簡易分時型長波紅外偏振成像系統研究

陸高翔，楊志勇，宋俊辰

簡易分時型長波紅外偏振成像系統研究

陸高翔，楊志勇，宋俊辰

（火箭軍工程大學 兵器發射理論與技術國家重點學科實驗室，陜西 西安 710025）

為了開展紅外偏振成像技術研究工作，本文設計搭建了一個長波紅外偏振成像系統，實現了目標分時成像。提出了一種改進的基于單像元非均勻性差分圖像校正方法去除冷反射，基于Sobel邊緣檢測方法對圖像進行配準，并對目標場景的偏振特性進行了分析。結果表明，設計搭建的系統能夠獲取目標場景的紅外偏振信息，預處理后的圖像能夠滿足實驗需要，經過Stokes矢量方法得到的目標場景偏振圖像邊緣輪廓與細節信息更加豐富。為了進一步衡量實驗系統的性能，對強度圖像和偏振度圖像進行了融合，融合后的圖像與紅外強度圖像相比，圖像評估質量得到明顯提升，驗證了實驗系統的可行性。該技術在未來的復雜環境下提高目標探測效率具有應用價值。

紅外；偏振成像；圖像增強

0 引言

紅外探測可以全天候且不受光照條件影響，根據熱輻射差異來區分目標和背景[1]。但在一些復雜環境下，紅外圖像存在目標與背景對比度較低、成像畫面灰暗、信噪比不高、邊緣模糊等缺點，無法達到探測應用要求。偏振成像技術能夠根據目標表面材料反射或輻射的偏振特點，成像后表征目標的偏振特性，加強邊緣輪廓特征，在一定程度上能夠彌補傳統紅外成像的不足。同時，利用偏振信息可以拓展目標信息維度，豐富被測目標細節信息。為此，國內外學者開展了不同方向研究。

偏振成像在大氣觀測、目標檢測與分類、醫學診斷、監視和三維目標重建等領域有廣泛應用[2]。2005年，為了提高偵察能力，以色列進行了長波紅外偏振成像實驗[3]，發現目標（軍用卡車和軍用帳篷）在復雜背景中偏振紅外成像效果比傳統紅外成像在對比度和信雜比（signal-to-clutter ratio，SCR）指標上有很大提高。中科院安徽光機所[4]利用三平行光路獲取0°，60°，120°偏振方向的紅外圖像實現實時成像，且該系統可以通過步進電機控制偏振片旋轉實現不同波段偏振探測，但該方法帶來了圖像偏移問題。胡冬梅等人[5]搭建的可見光偏振成像系統在野外實驗中發現：偏振0圖像中目標與背景的對比度相對于正常強度圖像有較大提高，且能夠顯示更多細節信息、有效探測低對比度條件下的目標，但其搭建的系統存在光強較弱時成像質量差、探測效果不理想等問題。為了解決分孔徑、分振幅偏振成像出現的圖像配準問題，楊敬鈺[6]、林威[7]等人提出了多分辨率分光流算法、分光路圖像的相似性度量函數等方法進行圖像配準。王軍等人[8]開展了紅外偏振成像研究，實驗結果表明紅外偏振成像獲取的圖像信息量會更加豐富，為探測識別紅外隱身偽裝目標提供了可能性。美國武器研究發展與工程中心更是對俄制2S3型自行榴彈炮進行持續7個月不間斷的紅外偏振探測[9]，獲取多達81936幅有效長波紅外偏振照片，對不同季節、不同時段、不同天氣條件下的目標和背景構建偏振特性曲線，并且進行信息分析工作。

本文搭建了一種長波紅外偏振成像系統，提出一種改進的基于單像元非均勻性差分圖像校正方法和基于Sobel邊緣檢測的圖像配準方法對圖像進行預處理，并對場景目標偏振特性進行分析。實驗結果表明，本文搭建的長波紅外偏振成像系統能夠豐富場景目標邊緣輪廓信息和細節信息，一定程度上能夠彌補傳統紅外成像的不足。

1 紅外偏振探測機理

光波是橫波，其電矢量振動面和傳播方向互相垂直，電矢量振動方向相對于傳播方向的不對稱性為偏振[10]。根據菲涅爾反射定律，當光線入射到物體光滑表面時會反射產生部分偏振光，且由能量守恒定律和基爾霍夫定律可知，非透明物體能夠發出具有偏振特性的熱輻射，這為實現紅外偏振探測提供了理論依據。

