連續(xù)激光干擾效果評(píng)估方法

巫風(fēng)玲，李永濤

（中國(guó)華陰兵器試驗(yàn)中心，陜西 渭南 714200）

引言

從目標(biāo)圖像中提取目標(biāo)特征信息，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別與跟蹤是區(qū)域監(jiān)視、軍事偵察的重要手段。當(dāng)光電成像系統(tǒng)受到激光干擾時(shí)，成像系統(tǒng)獲取的目標(biāo)圖像會(huì)被部分遮擋，導(dǎo)致圖像跟蹤系統(tǒng)目標(biāo)位置匹配、識(shí)別出現(xiàn)偏差[1]。因此目標(biāo)識(shí)別特征的失效程度是評(píng)估激光干擾效果的重要手段，對(duì)指導(dǎo)激光干擾設(shè)備的研制和光電成像裝備的激光防護(hù)都具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外，通過光電成像系統(tǒng)圖像質(zhì)量變化來評(píng)價(jià)激光干擾效果的方法已有較多研究[2-3]。傳統(tǒng)方法大致可以分為3 類：1）通過獨(dú)立計(jì)算圖像各像素亮度值變化衡量受干擾圖像偏離原始圖像的程度[4]，如均方誤差度量、信噪比度量等，這類方法受灰度背景影響較大；2）將局部像素亮度的相互關(guān)系變化作為指標(biāo)評(píng)價(jià)干擾效果的方法，利用了圖像的結(jié)構(gòu)信息，如基于梯度幅度值的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)方法[5-6]，改進(jìn)了評(píng)價(jià)效果，但受強(qiáng)點(diǎn)噪聲影響較為明顯；3）基于信息熵的評(píng)價(jià)方法利用整幅圖像的灰度分布信息，比較受干擾前后圖像所帶信息變化[7-8]，不適用于灰度等級(jí)較小圖像。為了改進(jìn)評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性，研究者們根據(jù)人類視覺特性采用小波變換[9-10]、結(jié)構(gòu)相似性特征[11-12]、點(diǎn)特征分布特性提取[13]等方法對(duì)原始圖像進(jìn)行進(jìn)一步信息提取整合，再綜合亮度、對(duì)比度、結(jié)構(gòu)相似度等指標(biāo)對(duì)激光干擾效果進(jìn)行評(píng)價(jià)[14]。

激光干擾效果評(píng)估主要關(guān)注局部光斑對(duì)圖像質(zhì)量造成的影響，一般的圖像質(zhì)量評(píng)估方法能發(fā)揮一定作用但不具有針對(duì)性，而通過小波變換、結(jié)構(gòu)相似性等方式進(jìn)行特征提取進(jìn)而比較干擾效果的方法耗時(shí)較長(zhǎng)。本文方法基于光電有源干擾效果評(píng)定準(zhǔn)則的國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)激光干擾前后的圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，計(jì)算兩幅圖像的歸一化相關(guān)度，經(jīng)與干擾閾值比較后計(jì)算模糊像元數(shù)，對(duì)受到激光干擾后的圖像失真程度進(jìn)行量化，評(píng)估多波段激光對(duì)光電成像系統(tǒng)的干擾效果。

1 相關(guān)度理論模型

設(shè)原始二維圖像為f(x,y)，激光干擾后采集到的圖像為g(x,y)，按照相關(guān)度的定義可得到歸一化處理后的圖像相關(guān)度評(píng)價(jià)指標(biāo)為

顯然，C≤1 且C值越大，兩者越相似。則對(duì)于離散數(shù)字圖像f(i,j)(1 ≤i≤N,1 ≤j≤N)、g(i,j)(1 ≤i≤M,1 ≤j≤M)在激光干擾效果評(píng)估中，同一效應(yīng)器干擾前后圖像大小相同，也即M=N，其歸一化基本相關(guān)度表示為

