本申請(qǐng)涉及光電探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種目標(biāo)的探測(cè)方法。

背景技術(shù)：

在現(xiàn)有技術(shù)中，通?？梢允褂闷裥畔?lái)表征目標(biāo)的物理和化學(xué)特性。從現(xiàn)有的偏振探測(cè)研究基礎(chǔ)來(lái)看,偏振信息的解譯是一個(gè)關(guān)鍵的研究過(guò)程。通過(guò)偏振成像試驗(yàn),對(duì)獲取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析之后,發(fā)現(xiàn)在儀器響應(yīng)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi),偏振態(tài)參數(shù)受光強(qiáng)影響較小,特別是以偏振角參數(shù)圖像顯示景物狀態(tài)特征,能夠較好地表征目標(biāo)邊緣輪廓特征。

但是，在現(xiàn)有技術(shù)中的目標(biāo)的探測(cè)方法中，通常是通過(guò)光譜輻射亮度對(duì)比度來(lái)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，而并未基于目標(biāo)邊緣輪廓偏振特性對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，因此存在目標(biāo)識(shí)別效率低等問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種目標(biāo)的探測(cè)方法，從而可以利用偏振角特征進(jìn)行目標(biāo)邊緣輪廓的特征提取，有利于提高目標(biāo)識(shí)別效率、增強(qiáng)場(chǎng)景感知。

本發(fā)明的技術(shù)方案具體是這樣實(shí)現(xiàn)的：

一種基于紅外圖像復(fù)雜度的圖像分級(jí)方法，該方法包括如下的步驟：

a、讀取所需分析的紅外偏振圖像數(shù)據(jù)；

b、根據(jù)所讀取的紅外偏振圖像數(shù)據(jù)，使用如下公式計(jì)算目標(biāo)表面邊緣輪廓的偏振角：

其中，α為偏振角，s1為沿與x軸夾角為0°和90°方向的線偏振分量差分值，s2為沿與x軸夾角為±45°方向線偏振分量差分值，θ為微面元法線與目標(biāo)表面法線的夾角，σ為目標(biāo)表面的粗糙度，θi為入射角，ηi為將標(biāo)量雙向反射分布函數(shù)偏振化時(shí)所引入的參考平面之間變換的旋轉(zhuǎn)角，rs為菲涅耳反射率的垂直分量，rp為菲涅耳反射率的平行分量，ωr為反射球面角；

c、對(duì)計(jì)算得到的偏振角進(jìn)行魯棒性驗(yàn)證，并將符合魯棒性要求的偏振角作為目標(biāo)輪廓偏振角特征記錄到邊緣輪廓偏振角特性數(shù)據(jù)集中；

d、重復(fù)上述的步驟a～c，直至形成滿足需求的邊緣輪廓偏振角特性數(shù)據(jù)集；

e、根據(jù)邊緣輪廓偏振角特性數(shù)據(jù)集中各個(gè)不同的目標(biāo)輪廓偏振角特征，分別建立對(duì)應(yīng)于不同姿態(tài)情況的邊緣輪廓偏振角模板，通過(guò)深度學(xué)習(xí)，完成模板匹配，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)。

較佳的，對(duì)于不透明的輻射物體，其入射到紅外線柵偏振片前的斯托克斯stokes矢量sⁱⁿ表示為：

sⁱⁿ＝s^r+s^e＝∫f(θi,φi,θr,φr,λ)cos(θr)dωr·sⁱ+εsurf·iobj，

其中，s^r為目標(biāo)表面反射的stokes矢量，s^e為自身輻射的stokes矢量，f為基于微面元理論的priest-germer模型，θi為入射角，φi為入射光線投影到由x、y確定的平面上與x軸之間的夾角，θr為反射角，φr為反射光線投影到由x、y確定的平面上與x軸之間的夾角，λ為波長(zhǎng)，sⁱ為入射光的stokes矢量，εsurf為紅外偏振輻射率，iobj為目標(biāo)的輻射強(qiáng)度。

較佳的，假設(shè)被動(dòng)紅外成像系統(tǒng)中入射光為自然光，則sⁱ表示為：

sⁱ＝[ibg000]^t，

其中，ibg為背景輻射強(qiáng)度，則sⁱⁿ表示為：

其中，s0、s1、s2和s3分別為stokes矢量的4個(gè)stokes參量，f00、f10、f20和f30分別為偏振雙向分布反射函數(shù)的第一列的四個(gè)分量。

