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海面背景耀光的自适应抑制系统.docx
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2023-02-23
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海面背景耀光的自适应抑制系统.docx
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摘要
太阳光通过海面的镜面反射形成耀光,但其较强的光强会造成常规探测成像饱和,严重影响
对海面目标的探测。基于海面耀光的偏振特性以及数字域时间延时积分互补金属氧化物半
导体(TDI-CMOS)的积分特性,设计并构建了一套海面目标自适应偏振探测系统。利用该系
统通过偏振相机对海面目标进行实时成像偏振测量,引导数字域 TDI-CMOS 相机在时域与
空域两个维度上对耀光进行抑制。搭建了水面观测实验平台,针对典型目标,开展了相关的
验证实验。实验结果表明:使用所构建的探测系统能够有效抑制太阳耀光对图像的影响,并
且获取的耀光抑制图像相比一般图像,信杂比提升显著,该系统有效改善了运动目标对图像
造成的伪影现象,针对海面目标的探测效果得到有效改善。
Abstract
The mirror reflection of sunlight by the sea surface forms flares. However, conventional
detection imaging is prone to be saturated due to their high light intensity, which seriously
affects the detection of sea-surface targets. Depending on the polarization characteristics
of sea surface flares and the integral characteristics of a time-delay-integration
complementary metal oxide semiconductor (TDI-CMOS) in the digital domain, this paper
designs and constructs an adaptive polarization detection system for sea-surface targets.
With the help of this system, the polarization characteristics of sea-surface targets can be
obtained by imaging them with a polarization camera in real time. The system guides the
TDI-CMOS camera in the digital domain to suppress flares in time and space domains. In
this paper, an experimental platform is built for water surface observation, and relevant
validation experiments are carried out for typical targets. The experimental results show
that the detection system can effectively suppress the influence of solar flares on images.
Compared with ordinary images, the obtained flare suppression images have a
significantly enhanced signal-to-clutter ratio, which effectively improves the artifacts
caused by moving targets on images and greatly facilitates the detection of sea-surface
targets.
1 引言
我国海域辽阔,对海洋资源的调查开发、海上目标的监测等一直是国家战略的重点之一。然
而,虽然海面上的目标在广阔均一的背景下可能更易被察觉和探测,但是传统的光学遥感器
对海洋目标进行探测时会受到太阳耀光的影响,而且在受影响的中心区域,太阳耀光的强度
非常大,容易使传统的光学探测器获取的图像出现饱和失真,从而严重影响对海面目标的探
测
[1-3]
。潘德炉等通过对 FY-1-02 批卫星图像的研究发现,有 20%~25%的图像区域存在太阳
耀光,导致所获得的图像无法用于目标探测
[4]
。而相关研究均表明:经海面反射的太阳光形成
的太阳耀光具有明显的偏振特征
[5-6]
,吕云峰
[7]
在研究水体的偏振特性时也指出海水表面的偏
振特性与光源的入射状态、探测器的观测状态等有着直接的关系,但与波长的关联性不大。
Cooper 等
[8-9]
的研究均表明,海上目标与背景海面在偏振特性上存在显著差异,使用偏振测量
能够明显提高船只与海面的对比度,并且针对海洋目标引入偏振探测能够更好地获取目标状
态,减小太阳耀光的影响
[10-11]
。
在偏振成像系统中,偏振器件中光的传输方向垂直于海面反射的太阳耀光主偏振方向,其可
以有效地抑制海面太阳耀光
[12-13]
。Zhao 等
[14]
利用双角度可调偏振器的红外偏振成像系统进
一步抑制太阳耀光。虽然该技术取得了很好的效果,但难以适用于目标与背景偏振特性差异
较小的情况。Liang 等
[15]
提出了一种图像处理算法与偏振成像技术相结合的耀光抑制方法,
该方法利用耀光偏振分量和的强度,采用 RX 异常检测算法提取杂波信息,通过图像滤波算法
抑制耀光;在此基础上提出了将偏振成像技术与一维时域处理算法相结合的算法,由此获得
了一种更有效的太阳耀光抑制方法
[16]
。但这些方法均局限于仅发现目标,用这些方法对运动
中的目标进行探测,得到的图像背景中出现伪影,这些方法难以针对具有一定相对速度的目
标细节进行探测。
针对海面耀光对图像的影响,以及一般偏振方法难以去除相对运动造成的图像伪影问题,本
文对海面耀光的特性进行研究,并根据数字域 TDI-CMOS 的成像特性,设计了一种能够实时
抑制自适应海面反射光偏振状态的时域空域海面耀光的偏振装置,并改进了相应的偏振抑制
耀光的算法。
2 海面耀光抑制方法
2.1 探测器接收到的太阳耀光能量
一般情况下,同一海面区域会表现出不断起伏变化的现象,每一局部区域也均满足光的反射
定律,海面的起伏不定造成了在探测器区域存在多处耀光区域,原理图如图 1 所示。
图 1. 产生多处耀光的示意图
Fig. 1. Schematic diagram of generating multiple flare
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若将整个海平面视作一个平面的话,探测器只会得到太阳光经镜面反射的耀光区域,耀光区
域为规则的圆形。但现实中的海面是起伏不定的,如图 1 所示,所获得的阳光区域可能不止
一个,而耀光区域的大小与耀光的密度是有一定规律可循的,如上面所作的假设相同,在实际
粗糙海况、太阳光的入射角一定且探测器的接收角度为平静海面的反射角的情况下,所获得
的耀光斑点密度最大。但粗糙海面是由一个个的微小面元组成,这些微面元的法线方向各不
相同,造成了耀光密度会随着探测角度以及海面波浪场的变化而变化,而这些微面元的起伏
状态和不同倾角方向出现的概率可以由 Cox-Munk 的统计学模型解释
[17]
,Cox-Munk 认为海
面呈现的粗糙程度可以认为是由许多取向不同的小波面构成,微小波面的示意图如图 2 所
示。
ρ1(θi,θr,φi,φr,λ)=ρ(ω)p(Sx,Sy,σ)sec4β4cosθrcosθi,(1)p(Sx,Sy,σ)=(πσ2)−1exp(−Sx+Syσ2),(2
)σ2=0.003+0.00512w,(3)ρ1(θi,θr,φi,φr,λ)=ρ(ω)p(Sx,Sy,σ)sec4β4cosθrcosθi,(1)p(Sx,S
y,σ)=(πσ2)-1exp-Sx+Syσ2,(2)σ2=0.003+0.00512w,(3)
式中:S
x
和 S
y
分别为微小波面在 x、y 方向的斜率;σ 为海面的粗糙度;w 为高度距海天分界
处 12.5 m 位置的风速,单位为 m/s;ρ(ω)为粗糙海面的菲涅耳反射率;p(S
x
,S
y
,σ)为微面元斜
率满足的概率分布函数;β 为微面元的斜率,即 z 轴和倾斜小面元法线之间的夹角;θ
i
和 θ
r
分
别为入射与反射光线的天顶角。假设太阳光照射到海面处的辐亮度为 L
sun
,则经海面反射以
及大气衰减,最后由探测器接收到的海面反射的辐亮度为
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