據(jù)此可以得到圖像的相關(guān)度系數(shù)，與設(shè)定的閾值C0相比即可判斷激光干擾是否有效。依據(jù)（2）式計(jì)算得到的相關(guān)度為整幅圖像參與計(jì)算的結(jié)果，而在實(shí)際應(yīng)用中，為了定位受干擾的區(qū)域或詳細(xì)評(píng)估干擾效果需要得到圖像所展示場(chǎng)景的細(xì)節(jié)信息。因此，可將圖像劃分成適當(dāng)尺寸的子圖像分別進(jìn)行相關(guān)度計(jì)算，（2）式可改寫為

式中：c(m,n)為相關(guān)度計(jì)算結(jié)果圖像中坐標(biāo)為(m,n)的像素的值；W與H分別為設(shè)定的子圖像的長(zhǎng)、寬。若將f(i,j)與g(i,j)的值定義為圖像像素的灰度值，由（3）式可知，相關(guān)度計(jì)算結(jié)果c與兩幅圖像的像素對(duì)應(yīng)關(guān)系以及參與計(jì)算的圖像區(qū)域內(nèi)灰度波動(dòng)情況有關(guān)。計(jì)算結(jié)果始終大于等于0，且當(dāng)參與計(jì)算的圖像尺寸越大像素越多，相關(guān)度計(jì)算結(jié)果趨于1。

直接采用（3）式進(jìn)行計(jì)算時(shí)，得到的圖像相關(guān)度分布集中于高位區(qū)間，不利于獲取圖像相關(guān)信息細(xì)節(jié)，圖1 中展示了直接采用（3）式計(jì)算得到的結(jié)果。

因此，在實(shí)際計(jì)算中，對(duì)相關(guān)度計(jì)算方法進(jìn)行改進(jìn)。保留像素間灰度值的波動(dòng)情況，采用去中心后的子圖像進(jìn)行相關(guān)度計(jì)算。

其中，

Δf(i,j)與Δg(i,j)分別為原始圖像與干擾圖像中以像素點(diǎn)[m,n] 為中心的子圖像的像素灰度值波動(dòng)。將原始圖像與干擾后圖像劃分為8×8 大小的子區(qū)域，分別采用滑動(dòng)窗口步進(jìn)計(jì)算[15]與窗口分塊計(jì)算[16]的方法得到的結(jié)果如圖2所示，前者計(jì)算耗費(fèi)12 s，而后者計(jì)算僅耗費(fèi)0.39 s。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，采用分塊計(jì)算的方法得到的結(jié)果圖像產(chǎn)生馬賽克的效果，在窗口較小時(shí)不易被察覺，隨著窗口尺寸增大，馬賽克效應(yīng)逐漸明顯，但計(jì)算速度大幅度提升；采用滑動(dòng)窗口逐像素步進(jìn)的方法能保持結(jié)果圖像的細(xì)節(jié)，但隨著窗口增大計(jì)算量也增加。

2 遠(yuǎn)場(chǎng)激光干擾等效實(shí)驗(yàn)

為研究算法對(duì)不同發(fā)射功率下激光干擾圖像的評(píng)估效果，驗(yàn)證評(píng)價(jià)效果與激光功率的線性關(guān)系，我們組織開展激光干擾實(shí)驗(yàn)?？紤]到實(shí)驗(yàn)條件并減小環(huán)境因素對(duì)激光干擾試驗(yàn)的影響，開展室內(nèi)近距離的遠(yuǎn)場(chǎng)激光干擾等效實(shí)驗(yàn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)計(jì)算

機(jī)載情況下，激光干擾距離大多在km 量級(jí)，采用觀瞄設(shè)備對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，此時(shí)光斑均勻覆蓋目標(biāo)。在室內(nèi)，正確開展遠(yuǎn)場(chǎng)激光干擾近距離等效實(shí)驗(yàn)要注意3 個(gè)等效：

1）實(shí)驗(yàn)正確開展的關(guān)鍵是滿足到靶光斑尺寸等效，也即滿足激光通過光學(xué)鏡頭后到靶光斑尺寸小于等于相機(jī)像元尺寸的2 倍，即：

式中：F為相機(jī)鏡頭F數(shù)；θ為激光光束發(fā)散角；dpixel為相機(jī)像元尺寸。

2）室內(nèi)開展實(shí)驗(yàn)需滿足背景亮度等效。若室內(nèi)亮度較低，可以通過增加相機(jī)積分時(shí)間來進(jìn)行背景亮度等效，將積分時(shí)間改變帶來的接收輻射改變視為相機(jī)增益進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)實(shí)驗(yàn)效果，本次實(shí)驗(yàn)采用正常3 ms 積分時(shí)間成像。

