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分焦平面紅外偏振攝像技術(shù) 版權(quán)信息
- ISBN:9787030733016
- 條形碼:9787030733016 ; 978-7-03-073301-6
- 裝幀:一般膠版紙
- 冊(cè)數(shù):暫無(wú)
- 重量:暫無(wú)
- 所屬分類(lèi):>
分焦平面紅外偏振攝像技術(shù) 內(nèi)容簡(jiǎn)介
本書(shū)主要介紹紅外偏振攝像學(xué)的基本原理、技術(shù)和應(yīng)用,在詳細(xì)分析紅外偏振圖像獲取、目標(biāo)紅外輻射特性的同時(shí),深入闡述紅外偏振攝像學(xué)的新成果。本書(shū)特別重視紅外偏振攝像學(xué)中信息產(chǎn)生、獲取、處理、分析的有機(jī)結(jié)合,涵蓋紅外輻射偏振模型、紅外偏振焦平面設(shè)計(jì)、紅外偏振焦平面去盲元和校正、偏振馬賽克圖像預(yù)處理、紅外偏振目標(biāo)檢測(cè)跟蹤等內(nèi)容。
分焦平面紅外偏振攝像技術(shù) 目錄
“偏振成像探測(cè)技術(shù)學(xué)術(shù)叢書(shū)”序
前言
第1章 緒論 1
1.1 斯托克斯矢量 2
1.2 紅外偏振成像器件 5
1.3 基于偏振成像的目標(biāo)檢測(cè) 7
1.4 本章小結(jié) 11
參考文獻(xiàn) 11
第2章 紅外偏振模型 13
2.1 紅外自發(fā)輻射偏振模型 13
2.1.1 紅外輻射基礎(chǔ)理論 13
2.1.2 紅外自發(fā)輻射偏振模型分析 16
2.2 紅外反射偏振模型 21
2.3 基于紅外自發(fā)輻射與反射輻射的偏振模型 25
2.4 紅外輻射偏振模型實(shí)驗(yàn)分析 28
2.5 紅外輻射偏振影響因素分析 30
2.6 本章小結(jié) 31
參考文獻(xiàn) 31
第3章 偏振焦平面設(shè)計(jì) 33
3.1 微偏振片陣列的設(shè)計(jì) 33
3.1.1 亞波長(zhǎng)金屬光柵偏振片 34
3.1.2 微偏振片陣列仿真設(shè)置 36
3.1.3 仿真結(jié)果與分析 37
3.2 紅外偏振焦平面性能測(cè)試 42
3.2.1 微偏振片的主透射率與消光比測(cè)試 42
3.2.2 紅外偏振焦平面的偏振探測(cè)性能測(cè)試 48
3.3 微偏振片陣列空間排布模式設(shè)計(jì)方法 50
3.3.1 瞬時(shí)視場(chǎng)誤差 51
3.3.2 微偏振片陣列的頻域分析 52
3.4 基于多目標(biāo)優(yōu)化的微偏振片陣列排布模式設(shè)計(jì) 55
3.4.1 基于帕累托*優(yōu)的多目標(biāo)優(yōu)化 55
3.4.2 微偏振片陣列頻域設(shè)計(jì)方法 56
3.5 微偏振片陣列排布模式及仿真結(jié)果 58
3.5.1 設(shè)計(jì)的微偏振片陣列 58
3.5.2 微偏振片陣列的對(duì)比分析 60
3.6 本章小結(jié) 62
參考文獻(xiàn) 62
第4章 偏振去盲元和校正 64
4.1 基于偏振響應(yīng)曲線(xiàn)的定標(biāo)非均勻校正 64
4.1.1 紅外偏振焦平面像元響應(yīng)特性 64
4.1.2 非均勻校正算法 73
4.1.3 測(cè)試與分析 76
4.2 基于偏振特性的盲元校正 80
4.2.1 紅外偏振焦平面盲元響應(yīng)特性 81
4.2.2 盲元檢測(cè) 84
4.2.3 盲元補(bǔ)償 88
4.2.4 測(cè)試與結(jié)果分析 91
4.3 本章小結(jié) 100
參考文獻(xiàn) 100
第5章 偏振去馬賽克 101
5.1 基于插值的去馬賽克方法 101
5.1.1 雙線(xiàn)性插值法 101
5.1.2 雙三次插值法 102
5.1.3 基于梯度的插值法 103
5.1.4 殘差域插值法 104
5.1.5 基于邊緣分布的牛頓插值法 105
5.2 偏振差分域模型 109
5.3 迭代偏振差分法去馬賽克 112
5.4 偏振圖像混合噪聲水平估計(jì) 125
5.4.1 基于偏振測(cè)量冗余的泊松-高斯混合噪聲水平估計(jì) 126
5.4.2 條帶噪聲水平估計(jì) 131
5.5 分焦平面偏振圖像聯(lián)合去噪去馬賽克深度網(wǎng)絡(luò) 133
5.6 本章小結(jié) 148
參考文獻(xiàn) 148
第6章 紅外偏振圖像超分辨率重構(gòu) 149
6.1 圖像超分辨率原理 149
6.2 成像模型 150
6.3 稀疏表示 151
6.3.1 小波變換 151
6.3.2 字典學(xué)習(xí) 154
6.4 基于模型驅(qū)動(dòng)的紅外偏振圖像超分辨率重構(gòu) 155
6.4.1 信號(hào)稀疏分解技術(shù) 156
6.4.2 字典學(xué)習(xí) 156
6.4.3 基于非負(fù)稀疏表示理論的圖像分辨率增強(qiáng) 156
