目标表面发射率对红外辐射偏振特性的影响分析

偏振探测不仅可以获得目标的光谱、强度、偏振态以及空间几何形状等参数,还可以获得更丰富的目标信息,有利于改善对目标的探测和识别能力。红外辐射偏振成像是近年来发展起来的一种新的红外探测技术,主要通过目标与场景的红外辐射偏振特性差异进行目标探测与识别。但由于红外辐射偏振信息在传输过程中,其偏振态会受到传输介质的影响,而通常基于实验分析总结目标红外偏振特性的方法难以对偏振传输过程中的影响因素进行估计,也不能定量描述各相关参数对于红外偏振信息的影响。通过微面元理论的双向反射分布函数模型,建立了基于偏振双向反射分布函数的红外辐射偏振传输方程, 推导分析了目标表面发射率对红外辐射偏振度的影响,结果表明：目标表面发射率对目标红外偏振度影响可以忽略;在理论分析基础上,有针对性的开展红外光谱偏振探测试验,试验数据分析与理论推导结论吻合。这表明：材料表面发射率的变化不影响目标表面的红外辐射偏振度。该研究成果有利于提高红外伪装探测的目标识别效率,可为进一步提高红外偏振成像系统的伪装目标探测提供新的途径和方法,如在伪装目标探测识别中,通过探测其表面的红外辐射偏振特性的改变实现伪装目标识别探测。     

红外偏振成像对伪装目标的探测识别研究

针对目前普通光电成像系统对伪装目标的探测和识别概率较低的状况,提出伪装目标的探测识别新技术研究。介绍了红外偏振成像系统的原理、组成和特点,研制的中波/长波红外偏振成像装置,其波段范围为3 m ~5 m和8 m~12 m,线偏振度95%,消光比大于100∶1,给出了试验分析数据和偏振融合效果图。研究表明,采用红外偏振成像技术可以有效地实现对地面伪装目标的探测和识别。研究结果还可以扩展到对人工假目标、空中隐身目标等的探测和识别。     

热红外偏振成像技术在目标识别中的实验研究

简要分析了热红外偏振探测与热红外强度探测在物理含义方面的区别,由此提出了一种利用偏振信息在红外图像中识别目标的新方法。通过热红外偏振成像系统获得了目标的偏振图像,并由计算机提取出了图像中的偏振信息。由于目标与自然背景的热红外偏振特性有较大的差异,所以通过分析这些信息,可以更好的识别目标。实验结果表明,该方法不仅可以很好地识别自然背景中的人造目标,而且对热红外伪装目标的识别也很有效。     

基于红外偏振特性的空间目标探测可行性探讨

红外偏振特性及其变化规律能够表征空间目标的表面信息与状态信息。结合当前偏振探测的最新进展,分析了基于红外偏振特性对空间目标进行探测的思路与可行性。由于空间目标偏振特性会随空间目标特定的材料以及运动轨道不同而存在差异,因此红外偏振探测技术可以为空间目标的探测和识别提供更多的依据。通过对空间目标常用的不同材料、同一材料不同表面状态以及在不同观测角下偏振特性的分析,得出光滑钢板红外平均偏振度是粗糙钢板的1.3倍左右。     

伪装目标与背景的偏振对比特性

为解决传统光强探测手段难以有效探测和识别伪装目标这一难题,基于偏振探测技术搭建了光谱偏振探测成像系统,利用该系统在位于442.0,545.5,670.5,850.5 nm的窄波段对典型草地、土壤背景下的某型深绿色和土黄色伪装涂层进行了光谱偏振探测实验研究。并通过编制的图像处理软件对测试结果进行处理分析以提取其中的偏振信息,获得了目标与背景偏振度和偏振对比度随探测波长和探测角的变化规律。研究结果表明,合理地选择偏振成像探测条件可以使伪装涂层与背景之间存在较大的偏振对比度,可以实现对传统伪装涂层涂覆的目标的有效探测和识别。     

海面空中目标的红外偏振辐射特性仿真分析

将偏振特性结合到强度信息中可有效提高天基系统对海面背景下空中目标的探测与识别性能,尤其是对于红外隐身目标。针对红外偏振特性、最优探测波段不明的问题,建立了基于天基平台的空中目标红外偏振辐射模型,分析了近红外到长波红外目标的偏振特性。采用偏振度作为评价指标,分析了目标辐射温度、飞行高度和天基探测俯仰角在红外波段中的偏振辐射规律。实验结果表明：对于不同飞行高度、辐射温度的目标而言,目标与海面背景的红外偏振特性在9μm处差异显著,该波长可作为偏振探测的最佳波段;在最佳探测波段,相较于水平偏振而言,目标和背景的差异主要体现在垂直偏振分量上;当天基平台俯仰角为大角度掠地状态时,目标与背景的偏振度差值更大,有利于提高探测性能。     