3）入瞳功率計(jì)算需考慮以上設(shè)置對(duì)計(jì)算公式的影響。在地面進(jìn)行激光干擾的等效實(shí)驗(yàn)時(shí)，成像系統(tǒng)入瞳功率計(jì)算如下：

式中：P為激光發(fā)射功率；τ為系統(tǒng)發(fā)射效率；τa為大氣透過率；PPupil為成像系統(tǒng)的入瞳功率。若需將計(jì)算接收的激光功率密度與干擾閾值進(jìn)行比較，還需考慮探測(cè)器的響應(yīng)情況與像元尺寸大小。

使用模擬攝像機(jī)作為效應(yīng)物對(duì)干擾實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景進(jìn)行成像，該相機(jī)采用1/2 英寸CCD 進(jìn)行黑白成像，最低照度0.003 lux，生成圖像分辨率為570 TVL，相機(jī)成像孔徑D為8 mm，像元8.6 μm。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，鏡頭對(duì)532 nm 激光透過率為37%，對(duì)808 nm激光透過率為32%，據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證干擾閾值約為1.4 W/cm2。根據(jù)實(shí)際條件，將干擾距離選定為L(zhǎng)=75.6 m。采用532 nm 與808 nm 激光器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，光束發(fā)散角分別為1.8 mrad 和2.5 mrad。為減小激光器功率漂移，將出射的功率范圍設(shè)置避開頭尾兩段，盡量保證功率平穩(wěn)增加。經(jīng)粗略計(jì)算，此種情況下得到的入瞳功率遠(yuǎn)大于相機(jī)干擾閾值，易造成效應(yīng)物損壞，所以，分別對(duì)532 nm 與808 nm 激光器干擾實(shí)驗(yàn)采用100 倍與350 倍的衰減器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。此時(shí)，入瞳功率的計(jì)算應(yīng)當(dāng)除以相應(yīng)衰減倍數(shù)a。

2.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建與激光干擾效果

遠(yuǎn)場(chǎng)激光干擾等效實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)置如圖3所示。激光光源經(jīng)衰減器后到達(dá)光學(xué)成像系統(tǒng)，在成像之前測(cè)量出光口激光功率，測(cè)量之后撤下功率計(jì)進(jìn)行干擾成像試驗(yàn)。為保證功率測(cè)量的正確性，應(yīng)盡量保證功率計(jì)測(cè)量位置方向不變。為保證激光光斑均勻覆蓋成像口徑，采用白紙與顯色卡進(jìn)行對(duì)光，保證激光器與模擬相機(jī)的光軸一致。為確保實(shí)驗(yàn)安全以及效應(yīng)物的安全，激光器出射功率從最小值逐步進(jìn)行調(diào)整。

對(duì)每個(gè)波段激光器分別進(jìn)行17 組不同功率的干擾實(shí)驗(yàn)，獲得對(duì)應(yīng)干擾圖像。依據(jù)激光出射功率以及各實(shí)驗(yàn)參數(shù)可計(jì)算得到入瞳功率。為保證激光器的穩(wěn)定輸出，對(duì)這2 個(gè)輸出功率不同的激光器功率調(diào)節(jié)范圍相差了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

獲得的干擾圖像如圖4所示?？梢钥闯鲈诩す飧蓴_下，探測(cè)器出現(xiàn)了光飽和現(xiàn)象，且光斑面積隨激光功率增大而增大，光斑的不均勻性也隨之增大，功率增大至一定數(shù)值后會(huì)出現(xiàn)串?dāng)_現(xiàn)象。探測(cè)器對(duì)于532 nm 與808 nm 激光光譜響應(yīng)率大致相等，但由于808 nm 激光器發(fā)散角和光斑直徑較大，同等入瞳功率條件下光斑彌散程度較532 nm更大。

