；2.安徽省紅外與低溫等離子體重點實驗室，安徽合肥230037；3.陸軍軍官學院信息化彈藥研究所，安徽合肥230031）

為解決傳統(tǒng)光強探測手段難以有效探測和識別偽裝網(wǎng)這一難題，基于偏振探測技術搭建了光譜偏振探測成像系統(tǒng)，對南方冬季干枯草地背景下的某林地型和荒漠型數(shù)碼迷彩偽裝網(wǎng)進行了實驗研究，獲得了400～1000 nm波段場景的偏振圖像。通過編制的軟件對測試結果進行處理分析以提取其中的偏振信息，得到了背景與偽裝網(wǎng)偏振度的變化規(guī)律。研究結果表明：自然背景與偽裝網(wǎng)的偏振特性有較大差別，偏振信息可以增強圖像中目標與背景的對比度，提高目標識別的準確率。因此，光譜偏振探測技術可以實現(xiàn)對復雜背景中傳統(tǒng)偽裝目標的有效探測和識別。

偽裝網(wǎng)；自然背景；偏振探測；偏振度

1 引 言

偽裝網(wǎng)通常采用有色涂料模擬自然背景的反射光譜，可近似做到與背景“同譜同色”，從而使其自身較好地藏匿于自然背景中，導致傳統(tǒng)的光強探測手段很難從雜亂的自然背景中實現(xiàn)對偽裝目標的有效探測與識別。近年來，如何實現(xiàn)對偽裝目標的有效探測與識別成為國內(nèi)外研究的熱點。目標的偏振特性作為物體的固有屬性，受環(huán)境條件、探測條件和其表面特性等多種因素影響。在對目標的成像探測過程中，利用目標和背景偏振特性的差異，能夠?qū)⒛繕藦谋尘爸蟹指畛鰜?，有助于提高目標探測與識別的準確度［1］。V.C.Vanderbilt等人研究了樹葉反射光的偏振特征，指出樹葉的偏振反射數(shù)據(jù)中包含了樹葉表面和內(nèi)部的結構信息［2］。2000年，美國空軍研究室的D.H.Goldstein等人對12塊涂有不同標準軍用油漆的鋁板進行了光譜偏振特性的實驗研究分析［3］。2001年，Miranda A Miller等研究了自然背景與汽車等目標的偏振特性，指出了汽車等目標和自然背景偏振度和偏振角圖像的差異［4］。G.Forssell和Y.Aron，Y.Gronau分別對車輛和帳篷做了野外偏振成像實驗［5－6］。研究結果表明，偏振探測技術能夠在一定程度上抑制背景噪聲的干擾，提高圖像中目標與背景的對比度，能夠較好解決傳統(tǒng)光強探測對偽裝目標的識別概率較低這一難題［7－8］。因此，對其進行深入研究具有十分重要的應用價值。

本文首先闡述了偏振成像探測的原理，然后利用搭建的光譜偏振成像系統(tǒng)對典型草地和偽裝網(wǎng)進行了光譜偏振成像探測實驗研究，得到了草地和偽裝網(wǎng)的偏振度以及場景的偏振圖像，通過對偏振信息的分析說明了偏振探測的可行性、有效性以及相對傳統(tǒng)光強探測的優(yōu)勢所在。

2 偏振成像探測原理與測試系統(tǒng)

2.1 探測原理及系統(tǒng)

光的偏振態(tài)的描述有瓊斯矢量法和Stokes矢量法兩種表示方法，在偏振探測中通常采用Stokes矢量法［9］。如公式（1）所示，用I、Q、U、V表示Stokes矢量的四個元素。其中I表示系統(tǒng)接收到的總光強，Q表示水平線偏振分量與垂直線偏振分量之差，U表示45°線偏振分量與135°線偏振分量之差，V表示右旋圓偏振分量與左旋圓偏振分量之差。