长波红外高光谱偏振特性的伪装目标识别方法

光谱偏振探测可以综合获得目标的光谱、强度、偏振态等参数，有利于改善对目标的探测和识别能力。本文介绍了基于红外高光谱偏振特性的伪装目标识别方法，搭建了长波红外高光谱偏振测量系统，开展了对两类伪装目标在不同温度下的高光谱偏振成像实验，获取了有效的实验数据并进行处理分析。结果表明：两类伪装目标即使涂覆相同的表面涂料，但受基底材料的热传导率影响, 在相同温度差异下红外偏振特性的提升量明显大于辐射亮度，并有着温差越大偏振特性提升量差异越大的规律，同时显示出波段选择性。利用两类伪装目标偏振特性提升量的差异，有效解决相同温度下伪装目标无法识别的难题。     

红外偏振成像系统光学设计

物体的光学信息除了常见的光谱信息还包括偏振信息。对偏振信息的采集能够实现复杂背景下对特定目标的信息提取,特别是金属目标的信息提取。结合偏振成像的原理、组成和特点,采用共孔径共探测器长波红外偏振成像系统对目标信息进行提取,通过仿真软件进行分析,系统可探测到3 km远的车辆目标, 且成像质量良好。     

大气湍流对空间目标偏振成像探测的影响

为研究大气湍流对空间目标偏振成像探测准确度的影响,构建了大气湍流影响下的偏振成像探测模型,并对大气湍流导致的空间目标偏振度探测偏差进行仿真分析.通过对分时和同时偏振成像方式进行仿真,发现大气湍流会对空间目标偏振成像探测准确度造成明显影响,且对分时偏振成像探测准确度的影响明显大于同时偏振成像方式.通过自适应系统校正部分低阶像差,能明显减小大气湍流对偏振成像探测准确度的影响.为了兼顾图像信噪比和大气湍流影响下的偏振成像探测准确度,给出了一种结合分时和同时成像方式的改进偏振成像探测方式,大气湍流对其的影响略大于同时偏振成像方式,但该方式图像信噪比明显优于同时偏振成像方法.另外仿真分析发现,采用多帧图像叠加能效减小大气湍流带来的空间目标偏振成像探测偏差,在使用分时偏振成像方式时效果尤为明显.     

粗糙目标表面红外偏振特性研究

红外偏振成像可突显目标、识别真伪,准确掌握目标红外辐射偏振特性可有效提高目标的探测识别概率。针对现有目标红外辐射偏振特性模型未考虑粗糙表面导致的遮蔽效应的问题,本文基于微面元双向反射分布函数模型,利用穆勒矩阵构建出含有遮蔽函数的粗糙表面红外辐射偏振度的斯托克斯解析模型。针对光线表面粗糙度和入射角对金属和非金属目标红外辐射偏振度的影响进行定量分析。分析结果表明:无论是金属还是非金属,其红外自发辐射偏振度都随粗糙度的增大而减小,非金属自发辐射偏振度下降的幅度大于金属偏振度;当粗糙度及温度相同时,金属的红外辐射偏振度始终大于非金属;红外辐射偏振度先随入射角的增加而增加,而后在特定入射角下达到峰值,超过一定入射角后,偏振度大幅下降,金属和非金属的红外辐射偏振度间的差异在一定入射角度范围内将达到最大,这有助于区分金属与非金属。最后,利用长波红外微偏振成像系统和近红外偏振成像系统进行不同场景目标的图像采集,获取目标的红外辐射偏振特性,实验结果与理论分析结果基本吻合。本文对研究目标偏振特性、优化设计红外偏振系统以及后续偏振图像处理均具有重要意义。     

空中目标多波段红外辐射特性描述与仿真分析

针对空中目标在复杂背景下的探测需求,根据实际目标的运动特性,分析目标在飞行高度、飞行姿态角改变时的辐射特点,基于MODTRAN计算得到大气辐射和衰减数据,建立目标的三维模型、热辐射和反射模型,搭建空中目标的红外成像仿真系统.分析和仿真结果表明:在中波波段,目标尾焰的红外辐射比蒙皮强很多,在长波波段,蒙皮的红外辐射比较强,仿真图像的细节比较多,尾焰的红外辐射虽然有所减弱,红外成像效果依旧很好;相同探测条件下,由于位置越高大气越稀薄,探测器的可探测距离会变得比较远.目标红外辐射特性的分析和红外仿真系统的搭建对缩短红外探测器的研制周期和进一步确定探测器波段和系统分辨率等指标提供了参考依据.     

Field Performance Prediction Method Based On Contrast Metric Of Target Sub Regions

The field performance prediction of infrared imaging system is an important subject in infrared imaging field. In this paper, a novel method for predicting TA (target acquisition) performance is proposed, which combines the TOD (triangle orientation discrimination) threshold curve with an improved contrast metric based on the temperature in target sub regions. Specifically, the target is first subdivided into some sub regions with different target/background differential temperatures according to its thermal structure distribution. The number of equivalent triangle patterns across each sub region is calculated utilizing its effective size, the apparent temperature difference line, and the TOD curve. Further, the total number of equivalent triangle patterns over the integral target is achieved. Combining the TOD criteria, the target acquisition ranges for different discrimination (detection, recognition, and identification) levels are obtained by solving a set of equations. Comparisons with the preliminary experimental results show that this new TA approach can provide reasonable prediction of field performance. Foundation Item: The project supported by National Natural Science Foundation of China (No: 60477038).     