較佳的，f00、f10、f20由菲涅耳反射穆勒矩陣m(θi,φi,θr,φr)中的m00、m10、m20計(jì)算得出；

通過(guò)mi,j(i,j＝0,1,2,3)的計(jì)算公式計(jì)算出m00、m10、m20為：

其中，ηi和ηr分別為將標(biāo)量brdf偏振化時(shí)所引入的參考平面之間變換的旋轉(zhuǎn)角；m00表示偏振分量s、p的菲涅耳反射率的rs與rp之和，m10、m20分別表示偏振分量s、p的菲涅耳反射率rs、rp之差與兩倍入射參考平面變換的旋轉(zhuǎn)角ηi的余弦值、正弦值的乘積。

較佳的，ηi的計(jì)算表達(dá)式為：

將m00、m10、m20代入公式中得：

如上可見(jiàn)，在本發(fā)明的技術(shù)方案中，由于通過(guò)比較反射和目標(biāo)自身輻射的偏振傳輸stokes表達(dá)式，推導(dǎo)得出目標(biāo)邊緣輪廓偏振角特征與波長(zhǎng)不相關(guān)；且通過(guò)試驗(yàn)分析可知：目標(biāo)與背景輻射相差較小的情況下，通過(guò)光譜輻射亮度對(duì)比度無(wú)法區(qū)分目標(biāo)，但通過(guò)偏振角對(duì)比度可以明顯區(qū)分目標(biāo)的邊緣特征。原因在于：偏振成像測(cè)量對(duì)目標(biāo)邊緣特征的取向變化敏感，典型目標(biāo)與背景表面狀態(tài)的差異能夠引起較大的偏振角變化，同時(shí)目標(biāo)偏振角特征能夠表現(xiàn)出不同表面取向的細(xì)節(jié)特征，同時(shí)提高了目標(biāo)的對(duì)比度，能夠在背景中凸現(xiàn)目標(biāo)的邊緣特征。因此，通過(guò)使用本發(fā)明所提供的方法，可以利用偏振角特征進(jìn)行目標(biāo)邊緣輪廓的特征提取，有利于提高目標(biāo)識(shí)別效率、增強(qiáng)場(chǎng)景感知，可方便地應(yīng)用于目標(biāo)探測(cè)、識(shí)別等領(lǐng)域。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例中的目標(biāo)的探測(cè)方法的流程圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中的錐體模型邊緣輪廓在不同探測(cè)方向的中波高光譜偏振角變化趨勢(shì)示意圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中的錐體模型邊緣輪廓在不同探測(cè)方向的長(zhǎng)波高光譜偏振角變化趨勢(shì)示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例中的目標(biāo)的探測(cè)方法的流程圖。如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例中的目標(biāo)的探測(cè)方法包括如下所述步驟：

步驟101，讀取所需分析的紅外偏振圖像數(shù)據(jù)。

步驟102，根據(jù)所讀取的紅外偏振圖像數(shù)據(jù)，使用如下公式計(jì)算目標(biāo)表面邊緣輪廓的偏振角：

其中，α為偏振角，s1為沿與x軸夾角為0°和90°方向的線偏振分量差分值，s2為沿與x軸夾角為±45°方向線偏振分量差分值，θ為微面元法線與目標(biāo)表面法線的夾角，σ為目標(biāo)表面的粗糙度，θi為入射角，ηi為將標(biāo)量雙向反射分布函數(shù)(brdf)偏振化時(shí)所引入的參考平面之間變換的旋轉(zhuǎn)角，rs為菲涅耳反射率的垂直分量，rp為菲涅耳反射率的平行分量，ωr為反射球面角。

在stokes矢量表示法中，一般通過(guò)s0、s1、s2和s3等4個(gè)stokes參量來(lái)描述光波的偏振態(tài)和強(qiáng)度，例如，s＝(s0，s1，s2，s3)^t；其中，s0表示入射光的總的光強(qiáng)，s1表示沿與x軸夾角為0°和90°方向的線偏振分量差分值，s2表示沿與x軸夾角為±45°方向線偏振分量差分值，s3與左旋或右旋的圓偏振分量差分值。

在本發(fā)明的技術(shù)方案中，根據(jù)紅外偏振發(fā)射率模型及紅外偏振成像輻射傳輸模型可知，對(duì)于不透明的輻射物體，其入射到紅外線柵偏振片前的斯托克斯(stokes)矢量sⁱⁿ可表示為(忽略傳輸路程中的大氣輻射)：

sⁱⁿ＝s^r+s^e＝∫f(θi,φi,θr,φr,λ)cos(θr)dωr·sⁱ+εsurf·iobj(2)