6.5 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的紅外偏振圖像超分辨率重構(gòu) 160
6.5.1 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 160
6.5.2 基于多尺度小波3D卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的偏振圖像分辨率增強(qiáng) 165
6.5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 168
6.6 本章小結(jié) 171
參考文獻(xiàn) 171
第7章 紅外偏振目標(biāo)跟蹤 173
7.1 圖像特征提取 173
7.1.1 特征提取的基本概念 173
7.1.2 梯度算子 174
7.1.3 HOG特征原理 176
7.1.4 尺度不變特征變換 178
7.2 基于偏振馬賽克圖像的特征提取 181
7.2.1 偏振濾波矩陣 183
7.2.2 偏振提取矩陣 185
7.2.3 HIPMG特征 187
7.3 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤理論 189
7.3.1 相關(guān)濾波算法 190
7.3.2 AutoTrack算法 192
7.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 194
7.4.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集 194
7.4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 196
7.5 本章小結(jié) 203
參考文獻(xiàn) 203
第8章 抗干擾全時(shí)道路檢測(cè) 206
8.1 相關(guān)工作介紹 206
8.2 道路的紅外偏振特性 207
8.2.1 道路場(chǎng)景紅外偏振數(shù)據(jù)集 207
8.2.2 道路偏振角的均一性分布特性 208
8.2.3 道路偏振度的差異性特性 212
8.3 偏振導(dǎo)引的道路檢測(cè)網(wǎng)絡(luò) 216
8.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析 219
8.5 討論 223
8.6 本章小結(jié) 225
參考文獻(xiàn) 225
分焦平面紅外偏振攝像技術(shù) 節(jié)選
第1章緒論 紅外攝像系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于精確制導(dǎo)、對(duì)地目標(biāo)偵察、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、應(yīng)急救援、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域。傳統(tǒng)紅外攝像系統(tǒng)僅獲取某一紅外波段(如3~5μm、8~14μm)的輻射強(qiáng)度信息,在檢測(cè)、跟蹤位于復(fù)雜背景或干擾影響的目標(biāo)時(shí)難以達(dá)到預(yù)期效果。盡管部分學(xué)者通過(guò)改進(jìn)檢測(cè)、跟蹤算法提升系統(tǒng)性能,但是效果依然欠佳。一個(gè)紅外攝像系統(tǒng)可以分解為串聯(lián)在一起的一系列物理事件鏈條。該鏈條始于作為輻射源的場(chǎng)景,終于展示給用戶(hù)的結(jié)果。成像鏈?zhǔn)疽鈭D如圖1-1所示[1]。要增強(qiáng)紅外攝像系統(tǒng)抗復(fù)雜背景和干擾的能力,不能單純加強(qiáng)成像鏈某個(gè)環(huán)節(jié)的強(qiáng)度(如利用增強(qiáng)算法來(lái)提升抗干擾能力),需要對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行總體加強(qiáng)來(lái)增強(qiáng)系統(tǒng)的抗復(fù)雜背景和干擾的能力,即同時(shí)增強(qiáng)信息獲取、處理和分析的能力。 圖1-1成像鏈?zhǔn)疽鈭D[1] 如果把成像鏈中的每一個(gè)環(huán)節(jié)抽象為對(duì)輻射源X的一次處理,光電成像器件的輸出表示光電fX表示成像器件對(duì)輻射源的編碼,處理階段的輸出成像器件輸出的處理結(jié)果,那么根據(jù)數(shù)據(jù)處理定理可得 (1-1) 其中,表示與之間的互信息,用來(lái)度量與之間的相關(guān)性。與的互信息大于與的互信息,表示保有更多來(lái)自X的信息。如果對(duì)光電成像器件的輸出做兩次處理,如圖像重構(gòu)m和特征提取n,那么根據(jù)數(shù)據(jù)處理定理可得 (1-2) IXnmfx式(1-1)和式(1-2)表示對(duì)信源X每做一次處理都會(huì)有信息量的損失。