式中，〈〉表示時間平均效果；Ex、Ey、δx、δy分別表示在x和y方向上電場的振幅和相位。而在實際地物偏振成像探測中，V分量在儀器可探測的范圍內(nèi)很小，相對儀器的誤差而言可以忽略。因此，只需獲得Stokes矢量中的I、Q和U三個分量，即可確定光束的偏振態(tài)。

Stokes矢量在工程上一般通過測量三個不同偏振方向的光強計算得到，本文選取0°、60°和120°三個偏振方向。測量時首先獲得地物在三個不同偏振方向上的相對光強圖像，然后按照逐像元計算即可得到場景的I、Q和U分量。

利用上式獲得的I，Q和U分量就可以計算得到地物表面的偏振度DOLP和偏振角θ：

測試系統(tǒng)的設計原理如圖1所示，圖中i，r和α分別為入射角，探測角和方位角，且0°≤i≤90°，0°≤r≤90°，0°≤α≤360°。我們定義z軸和x軸正向為0°。

圖2為光譜偏振成像探測系統(tǒng)結構示意圖，系統(tǒng)的探測部分由偏振片及其旋轉(zhuǎn)臺、濾光片及其旋轉(zhuǎn)臺、CCD以及圖像采集單元組成，采用旋轉(zhuǎn)偏振片的方式對入射光的偏振狀態(tài)進行調(diào)制，通過旋轉(zhuǎn)濾光片進行光譜選擇。偏振片和濾光片輪均安裝在電動旋轉(zhuǎn)臺上，通過編制的軟件控制兩個旋轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動角度，其中偏振片分別轉(zhuǎn)動到0°，60°和120°。濾光片輪按照60°角度轉(zhuǎn)動，選用的濾光片輪可安裝六個濾光片，其中一個不安裝濾光片，其余五個選取具有代表性的濾光片，其中心波長分別為442，545.5，670.5，850.5，903.6 nm，其半波帶寬約10 nm。CCD的光譜響應范圍為400～1000 nm。實驗裝置被固定在三腳架的平臺上，可以俯仰、左右調(diào)節(jié)。計算機通過USB控制CCD進行圖像采集。整個系統(tǒng)均由計算機軟件控制，無機械抖動，測試精度高，系統(tǒng)測試誤差小，可以連續(xù)、快速地實現(xiàn)對場景在不同偏振方向和不同波長處的成像探測。

圖1 實驗原理圖Fig.1 The principle of experiment

圖2 光譜偏振成像探測系統(tǒng)結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of spectral polarization detection system

2.2 測試條件及過程

測試時間為2012年12月2日，陰天，此時可以忽略方位角對目標偏振度的影響。研究對象分別為某林地型和荒漠型數(shù)碼迷彩偽裝網(wǎng)，兩種偽裝網(wǎng)均由多種不同顏色的數(shù)碼小斑點組成，其表面粗糙程度相同，尺寸均為1 m×1 m。測試背景為南方冬季干枯草地，研究對象平放于干枯草地背景中。

本文首先在不同波長和不同探測角對干枯草地背景、林地型偽裝網(wǎng)和荒漠型偽裝網(wǎng)的偏振度進行測試，獲得偏振度隨探測波長和探測角的變化規(guī)律。測試時，通過旋轉(zhuǎn)偏振片采集到0°、60°和120°三個偏振方向的強度圖像，然后利用MATLAB軟件對三個偏振方向強度圖像進行計算，最后采用局部求平均的方法對偏振度圖像進行處理，即在偏振度圖像中選取研究對象的部分區(qū)域，對該區(qū)域中所有像素點的偏振度值求平均，并近似認為此平均值即為研究對象的偏振度值，從而獲得目標和背景的偏振度。

其次，將兩張偽裝網(wǎng)平鋪于草地背景中，左邊為林地型偽裝網(wǎng)，右邊為荒漠型偽裝網(wǎng)，在探測方位角為90°的情況下在不同探測波長上對場景進行偏振成像探測，通過處理三個不同偏振方向的強度圖像得到場景的偏振度圖像和偏振角圖像。

