偏振光譜成像目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)*

王 維，陳滿林，吳 菲

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130000)

偏振光譜成像目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)*

王 維，陳滿林，吳 菲

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130000)

設(shè)計(jì)了高光通量的光學(xué)天線、偏振模塊及干涉模塊的目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)。通過(guò)偏振光譜成像技術(shù)，在同一視場(chǎng)內(nèi)同時(shí)獲取多個(gè)偏振方向的光譜圖像，再通過(guò)圖像融合算法重建目標(biāo)的偏振光譜圖像。在不同距離上對(duì)鋼板及某型火炮進(jìn)行測(cè)試，分別采用本系統(tǒng)與傳統(tǒng)非偏振系統(tǒng)獲取目標(biāo)信號(hào)。結(jié)果顯示，基于偏振光譜的目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)信噪比高、探測(cè)距離遠(yuǎn)，與傳統(tǒng)方法相比，本系統(tǒng)的目標(biāo)合成圖像清晰可見(jiàn)，抗干擾性更高，具有很高的野外適應(yīng)性及穩(wěn)定性。

目標(biāo)識(shí)別；偏振；圖像融合；高信噪比

0 引言

偏振光譜目標(biāo)識(shí)別技術(shù)主要有光柵型、傅里葉變換型、液晶調(diào)制型和聲光調(diào)制型[3-5]。其中，光柵型的核心元件是偏振光柵，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、光譜分辨率高，但光柵對(duì)光存在一定的限制，光通量小，戶外測(cè)試效果不佳[6，7]。傅里葉變換型的核心部件是傅里葉變換干涉儀，通過(guò)加入可變相位延遲器實(shí)現(xiàn)對(duì)不同偏振角的二維圖像的采集，由于每次只能獲取一個(gè)偏振角的二維圖像，所以掃描時(shí)間長(zhǎng)，如果光譜掃描也采用時(shí)間掃描則速度更慢[8]。液晶調(diào)制型的核心器件是晶體、電調(diào)制器以及步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)選擇不同的窄帶濾光片實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)的調(diào)制，其缺點(diǎn)也是速度慢且機(jī)械部件的穩(wěn)定性差[9]。聲光調(diào)制型的核心部件是聲光晶體，其工作原理與電調(diào)制相近，優(yōu)點(diǎn)是體積小、無(wú)機(jī)械部件，但光譜分辨率較差[10]。

1 目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)

目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)組成包括前置光學(xué)系統(tǒng)、分光棱鏡、起偏器、沃拉斯頓棱鏡組、檢偏器、成像CCD1、靜態(tài)干涉具、聚焦透鏡及成像CCD2。光入射系統(tǒng)后，由分光棱鏡分為兩部分，一部分進(jìn)入偏振系統(tǒng)，另一部分進(jìn)入光譜系統(tǒng)。偏振系統(tǒng)獲取的圖像具有偏振信息，同樣，光譜系統(tǒng)獲取的圖像具有光譜信息。再將偏振數(shù)據(jù)與光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像融合處理，最終得到目標(biāo)的偏振光譜合成圖像。

圖1 偏振光譜別目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)

1.1 偏振數(shù)據(jù)獲取

由斯托克斯參量法[11]完成目標(biāo)區(qū)域偏振角的計(jì)算，斯托克斯矢量可表示為 S1、S2、S3、S4。則其矢量有：

式中，I表示光強(qiáng)，Q和U分別表示偏振分量，V表示圓偏振分量。

目標(biāo)光進(jìn)入沃拉斯頓棱鏡組后，光的偏振態(tài)被重新分布，其偏振態(tài)對(duì)應(yīng)的穆勒矩陣可以寫(xiě)成：

式中，Sd表示 CCD1對(duì)應(yīng)的斯托克斯矢量，St表示目標(biāo)方向斯托克斯矢量，M表示系統(tǒng)的光學(xué)穆勒矩陣。

1.2 光譜數(shù)據(jù)獲取

產(chǎn)品檢測(cè)預(yù)警法主要以化學(xué)試驗(yàn)檢測(cè)出的數(shù)據(jù)作為支撐，通過(guò)應(yīng)用對(duì)比法、統(tǒng)計(jì)分析法和綜合評(píng)判法等對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。一般情況下，把對(duì)水產(chǎn)品類農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全進(jìn)行多種藥物檢測(cè)的結(jié)果作為評(píng)判與預(yù)警的指標(biāo)，把對(duì)植物類農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全進(jìn)行農(nóng)藥檢測(cè)的結(jié)果作為評(píng)判與預(yù)警的指標(biāo)，把對(duì)禽類農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全利用獸藥檢測(cè)的結(jié)果作為評(píng)判與預(yù)警的指標(biāo)。目前，產(chǎn)品預(yù)測(cè)預(yù)警法的應(yīng)用較為廣泛，尤其是在對(duì)農(nóng)產(chǎn)品出口和流通的環(huán)節(jié)，是一種十分常見(jiàn)的安全預(yù)警法[3]。

光譜數(shù)據(jù)獲取利用傅里葉變換干涉具實(shí)現(xiàn)，M1、M2都是反射面，而M2具有一個(gè)角度α，則其干涉具有空間分布性。

如圖2的三角函數(shù)關(guān)系可知，光線1入射A點(diǎn)，經(jīng)反射至B點(diǎn)，透射至C點(diǎn)，最終與光線2相干形成干涉條紋，光程為：