3 干擾效果評(píng)估

干擾效果評(píng)估通過如圖5所示的流程圖來實(shí)現(xiàn)。將干擾前的圖像依照干擾后圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，對(duì)配準(zhǔn)后的干擾前圖像與受干擾圖像按照改進(jìn)后的圖像相關(guān)度計(jì)算方法進(jìn)行整體相關(guān)度與相關(guān)度圖像的計(jì)算，再依據(jù)實(shí)驗(yàn)確定的相關(guān)性閾值統(tǒng)計(jì)有效干擾像元數(shù)量。整體相關(guān)度與干擾模糊像元數(shù)都可作為評(píng)價(jià)干擾效果的指標(biāo)，相關(guān)度圖像與依據(jù)閾值進(jìn)行的二值分割結(jié)果圖像可作為更加直觀的評(píng)價(jià)依據(jù)。

3.1 圖像配準(zhǔn)

由于參考圖像和干擾圖像的采集時(shí)刻不同，加上環(huán)境及圖像采集設(shè)備工作特性，導(dǎo)致參考圖像和干擾圖像之間可能存在平移、旋轉(zhuǎn)和縮放變化。由相關(guān)度的計(jì)算公式可知圖像相關(guān)度采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的計(jì)算方法，準(zhǔn)確的配準(zhǔn)結(jié)果是正確計(jì)算相關(guān)性的前提和基礎(chǔ)。圖6 展示了平移、旋轉(zhuǎn)與縮放對(duì)相關(guān)度計(jì)算結(jié)果的影響，說明該方法對(duì)圖像的這3 類變換具有一定的魯棒性，但當(dāng)圖像拍攝方向視角產(chǎn)生較大變化時(shí)，在相關(guān)度計(jì)算之前進(jìn)行圖像配準(zhǔn)是十分必要的。

本文采用SURF算法自動(dòng)提取圖像對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)，然后基于2 幅圖像的特征點(diǎn)計(jì)算變換矩陣，將參考圖像變換至干擾圖像的坐標(biāo)空間，判斷像素配準(zhǔn)的精度[17-18]。在干擾激光功率增加到一定值后，激光光斑使得圖像大面積飽和，在自動(dòng)提取特征點(diǎn)進(jìn)行匹配的情況下兩幅圖像間的錯(cuò)誤匹配點(diǎn)較多，對(duì)于這樣的情況采用手動(dòng)提取特征點(diǎn)對(duì)的方法，計(jì)算變換矩陣得到配準(zhǔn)圖像。

3.2 閾值選取

相關(guān)性閾值C0，也即決定人眼基本無法識(shí)別目標(biāo)的相關(guān)度取值。在實(shí)際使用中閾值的選取應(yīng)當(dāng)根據(jù)當(dāng)前背景下地面保護(hù)/攻擊目標(biāo)的不同來具體選擇。包括飛機(jī)、車輛、坦克等典型目標(biāo)，這些目標(biāo)大小不同，在成像中有效像元數(shù)量不同，因此需要對(duì)不同成像目標(biāo)進(jìn)行相關(guān)度匹配計(jì)算。將主要目標(biāo)的典型模板與干擾后的圖像進(jìn)行疊加，計(jì)算模板與疊加后的區(qū)域的相關(guān)度。再依據(jù)約翰遜判據(jù)，將人眼基本無法識(shí)別時(shí)的相關(guān)系數(shù)選取作為相關(guān)性閾值。由于試驗(yàn)條件限制，本文將激光發(fā)射臺(tái)區(qū)域作為目標(biāo)區(qū)域，我們通過實(shí)驗(yàn)選擇符合人眼識(shí)別效果（干擾光斑形狀相對(duì)完整，背景部分殘留較少）的C0值作為相關(guān)性閾值，結(jié)果如圖7所示，本文將其確定為0.4。

定義相關(guān)度大于給定相關(guān)性閾值C0的像素?cái)?shù)量為有效干擾像素?cái)?shù)量。依據(jù)激光輸出功率與設(shè)備、環(huán)境參數(shù)的關(guān)系計(jì)算入瞳功率，進(jìn)行干擾效果評(píng)估驗(yàn)證。