3 偏振度測試結果及分析

實驗選取探測角為20°、40°、60°和80°，不同探測波長處干枯草地和偽裝網(wǎng)偏振度的測試結果分別如圖3（a）～（c）所示。

由圖3可知：（1）干枯草地的偏振度在各波長處均較小，主要集中在0.1以下，并且可見光波段的偏振度均稍大于近紅外波段的偏振度值。在同一波長處，偏振度曲線近似成水平分布，不同探測角獲得的偏振度值相差較小。這主要是由于草地的小葉片隨機雜亂分布，表面的取向各異，葉片的反射光方向隨機分布，離散性較強，削弱了其偏振特性，導致草地的偏振度較小。這與典型地物背景的偏振特性相符［10］；（2）同一探測條件下，兩種偽裝網(wǎng)的偏振度均大于干枯草地的偏振度，且都隨著探測角的增大先增加后減?。唬?）偽裝網(wǎng)的偏振度受探測波長和探測角的影響較大，且在442 nm處的偏振度均大于其他探測波長的偏振度，在探測角為60°附近時達到最大；（4）同一探測條件下，林地型偽裝網(wǎng)的偏振度略大于荒漠型偽裝網(wǎng)，這與兩者的反射光譜相關，在可見光和近紅外波段，低反射率的目標具有較大的偏振度，荒漠型偽裝網(wǎng)整體呈現(xiàn)土黃色，相比整體呈現(xiàn)綠色的林地型偽裝網(wǎng)，其在此波段反射率整體較高，因而其偏振度較小。

圖3 干枯草地、林地型偽裝網(wǎng)和荒漠型偽裝網(wǎng)在不同波長處的偏振度Fig.3 The polarization degree of kraurotic grassplot、woodland camouflage net and khaki camouflage net at differentwavelength

4 偏振成像結果及分析

從偏振度的測試結果可以看出，目標和背景的偏振特性在60°探測角時差異較大，因此，偏振成像實驗選擇探測角為60°，并在五個典型波長處對場景進行偏振成像探測。

圖4給出了442 nm處對兩種偽裝網(wǎng)的偏振探測結果，圖4（a）～（c）分別為場景的強度圖像、偏振度圖像和偏振角圖像?？梢钥闯觯海?）在強度圖像中，兩種偽裝網(wǎng)均有較好的偽裝效果，能夠利用自身的數(shù)碼迷彩斑點較好地實施隱身。利用傳統(tǒng)的光強探測手段難以實現(xiàn)對其有效識別；（2）在偏振度圖像中，偏振度越高，其亮度越高。草地背景的干擾受到一定程度的抑制，在偏振度圖像中較暗，而兩張偽裝網(wǎng)清晰地浮現(xiàn)于灰度值變化沒有規(guī)律的雜亂草地背景中，利用偏振度圖像能夠較好地識別出偽裝網(wǎng)；（3）偏振角圖像對偽裝網(wǎng)的識別效果也較好，且其邊緣輪廓清晰。這主要是由于偽裝網(wǎng)的表面相對平整，其反射光通常具有一定的取向性和比較一致的偏振角，偏振特征十分明顯，其圖像邊緣輪廓突出，容易被發(fā)現(xiàn)和識別。而自然背景的雜亂性導致其偏振角隨機分布，圖像沒有規(guī)則的形狀，偏振特性較弱。因此，通過偏振角度圖像能夠較好地消除雜亂背景的影響，識別出背景中的偽裝目標。670.5 nm和850.5 nm波長處的探測結果分別如圖5和圖6所示。