要減少信息的損失,需要減少成像鏈中處理環(huán)節(jié)的數(shù)量,這樣也會(huì)增強(qiáng)整個(gè)成像鏈的可靠性。此外,對(duì)于整個(gè)成像鏈來(lái)說(shuō),其信息量取決于光電成像器件對(duì)輻射源X的編碼效率。電磁輻射包含輻射強(qiáng)度、光譜、偏振、相位等特征,但是傳統(tǒng)紅外成像器件只獲取輻射源X的空間和輻射強(qiáng)度信息,編碼效率低,對(duì)整個(gè)鏈條提供的信息量少,會(huì)給后續(xù)的處理帶來(lái)困難。目標(biāo)在反射/輻射電磁輻射時(shí),會(huì)產(chǎn)生與目標(biāo)特性(如材料組成、介電常數(shù)、粗糙度)相關(guān)的偏振信息,同時(shí)大氣散射還會(huì)改變環(huán)境和目標(biāo)的偏振信息。從獲取的偏振信息可以得到介電常數(shù)、復(fù)折射率、反射率、表面法線(xiàn)方向等目標(biāo)的理化、結(jié)構(gòu)信息。利用這類(lèi)信息可以提高目標(biāo)和干擾之間的辨識(shí)度,進(jìn)而增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。綜合成像鏈概念、數(shù)據(jù)處理定理,在紅外攝像系統(tǒng)中引入偏振信息,提高光電成像器件對(duì)輻射源X的編碼效率,設(shè)計(jì)有針對(duì)性的處理算法,可以在增強(qiáng)系統(tǒng)信息獲取能力的同時(shí),增強(qiáng)成像鏈的各個(gè)環(huán)節(jié),提升成像系統(tǒng)抗復(fù)雜背景和干擾的能力。 1.1斯托克斯矢量 偏振成像的目的是對(duì)場(chǎng)景中不同空間位置輻射的偏振狀態(tài)進(jìn)行解算并成像。光的偏振狀態(tài)通常采用斯托克斯矢量表示,即,其中S0表示光的總強(qiáng)度,S1表示水平或垂直方向的線(xiàn)偏振能量,S2表示+45°或.45°方向線(xiàn)偏振能量,S3表示左旋或右旋圓偏振分量。光的偏振特性本質(zhì)上是光的電場(chǎng)振動(dòng)特性,目前尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)直接對(duì)光的偏振狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量或成像,因此基于光強(qiáng)測(cè)量實(shí)現(xiàn)偏振成像是現(xiàn)階段技術(shù)條件下十分自然的選擇。一束入射光可以表示為兩個(gè)正交方向的分量,即 (1-3) (1-4) 其中,和為兩個(gè)分量的幅值;和為兩個(gè)分量的相位。 平面波的斯托克斯參量可以表示為 (1-5) (1-6) (1-7) (1-8) 其中,*表示共軛復(fù)數(shù)。 為實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光斯托克斯參量的測(cè)量,需要對(duì)入射光進(jìn)行偏振調(diào)制,通常使用相位延遲器和線(xiàn)偏振片對(duì)入射光進(jìn)行調(diào)制。斯托克斯參量測(cè)量的示意圖如圖1-2所示。令入射光線(xiàn)分別通過(guò)一個(gè)相位延遲器與線(xiàn)偏振片,相位延遲器將x方向偏振分量的相位提前,y方向偏振分量的相位推遲,那么經(jīng)過(guò)相位延遲器的正交方向偏振分量變?yōu)?(1-9) (1-10) 圖1-2斯托克斯參量測(cè)量的示意圖 經(jīng)過(guò)相位延遲器后,光線(xiàn)繼續(xù)穿過(guò)一個(gè)線(xiàn)偏振片。假設(shè)線(xiàn)偏振片的透光軸與x軸之間的夾角為θ,線(xiàn)偏振片具有理想的消光性能,即只有Ex′和E′y在線(xiàn)偏振片透光方向的分量才能透過(guò)線(xiàn)偏振片,Ex′和E′y在偏振片透光方向的分量為Ex′cosθ和E′ysinθ,光線(xiàn)經(jīng)過(guò)線(xiàn)偏振片后的總能量可寫(xiě)為 (1-11) 光強(qiáng)定義為 (1-12)根據(jù)式(1-11)與式(1-12),可得經(jīng)過(guò)相位延遲器與線(xiàn)偏振片調(diào)制后的光強(qiáng),即 (1-13) 進(jìn)一步,通過(guò)三角變換可得 (1-14) 用式(1-5)~式(1-8)替換式(1-14)中的各項(xiàng),可得斯托克斯公式,即 斯托克斯公式建立了經(jīng)相位延遲器與偏振片調(diào)制后的光強(qiáng)與入射光斯托克斯參量之間的關(guān)系。通過(guò)調(diào)節(jié)相位延遲器的相位延遲角和線(xiàn)偏振片的透光軸方向進(jìn)行多次強(qiáng)度測(cè)量,就可以解算入射光的偏振態(tài)。