故光程差為：

由于α很小，則cos2α≈1，則有：

式中，n為晶體折射率，x′為任意位置。

光譜分辨率為：

通過(guò)以上計(jì)算得到光譜分辨率為Δλ的光譜圖像，并成像在CCD2上。此圖像與偏振系統(tǒng)獲得的偏振圖像進(jìn)行圖像融合獲得清晰的目標(biāo)圖像。

圖2 光譜獲取系統(tǒng)

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 探測(cè)條件

實(shí)驗(yàn)選擇2.0 m×2.0 m鋼板（涂軍綠漆）和某型火炮作為目標(biāo)，測(cè)試距離從0.1 km～2.0 km，而測(cè)試標(biāo)定波長(zhǎng)為0.40 μm～0.90 μm。

2.2 測(cè)試結(jié)果分析

對(duì)目標(biāo)偏振光的信號(hào)平均值與非偏振光信號(hào)平均值進(jìn)行了比較。在偏振系統(tǒng)中，目標(biāo)信號(hào)強(qiáng)度可表示為I鋼板|偏振，而背景噪聲強(qiáng)度可表示為 I噪聲|偏振，其信噪比可表示為SNR|偏振；在無(wú)偏振條件下，目標(biāo)信號(hào)強(qiáng)度可表示為 I鋼板|非偏振，背景噪聲強(qiáng)度可表示為 I噪聲|非偏振，其信噪比可表示為 SNR|非偏振。則不同距離下偏振與非偏振信噪比對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 偏振與非偏振信噪比對(duì)比

采用偏振系統(tǒng)的信噪比明顯優(yōu)于非偏振系統(tǒng)，同時(shí)偏振系統(tǒng)受距離的干擾也小很多。所以，偏振系統(tǒng)可以在較大范圍內(nèi)保持較高的信噪比。與此同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)鋼板的信噪比要比火炮高很多，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)鋼板實(shí)際上是一個(gè)很好的偏振光反射面，火炮的表面相對(duì)要差一些，將整個(gè)范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合可以得到其整體分布，如圖3所示。2個(gè)目標(biāo)的信噪比都會(huì)由于距離的增大而減小，但2.0 km內(nèi)偏振系統(tǒng)的信噪比均值在 0.35左右，具有較高檢出性；而非偏振型超過(guò)0.4 km后幾乎無(wú)法識(shí)別。

2.3 偏振光譜圖像融合

將偏振系統(tǒng)的偏振圖像與光譜系統(tǒng)的光譜圖像進(jìn)行融合處理，即可獲得偏振光譜合成圖像，如圖4所示。圖4(a)的圖像結(jié)果是由傳統(tǒng)可見(jiàn)光識(shí)別系統(tǒng)得到的光強(qiáng)灰度圖像，而圖4(b)是由本系統(tǒng)將偏振圖像與光譜圖像融合后得到的合成圖像。采用偏振光譜成像技術(shù)的目標(biāo)信噪比得到了大幅提升。目標(biāo)光信號(hào)與背景噪聲光的振幅比明顯，具有很好的識(shí)別效果。測(cè)試過(guò)程中，隨著距離的增大，光強(qiáng)型的識(shí)別圖像漸漸地淹沒(méi)在噪聲中，而采用偏振光譜型在2.0 km內(nèi)，合成圖像基本保持一致，具有較高的魯棒性。

圖3 不同距離下目標(biāo)的偏振數(shù)據(jù)與非偏振數(shù)據(jù)信噪比

圖4 目標(biāo)識(shí)別圖像對(duì)比

3 結(jié)論

本文研發(fā)了一種可以用于戶外的目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有偏振識(shí)別模塊和光譜識(shí)別模塊兩大部分，可以同時(shí)獲取并進(jìn)行處理。在圖像融合的基礎(chǔ)上，獲得目標(biāo)的合成圖像，該圖像具有信噪比高、受距離影響小等優(yōu)勢(shì)，在戶外實(shí)時(shí)目標(biāo)識(shí)別領(lǐng)域具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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Polarization spectral imaging target recognition system

Wang Wei，Chen Manlin，Wu Fei
(School of Applied Technology，Changchun University of Technology，Changchun 130000，China)

Target recognition system was designed with high luminous flux optical antenna,polarization module and interferometer.Through the polarization spectral imaging technology,the plurality of polarization direction of the spectral image is acquired simultaneously in the same field of view.Polarized spectral image of the object is recreated by image fusion algorithm.At different distances,the steel sheet and a certain type of gun for testing,target signal is acquired by the present system and the traditional non-polarized system.The results show that signal to noise ratio of target recognition system is high based on polarization spectra, and its detection distance is very far away.Compared with traditional methods,a composite image of the target system is clearly visible.It has a higher anti-interference,high field adaptability and stability.

target identification；polarization；image fusion；high signal to noise ratio

TH744

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.12.019

王維，陳滿林，吳菲.偏振光譜成像目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(12)：73-75.

英文引用格式：Wang Wei，Chen Manlin，Wu Fei.Polarization spectral imaging target recognition system[J].Application of Electronic Technique，2016，42(12)：73-75.

2016-06-14)

王維（1982-），女，碩士，講師，主要研究方向：光電檢測(cè)、圖形圖像與計(jì)算機(jī)應(yīng)用。

總裝國(guó)防科技基金（9140C120402120C12055）；國(guó)家自然科學(xué)基金（61171179）