圖4 442 nm波長處的測試結果Fig.4 Experimental results at442 nm

圖5 670.5 nm波長處的測試結果Fig.5 Experimental results at670.5 nm

圖6 850.5 nm波長處的測試結果Fig.6 Experimental results at850.5 nm

結合以上三圖可以看出，偽裝網(wǎng)為降低其散射光的強度特征信息，通常采用與背景反射光譜接近的多色偽裝涂料實現(xiàn)與雜亂背景的融合，從而實現(xiàn)目標在可見光和近紅外波段的“隱身”。在強度圖像中，偽裝網(wǎng)與背景的灰度差異較小，在一定的探測距離上根本無法有效識別出偽裝網(wǎng)；而具有相似反射光譜的目標可能存在較大的偏振特性差異，在偏振圖像中偽裝網(wǎng)的輪廓和形狀能夠被凸顯，使其失去原有的偽裝效果。這主要是由于物體的偏振特性在很大程度上受到其表面特性的影響，其主要影響因素是物體表面的粗糙程度，人造目標和自然背景表面特性存在的較大差異導致其偏振特性的差異。在偏振圖像處理過程中，背景的雜亂信號很容易被消除，目標與背景偏振特性的差異比較明顯，便于實現(xiàn)對偽裝目標的有效探測與識別。這也是偏振探測能夠從雜亂的自然背景中識別出傳統(tǒng)偽裝目標的基礎。偏振探測技術有助于提高目標探測和場景識別的準確度，尤其是在光強對比度較低的情況下，其優(yōu)勢體現(xiàn)的更加明顯，對于復雜背景下的目標探測與識別具有重要的應用價值和軍事意義。

5 結 論

本文從偏振探測原理出發(fā)，通過搭建的光譜偏振成像系統(tǒng)研究了典型草地和偽裝網(wǎng)的偏振散射特性和成像特征，得到了目標和背景的偏振度以及場景的偏振圖像。結果表明：偽裝網(wǎng)的偏振度大于草地的偏振度，且受探測波長和探測角的影響較大。草地的偏振度受探測角和探測波長的影響較小，且偏振度集中在0.1以下。兩種偽裝網(wǎng)與草地背景的散射光偏振特性差異較大，可以利用此差異來消除雜亂的自然背景對偏振探測成像的影響，增強圖像中目標與背景之間的對比度，提高目標探測與識別的準確度。因此，在偏振成像探測過程中，合理地選擇探測波長和探測角度能夠使得目標在圖像中更明顯地凸顯出來，實現(xiàn)對復雜背景下傳統(tǒng)偽裝目標的有效探測與識別。

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Research on the detection of camouflage net w ith spectral polarization detection system

WANG Qi-chao1，2，WANG Jia-chun1，2，ZHAO Da-peng1，2，MA Li-fang3
（1.State Key Laboratory of Pulsed Power Laser Technology，Hefei230037，China；2.Key Lab of IR and Low Temperature Plasma of Anhui，Hefei230037，China；3.Institute of Informational Ammunition，Academy of Army Officers，Hefei230031，China）

In order to resolve the problem that camouflage net could hardly be detected and identified by the classical means，a spectral polarization detection system was introduced and developed at first.Then the experiment about the woodland and khaki camouflage nets in kraurotic grassplot and soil ismade，the polarization images of the target and background at 400～1000 nm are obtained.Through the analysis of the experiment，the change rule of the target and background polarization is discovered.The result shows that the polarization characteristics of camouflage nets are different from thatof background.As the contrastof targetand background can be enhanced by polarization information，the camouflage net can be identified effectively from the image according to polarization information.Therefore，the classical camouflage target inmixed background can be detected and identified effectively by the spectral polarization technique under proper detection condition.

camouflage net；background；polarization detection； polarization degree

O436.3

A

10.3969／j.issn.1001-5078.2013.11.13

1001-5078（2013）11-1260-05

安徽省紅外與低溫等離子體重點實驗室主任基金（No.2010A001002D）資助。

王啟超（1989－），男，碩士生，主要從事偏振探測和偽裝研究。E-mail：wqc＿wqc＠126.com

2013-05-17