其中，s^r為目標(biāo)表面反射的stokes矢量，s^e為自身輻射的stokes矢量，f為基于微面元理論的priest-germer模型，θi為入射角，φi為入射光線投影到由x、y確定的平面上與x軸之間的夾角，θr為反射角，φr為反射光線投影到由x、y確定的平面上與x軸之間的夾角，λ為波長(zhǎng)，sⁱ為入射光的stokes矢量，εsurf為紅外偏振輻射率，iobj為目標(biāo)的輻射強(qiáng)度。

假設(shè)被動(dòng)紅外成像系統(tǒng)中入射光為自然光，即sⁱ可表示為：

sⁱ＝[ibg000]^t，

其中，ibg為背景輻射強(qiáng)度，則上述的公式(2)可表示為：

其中，s0、s1、s2和s3分別為stokes矢量的4個(gè)stokes參量，f00、f10、f20和f30分別為偏振雙向分布反射函數(shù)的第一列的四個(gè)分量。

由上式可知，場(chǎng)景表面的stokes矢量sⁱⁿ與f00、f10、f20密切相關(guān)，f00、f10、f20可由菲涅耳反射穆勒矩陣m(θi,φi,θr,φr)中的m00、m10、m20計(jì)算得出(通常忽略v參數(shù)，故略去m30求解)，通過(guò)mi,j(i,j＝0,1,2,3)的計(jì)算公式可以計(jì)算出m00、m10、m20為：

其中，ηi和ηr分別為將標(biāo)量brdf偏振化時(shí)所引入的參考平面之間變換的旋轉(zhuǎn)角；m00表示偏振分量s、p的菲涅耳反射率的rs與rp之和，m10、m20分別表示偏振分量s、p的菲涅耳反射率rs、rp之差與兩倍入射參考平面變換的旋轉(zhuǎn)角ηi的余弦值、正弦值的乘積；ηi的計(jì)算表達(dá)式為：

將m00、m10、m20代入公式(3)中可得：

由此可知，目標(biāo)的紅外偏振特性與表面折射率、入射角、反射角、粗糙度等多種因素相關(guān)，同時(shí)也與目標(biāo)背景的輻射強(qiáng)度密切相關(guān)。

由偏振角的定義以及上述的公式(6)可推導(dǎo)得出基于偏振brdf模型的偏振角可表述為上述的公式(1)：

因此，在本發(fā)明的技術(shù)方案中，為驗(yàn)證偏振角與波長(zhǎng)之間的關(guān)系，對(duì)基于微面元理論的反射偏振特性進(jìn)行了分析研究。由于偏振反射傳輸模型的stokes矢量sⁱⁿ為sⁱⁿ＝s^r＝∫f(θi,φi,θr,φr,λ)cos(θr)dωr·sⁱ，其中sⁱ為入射光stokes矢量，通常情況下認(rèn)為被動(dòng)成像系統(tǒng)中入射光為自然光，故sⁱ的表達(dá)式為：sⁱ＝[ibg000]^t；進(jìn)而可得出反射偏振傳輸方程的stokes表達(dá)式，通過(guò)計(jì)算可得反射偏振傳輸狀態(tài)下偏振角的計(jì)算表達(dá)式，與公式(1)一致。也就是說(shuō)，目標(biāo)在同一平面內(nèi)的邊緣偏振角特征隨入射角的變化呈單調(diào)變化的趨勢(shì)，且與探測(cè)波長(zhǎng)不相關(guān)。

由此可知，目標(biāo)表面邊緣輪廓的偏振角特征屬于目標(biāo)表面的基本特征，探測(cè)波長(zhǎng)不影響目標(biāo)表面的偏振角特性，相對(duì)于偏振度而言，基于目標(biāo)邊緣輪廓的偏振角特性可作為目標(biāo)探測(cè)探測(cè)識(shí)別的主要特征。

因此，在本步驟中，可以根據(jù)所讀取的紅外偏振圖像數(shù)據(jù)，使用上述的公式(1)計(jì)算得到目標(biāo)表面邊緣輪廓的偏振角。

步驟103，對(duì)計(jì)算得到的偏振角進(jìn)行魯棒性驗(yàn)證，并將符合魯棒性要求的偏振角作為目標(biāo)輪廓偏振角特征記錄到邊緣輪廓偏振角特性數(shù)據(jù)集中。