在偏振探測領域，常采用Stokes矢量（0,1,2,3）來描述物體反射或輻射光的偏振態。其中，0表示光的強度，1表示水平方向上線偏振光的強度，2表示對角方向上線偏振光的強度，3表示圓偏振光的強度。偏振鏡片旋轉至0°、45°、90°、135°方位角時，通過系統獲取相對應0°、45°、90°、135°圖像，在實際應用中圓偏振分量很小，常取3＝0。利用這些信息，可以計算出目標輻射的Stokes參數。

式中：lr、cr表示左旋和右旋偏振光。利用Stokes矢量能夠計算出目標的偏振度（degree of polarization，DOLP）、偏振角（angle of polarization，AOP）。偏振度是一個介于0和1之間的標量值。根據Stokes參數偏振度、偏振角定義為：

2 長波紅外偏振成像系統

2.1 系統搭建

為了能夠穩定獲取目標的偏振信息，實驗裝置采用長波紅外成像器，并結合配套軟件，自動調焦并且實時成像。長波紅外偏振片的消光比為10000:1。系統各技術參數見表1。

表1 長波紅外偏振成像系統參數

通過工作臺將成像儀和偏振片固定在同一平面，為保證電動旋轉臺穩定不動，采用硬質金屬底板與螺栓固定。為防止雜光影響成像質量，采用可彎曲調整的相機消光罩。同時為了方便觀察不同目標，工作臺俯仰調節范圍為60°。

2.2 冷反射去除

冷反射現象是熱成像系統所特有的一種圖像異態[11]。系統采用的長波紅外成像儀為非制冷型熱成像儀，當偏振片平行放置于非制冷型紅外熱像儀光學鏡頭前時，熱像儀、紅外偏振片及鏡筒之間存在較大溫差，從而形成冷反射。偏振圖像中視野中央出現白色亮斑，如圖1所示，嚴重影響成像質量。

圖1 長波紅外偏振成像冷反射現象

去除冷反射效應通常采用非均勻性校正方法或者偏振器件光軸與光學系統光軸形成約11°夾角的做法[12-13]。傳統非均勻性校正圖像差分方法在冷反射高頻部分去除不徹底，而在低頻部分去除過多。如圖2所示，傳統方法去除冷反射效果不佳，仍存在干擾視場的冷反射光圈。本文提出了一種改進的基于單像元非均勻性差分圖像校正方法，去除疊加在紅外偏振圖像上不可消除的漸暈效應信號。

圖2 傳統方法去除冷反射效果圖

設定初始位置時偏振片為0°，在偏振片旋轉到0°、45°、90°、135°位置分別采集帶冷反射的目標場景圖像和冷反射基準圖像，用base表示冷反射基準圖像，用offset表示冷反射校正圖像。采集含冷反射的目標場景圖像0、45、90、135，保持電動旋轉臺靜止，用黑色低溫擋板遮擋進入偏振片的光線，同時采集0°、45°、90°、135°位置的冷反射基準圖像。將冷反射基準圖像進行高低頻分解，分別進行單點非均勻性校正。

單點非均勻性校正公式如下：

式中：、表示探測器行和列像素個數；(,)為成像圖像中各位置的坐標。

將帶冷反射的目標場景圖像進行高低頻分解，然后分別對冷反射校正圖像進行差分，通過重構得到精確的線偏振圖像。用objective表示帶冷反射的目標場景圖像，amend表示目標去除冷反射校正圖像。其公式如下：

2.3 圖像配準

在紅外偏振成像系統中，由于電動旋轉臺在工作時不可避免產生微小振動，成像系統平臺易發生抖動和偏移，以及傳感器設備等特殊因素的干擾，造成獲取圖像時易發生偏移，給計算偏振信息和圖像融合帶來不必要的誤差。計算場景目標偏振信息需要從一幀圖像中提取出與正交偏振方向相對應的兩幅圖像，要求提取的兩幅圖像在像素之間是一一對應關系，這樣它們才能夠映射到同一場景。為進一步精確計算偏振圖像信息，對4幅初始偏振圖像進行圖像配準，減少計算偏振信息和圖像融合時像素偏移誤差帶來的性能損失。

由于電動旋轉臺工作造成圖像發生剛性變換，圖像間發生物體位置平移，在配準過程中圖像內部的距離和角度保持不變，圖像整體內部形狀不會發生變化。根據變換公式有：

式中：d，d分別表示為和方向上平移量。

為精確獲得，方向上的平移量，采用Sobel邊緣檢測算法獲取邊緣方向信息。Sobel算子根據像素點上下、左右鄰點灰度加權差，在邊緣處達到極值這一現象檢測邊緣，對噪聲具有平滑作用，提供精確的邊緣方向信息。其公式如下：