3.3 干擾效果評(píng)估結(jié)果

圖8 展示了入瞳功率為0.713 7 μW 的532 nm激光器干擾下，受干擾圖像與原始圖像的相關(guān)度計(jì)算結(jié)果，均以灰度圖像顯示。

在相關(guān)度計(jì)算結(jié)果圖中，像素灰度級(jí)越小即像素越黑表示相關(guān)度越小，兩幅圖像在該區(qū)域差異越大。圖8（c）中央黑色區(qū)域的位置即為激光光斑所在位置，可見受到光斑干擾區(qū)域與原始圖像相比差異較大，信息損失嚴(yán)重。

4 評(píng)估結(jié)果分析

4.1 激光入瞳功率與有效干擾像素?cái)?shù)關(guān)系驗(yàn)證

與激光輸出功率對(duì)應(yīng)的干擾區(qū)域像素?cái)?shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 入瞳功率與有效干擾像元數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of entrance pupil power and the number of effective interference pixels

入瞳功率P與模糊像素?cái)?shù)量N的統(tǒng)計(jì)關(guān)系如圖9所示。實(shí)際實(shí)驗(yàn)中激光器的光束質(zhì)量、功率穩(wěn)定性、環(huán)境溫度等因素的變化都會(huì)影響最終的成像情況，可以看出入瞳功率-干擾像素?cái)?shù)（常用對(duì)數(shù)）大致呈線性關(guān)系。評(píng)價(jià)結(jié)果符合激光器干擾一般規(guī)律，說明實(shí)驗(yàn)開展條件控制合理且此種評(píng)價(jià)方式是有效正確的。激光干擾入瞳功率與模糊像素?cái)?shù)的線性擬合結(jié)果如（9）式與（10）式所示：

可由此關(guān)系描述不同波段激光器對(duì)效應(yīng)物的干擾作用，進(jìn)而進(jìn)行線性干擾范圍內(nèi)，激光干擾效果預(yù)測(cè)。從2 個(gè)公式的對(duì)比可以看出，808 nm 激光光束在初始條件下對(duì)場(chǎng)景干擾更大，光斑擴(kuò)散更明顯；入瞳功率逐漸增大時(shí)，532 nm 激光器在探測(cè)器上飽和溢出效應(yīng)更明顯，達(dá)到光斑區(qū)域完全飽和所需的出射功率更小。

4.2 亮度變化對(duì)相關(guān)度評(píng)估方法的影響

大部分相似度評(píng)估方法將圖像的整體亮度變化視為相似度變化的重要指標(biāo)，但在激光干擾效果評(píng)估中，環(huán)境亮度變化等因素導(dǎo)致的圖像整體亮度變化不應(yīng)當(dāng)作為衡量干擾效果的因素，算法應(yīng)該對(duì)背景亮度變化具有魯棒性。圖10 展示了模擬不同整體亮度下受干擾圖像與原始圖像的圖像相關(guān)度計(jì)算結(jié)果。

由于改進(jìn)后的相關(guān)度計(jì)算采用去中心的方法，僅考慮各區(qū)域的灰度值波動(dòng)情況，所以當(dāng)圖像亮度整體均勻變化時(shí)，相關(guān)度計(jì)算結(jié)果不受影響。

5 結(jié)論

圖像的相關(guān)度計(jì)算結(jié)果易受圖像對(duì)準(zhǔn)精度和圖像區(qū)域內(nèi)灰度值變化影響。本文從計(jì)算干擾前后圖像相關(guān)度的角度評(píng)估激光干擾效果，在精確配準(zhǔn)干擾前后圖像的基礎(chǔ)上以像素為單位計(jì)算圖像相關(guān)度，該方法對(duì)于圖像的平移、旋轉(zhuǎn)與縮放具有一定的魯棒性。實(shí)驗(yàn)采集了不同波段以及激光干擾功率下的干擾圖像，并運(yùn)用基于相關(guān)度計(jì)算的方法對(duì)采集到的圖像進(jìn)行干擾效果評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文的方法評(píng)估結(jié)果符合人類的主觀視覺感受，能為激光干擾效果的評(píng)估提供準(zhǔn)確、量化的依據(jù)，處理速度較快，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。