步驟104，重復(fù)上述的步驟101～103，直至形成滿足需求(例如，數(shù)據(jù)集中所記錄的偏振角的個(gè)數(shù)達(dá)到了預(yù)設(shè)閾值)的邊緣輪廓偏振角特性數(shù)據(jù)集。

步驟105，根據(jù)邊緣輪廓偏振角特性數(shù)據(jù)集中各個(gè)不同的目標(biāo)輪廓偏振角特征，分別建立對(duì)應(yīng)于不同姿態(tài)情況的邊緣輪廓偏振角模板，通過(guò)深度學(xué)習(xí)，完成模板匹配，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)。

因此，通過(guò)上述的步驟101～105，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)。

另外，在本發(fā)明的技術(shù)方案中，還根據(jù)本發(fā)明中的目標(biāo)的探測(cè)方法進(jìn)行了具體的試驗(yàn)，以驗(yàn)證本發(fā)明的目標(biāo)的探測(cè)方法的有效性。

例如，在本發(fā)明的技術(shù)方案中，可以以椎體模型作為姿態(tài)分析的目標(biāo)，設(shè)計(jì)椎體模型在不同探測(cè)方向的高光譜偏振特性測(cè)量試驗(yàn)。為了提高目標(biāo)背景的對(duì)比度，該試驗(yàn)中加熱了錐體模型的頭部。例如，試驗(yàn)環(huán)境溫度為30℃，錐體目標(biāo)模型頭部溫度為40℃。圖2為本發(fā)明實(shí)施例中的錐體模型邊緣輪廓在不同探測(cè)方向的中波高光譜偏振角變化趨勢(shì)示意圖，圖3為本發(fā)明實(shí)施例中的錐體模型邊緣輪廓在不同探測(cè)方向的長(zhǎng)波高光譜偏振角變化趨勢(shì)示意圖，圖2和圖3可以視為在錐體模型不同探測(cè)方向時(shí)中、長(zhǎng)波高光譜邊緣輪廓偏振角特征數(shù)據(jù)分析結(jié)果，其中光譜偏振角對(duì)比度cα(λ)的計(jì)算過(guò)程定義為(計(jì)算分析以目標(biāo)模型邊緣輪廓偏振角為計(jì)算主體)：

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果可知，該試驗(yàn)結(jié)果不僅驗(yàn)證了探測(cè)方向?qū)δ繕?biāo)光譜偏振特性的影響，同時(shí)數(shù)據(jù)分析也驗(yàn)證了目標(biāo)在不同姿態(tài)時(shí)邊緣輪廓偏振角的取值穩(wěn)定性，故可根據(jù)目標(biāo)邊緣輪廓在不同姿態(tài)對(duì)應(yīng)的偏振角特征與基準(zhǔn)坐標(biāo)之間的計(jì)算分析，初步確定目標(biāo)姿態(tài)。

綜上所述，在本發(fā)明的技術(shù)方案中，由于通過(guò)比較反射和目標(biāo)自身輻射的偏振傳輸stokes表達(dá)式，推導(dǎo)得出目標(biāo)邊緣輪廓偏振角特征與波長(zhǎng)不相關(guān)；且通過(guò)試驗(yàn)分析可知：目標(biāo)與背景輻射相差較小的情況下，通過(guò)光譜輻射亮度對(duì)比度無(wú)法區(qū)分目標(biāo)，但通過(guò)偏振角對(duì)比度可以明顯區(qū)分目標(biāo)的邊緣特征。原因在于：偏振成像測(cè)量對(duì)目標(biāo)邊緣特征的取向變化敏感，典型目標(biāo)與背景表面狀態(tài)的差異能夠引起較大的偏振角變化，同時(shí)目標(biāo)偏振角特征能夠表現(xiàn)出不同表面取向的細(xì)節(jié)特征，同時(shí)提高了目標(biāo)的對(duì)比度，能夠在背景中凸現(xiàn)目標(biāo)的邊緣特征。因此，通過(guò)使用本發(fā)明所提供的方法，可以利用偏振角特征進(jìn)行目標(biāo)邊緣輪廓的特征提取，有利于提高目標(biāo)識(shí)別效率、增強(qiáng)場(chǎng)景感知，可方便地應(yīng)用于目標(biāo)探測(cè)、識(shí)別等領(lǐng)域。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明保護(hù)的范圍之內(nèi)。