式中：G、G分別代表經橫向及縱向邊緣檢測的圖像灰度值；為原始圖像。

對特征點進行提取，并根據特征點生成圖像的特征向量，建立一個含野值的匹配對。由于變換圖像和基準圖像只相差數個像素位移，當兩者位移差達到設定閾值即可判斷為錯誤匹配點。為提高匹配精度，對匹配點位移差均值化，從而得到精確的位移量。從圖3可以看出，目標在兩幅圖像之間存在位移偏差，利用原始的4幅圖像計算場景的偏振狀態，會產生比較大的誤差。

圖3 不同偏振方向的紅外圖像：(a1)、(a2)分別為偏振方向為0°和135°的紅外圖像；(b1)、(b2)為相對應的細節放大圖

3 圖像預處理檢驗

3.1 冷反射效應去除檢驗

為檢驗本系統在實際應用中去除冷反射的效果，選擇在晴朗天氣條件對實驗室外約300m遠的高樓采集紅外偏振圖像并進行離線處理。圖4是經過非均勻性校正后獲得的4個偏振方向的室外場景圖像，圖(a)為紅外圖像，圖(b)為去除冷反射后校正的紅外偏振圖像。通過對比分析，長波紅外偏振成像系統獲取的紅外圖像出現明顯的冷反射現象，視野中央呈現出顯著遮擋目標物的白色光斑。從實驗結果來看，紅外目標場景出現的冷反射光斑幾乎消除，說明本文提出改進的基于單像元非均勻性差分圖像校正方法可以解決本系統非制冷型熱成像器冷反射問題。

圖4 紅外偏振冷反射去除效果圖

由圖5可見，去除冷反射前圖像灰度值主要集中在50附近，但受冷反射疊加的影響，存在大量曝光過度的區域。去除冷反射后圖像灰度值總體增大，過暗或曝光過度的區域較少。疊加在圖像上的冷反射去除后，原先被冷反射遮擋的區域得到還原，灰度值較小區域總體得到增大。分析冷反射去除前后圖像灰度值像素個數變化圖，可以認為本文系統所產生冷反射經非均勻性校正后效果較好，滿足偏振信息分析的需求。

圖5 冷反射去除前后灰度值像素個數變化圖

3.2 圖像配準檢驗

圖像配準結果如圖6所示。圖6(b)是經過基于Sobel邊緣算法配準對齊后的結果。由圖6可以觀察到，Sobel邊緣檢測算法可以準確地將紅外偏振圖像對齊，且信息未增添或刪減。不同偏振方向的紅外圖像存儲了目標不同方向的信息，由圖3可以看出由于偏振片角度發生變化，圖像中某些位置發生光線變化。紅外偏振成像系統將熱成像儀固定在實驗平臺上，紅外偏振片固定在電動旋轉臺上，電動旋轉臺固定在實驗平臺上，工作時發出微小振動，可能造成同一目標不同偏振方向上位置存在偏差，經過圖像配準處理后可以很好地消除振動造成的誤差。

圖6 配準效果圖

4 實驗及結果分析

為了驗證所搭建系統的可行性，在晴朗天氣下采集了4幅復雜環境下的長波紅外偏振圖像，圖像預處理后求解Stokes矢量，并對場景目標偏振特性進行分析，流程如圖7所示。

圖7 紅外偏振信息計算流程圖

觀測目標為實驗室外一幢高樓，背景為晴朗天空和遠處民居。利用長波紅外成像儀探測場景目標，通過式(1)計算得到0圖像，并通過式(2)計算出偏振度（DOLP）。

由圖8(a)可知，高樓的明暗關系由自身發出紅外熱輻射強弱決定。大樓表層的反射很強，天空背景和大樓旁的樹木反射較弱，通過仔細觀察發現大樓有3扇窗戶呈打開狀態；而在圖8(b)紅外偏振圖像中根據偏振度不同區分目標與背景，因大樓表層所用材料一致，雖有微小溫度差異，但偏振度圖像能夠克服溫度差異帶來的影響，發現大樓主體除窗戶外用料一樣，且大樓的邊緣輪廓特性好，可以很明顯分辨出3扇打開的窗戶。