自然條件下的圓偏分量S3極低,且測(cè)量方式更加復(fù)雜,通常光電成像只考慮入射光線(xiàn)偏振態(tài)的測(cè)量。只考慮線(xiàn)偏振成像便無(wú)須相位延遲器,即φ=0,那么式(1-15)可進(jìn)一步改寫(xiě)為 (1-16) 2在線(xiàn)偏振成像系統(tǒng)中,通常設(shè)置線(xiàn)偏振片的方向?yàn)椤?這種設(shè)置可以*大化測(cè)量信噪比且*小化系統(tǒng)誤差[3]。線(xiàn)偏振片在不同方向的強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果為 (1-17) (1-18) (1-19) (1-20) 2根據(jù)式(1-17)~式(1-20)可以進(jìn)一步解算出入射光的前三個(gè)斯托克參量,即1 (1-21) (1-22) (1-23) 利用斯托克斯參量可計(jì)算入射光的兩個(gè)主要偏振特性,即線(xiàn)偏振度(degree of linear polarization,DoLP)與偏振角(angle of polarization,AoP),即 (1-24) (1-25) 1.2紅外偏振成像器件 為了獲取目標(biāo)偏振信息量,目前已發(fā)展出多種偏振成像技術(shù),根據(jù)獲取的圖像的差異,大致分為如下幾類(lèi)。 1.分時(shí)偏振成像裝置 機(jī)械旋轉(zhuǎn)偏振光學(xué)元件出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代,它通過(guò)旋轉(zhuǎn)偏振片和波片依次采集多個(gè)偏振片和波片方向的圖像來(lái)解算場(chǎng)景的偏振信息。這是*直接也是*簡(jiǎn)單的偏振成像方式。因?yàn)樾D(zhuǎn)偏振片需要消耗一定的時(shí)間,所以在采集過(guò)程中場(chǎng)景需要嚴(yán)格保持靜止?fàn)顟B(tài)。另外,采集裝置的振動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致采集的多幀圖像存在不對(duì)齊的問(wèn)題,使偏振信息計(jì)算不準(zhǔn)確。機(jī)械旋轉(zhuǎn)偏振片式分時(shí)偏振成像裝置原理如圖1-3所示。 圖1-3機(jī)械旋轉(zhuǎn)偏振片式分時(shí)偏振成像裝置原理圖 2.分振幅型偏振成像裝置 分振幅型偏振成像裝置出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代。光進(jìn)入該系統(tǒng)后被分束光學(xué)器件分成多束,然后采用不同方向偏振片進(jìn)行調(diào)制。這種方式可以一次性獲得不同方向偏振片調(diào)制后的光強(qiáng)信息,不存在分時(shí)偏振成像系統(tǒng)中的不對(duì)齊問(wèn)題。但是,解算場(chǎng)景中的偏振信息至少需要3個(gè)偏振方向的強(qiáng)度圖像。這意味著分振幅型偏振成像系統(tǒng)中至少需要配置3套成像器件。這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)體積大,調(diào)試復(fù)雜,不利于實(shí)際使用。分振幅型偏振成像裝置原理圖如圖1-4所示。 圖1-4分振幅型偏振成像裝置原理圖 3.分孔徑型偏振成像裝置 分孔徑型偏振成像裝置出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代后期。該裝置利用微透鏡陣列將入射光分為4個(gè)部分,通過(guò)將一個(gè)探測(cè)器分為4個(gè)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)同一探測(cè)器接收,然后通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算實(shí)現(xiàn)偏振成像。該成像方式可以在同一焦平面獲得不同偏振方向的強(qiáng)度圖像,但是會(huì)造成每個(gè)偏振方向的強(qiáng)度圖像分辨率降低四分之一。另外,由于該系統(tǒng)的偏心結(jié)構(gòu),分孔徑型偏振成像裝置的裝配存在一定難度,會(huì)給實(shí)際使用帶來(lái)不便。分孔徑型偏振成像裝置原理圖如圖1-5所示。 圖1-5分孔徑型偏振成像裝置原理圖 4.分焦平面型偏振成像裝置 分焦平面型偏振成像裝置出現(xiàn)于2000年,是目前*先進(jìn)的紅外偏振成像技術(shù)方案。它直接在探測(cè)器探測(cè)面陣的每個(gè)像元前加裝微型偏振片,4個(gè)為一組,實(shí)現(xiàn)偏振探測(cè),微型化的特點(diǎn)明顯。該成像裝置可以一次成像獲得4個(gè)偏振方向的
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