圖8 辦公樓圖像

為進一步驗證實驗系統具有提高目標與背景的對比度和增加目標信息量等特性，在上衣前放置一個加熱到60°的熱水壺，目標與成像儀距離6m，實驗時處于完全黑暗情況。從圖9(a)可以看出，熱水壺熱輻射較強，且在地板上形成倒像，但不能看出明亮處具體細節，背景與熱水壺細節處不清晰；圖9(b)紅外偏振度圖像中灰度值總體較暗，但目標與背景區分明顯，且水壺的細節例如手柄與水壺連接處的塑膠清晰可見，水壺的棱線分明，較好呈現水壺的大體輪廓。

紅外偏振特性圖像和強度圖像之間具有信息冗余性和互補性。圖9(c)為圖9(a)、9(b)采用一種基于最大系數的算法融合而成，并對目標（水壺）處計算信息熵、標準差和平均梯度。信息熵是一種圖像特征的統計形式，熵值越大，從一定程度上說明融合圖像的信息量越大；標準偏差反映圖像像素值和整體像素均值的差異、體現圖像整體的對比度；平均梯度表征圖像相對清晰程度，梯度值越大說明圖像細節信息越清晰。表2為對圖9圖像的融合評價結果。

表2 圖9圖像評估結果

從圖像融合前后可以看出，融合后的圖像視覺效果更好，過曝光處邊緣信息和輪廓信息也明顯被凸顯出來。融合后圖像的信息熵提高了20.3%，平均梯度提高了152.9%，標準差略有下降，跟偏振度圖像標準差較低有較大關系，這表明融合后的圖像能提高清晰度，增強目標輪廓特征，豐富細節信息，但由于偏振度圖像對比度低，融合后圖像灰度值總體較暗。

圖10(a)是晴朗天氣情況下樹林的紅外強度圖像，圖10(a)、(b)分別為偏振度圖像和融合圖像。從圖10(a)～(b)可以看出樹木的紅外圖像和偏振度圖像特征互補，在紅外圖像中樹和公路的邊緣輪廓不清晰，而在偏振度圖像中這一特征得到提升。融合后的圖像綜合了兩幅圖像的細節信息，例如樹干的形狀和紋理特征，整體視覺效果更好。此外，融合圖像把公路和植物明顯區分開來，層次感更強。

從表3可以看出，相對于0圖像，融合圖像的信息熵、標準差、平均梯度得到顯著提升，其中信息熵提升了7.7%，標準差提升了41.1%，平均梯度提升了217.1%，這充分說明本實驗系統在提升成像質量、復雜環境下獲取偏振信息具有可行性。

表3 圖10圖像評估結果

5 結語

本文搭建的長波紅外偏振成像系統，由長波紅外成像器、長波紅外偏振片、電控旋轉臺、儀器固定平臺組成，提出改進的基于單像元非均勻性差分圖像校正方法去除非制冷型熱成像器在偏振片形成的冷反射，利用基于Sobel邊緣檢測的圖像配準方法對不同偏振方向的紅外圖像對齊，最后利用Stokes矢量公式求解紅外偏振信息。實驗結果表明，本系統可以根據目標場景輻射或反射紅外偏振特性的不同，在系統中表征不同的偏振信息，加強邊緣輪廓特征，能夠對傳統紅外圖像信息不足等缺陷進行補充，融合圖像實驗證明本文提出的系統具有可行性。

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Simple Time-sharing Long Wave Infrared Polarization Imaging System

LU Gaoxiang，YANG Zhiyong，SONG Junchen

(,,710025,)

To conductresearch on infrared polarization imaging technology, this paper designs and builds a long-wave infrared polarization imaging system to achieve target time-sharing imaging. An improved differential image correction method based on single-pixel inhomogeneity was proposed to remove cold reflections;the imagewas registered using the Sobel edge detection method, and the polarization characteristics of the target scene were analyzed. The results demonstrate that the proposed system can obtain the infrared polarization information of the target scene, and the pre-processed image meets the requirements of the experiment. The edge contour and detailed information obtained by the Stokes vector method for the polarization image of the target scene are more abundant. To further measure the performance of the experimental system, the intensity and polarization degree imageswere fused. Compared with the infrared intensity image, the fused image has a significantly improved image evaluation quality, which verifies the feasibility of the experimental system. This technology can potentiallyimprove target detection efficiency in complex environments in the future.

infrared, polarization imaging, image enhancement

TP391

A

1001-8891(2021)08-0723-07

2020-10-29；

2020-11-27.

陸高翔（1996-），男，廣東人，碩士研究生，研究紅外偏振探測方向。E-mail：lu894118008@163.com。

楊志勇（1983-），男，河北人，副教授，碩士生導師，研究偏振光軍事應用方向。E-mail：yangzhiyong121@126.com。