Smart Sensors

The term “Smart Sensors” refers to sensors which contain both sensing and signal processing capabilities with objectives ranging from simple viewing to sophisticated remote sensing, surveillance, search/track, weapon guidance, robotics, perceptronics and intelligence applications.

Recently this approach is achieving higher goals by a new and revolutionary sensors concept which introduced inside the sensor some of the basic functions of living eyes, such as dynamic stare, non-uniformity compensation, spatial and temporal filtering.

New objectives and requirements are presented for this type of new infrared smart sensor systems.

This paper is concerned with the front end of FPA microbolometers processing, namely, the enhancement of target-to-noise ratio by background clutter suppression and the improvement in target detection by “smart” and pattern correlation thresholding.     

Detection of infrared small target based on fusion of multi-filters北大核心CSCD

Aiming at solving accuracy problem of infrared small target detection in sky and ocean background scenarios of infrared image sequences, a novel infrared small target detection based on multi-filters algorithm fusion method is presented in this paper. Firstly infrared small target and imaging, time and space characteristics of the corresponding background noise are analyzed. Tophat algorithm with improved Robinson guard filter are then integrated to highlight target and suppress clutter background by using infrared small target imaging features. Adaptive threshold segmentation is used to extract candidate targets, while Unger smoothing filter and multi-objects association filter are used to eliminate random noise and false targets in the candidate targets. Multiple experiments of infrared small target image sequences are implemented, and experimental results show that proposed method can detect infrared small targets at 99% detection rate with high reliability and good real-time performance. © 2017, Editorial Board, Journal of Applied Optics. All right reserved.     

基于双向反射函数的水下激光引信回波仿真方法

针对鱼雷激光近炸引信探测水下近场目标的需求,开展了水下激光引信回波蒙特卡洛仿真方法研究.结合水下激光引信探测特点建立水下目标回波的蒙特卡洛仿真模型.为了提高水中非朗伯目标表面回波仿真的准确度,推导了基于双向反射函数的光子反射方向概率分布,根据概率分布随机抽样光子反射方向.仿真了不同距离和入射角度条件下的水中目标回波信号.仿真结果表明:目标回波幅度随目标距离和入射角度的增大迅速下降,目标距离在6~12m内变化时,信号峰值动态范围为11.5dB;目标距离为8m,激光入射角在0~45°内变化时,信号峰值动态范围为9.2dB.为验证仿真方法的正确性,在水池中进行水中目标蓝绿激光探测实验,实验结果和仿真结果一致.研究成果可为解决传统蒙特卡洛方法在水中非朗伯面目标回波仿真中的适用性问题及水下激光引信优化设计提供参考.     

基于近红外图像的温室环境下黄瓜果实信息获取

为实现温室环境机器人采摘作业中果实的品质判别和空间定位,研究了基于近红外图像的黄瓜果实识别及特征获取方法。分析比较黄瓜果实、茎、叶在各光谱波段的分光反射特性,确定采用850 nm干涉滤光片来获取图像,解决近色系目标、背景的区分问题;利用果实的灰度特征,将P参数阈值法用于图像分割,实现目标的初步识别,并对目标图像进行等间距区域化处理,依据区域块重心、面积差异滤除噪声、标记果实;根据黄瓜的形状纹理特征,计算果实中心线长度和弯曲度作为黄瓜的质量判别标准,利用果实与果柄交界处灰度的变化标记出可抓取区域。通过对温室场景下随机拍摄的包含30幅黄瓜果实图像和10幅无果实图像分别进行算法验证,结果表明识别准确率各为83.3%和100%,对抓取区域提取的成功率为83.3%。     

Scale-space point spread function based framework to boost infrared target detection algorithms

Small target detection is one of the major concern in the development of infrared surveillance systems. Detection algorithms based on Gaussian target modeling have attracted most attention from researchers in this field. However, the lack of accurate target modeling limits the performance of this type of infrared small target detection algorithms. In this paper, signal to clutter ratio (SCR) improvement mechanism based on the matched filter is described in detail and effect of Point Spread Function (PSF) on the intensity and spatial distribution of the target pixels is clarified comprehensively. In the following, a new parametric model for small infrared targets is developed based on the PSF of imaging system which can be considered as a matched filter. Based on this model, a new framework to boost model-based infrared target detection algorithms is presented. In order to show the performance of this new framework, the proposed model is adopted in Laplacian scale-space algorithms which is a well-known algorithm in the small infrared target detection field. Simulation results show that the proposed framework has better detection performance in comparison with the Gaussian one and improves the overall performance of IRST system. By analyzing the performance of the proposed algorithm based on this new framework in a quantitative manner, this new framework shows at least 20% improvement in the output SCR values in comparison with Laplacian of Gaussian (LoG) algorithm.     

定向起爆部脉冲激光方位探测引信系统时间空间匹配特性

根据定向起爆部对引信提出的时间匹配和空间匹配的要求,针对弹目交会相对运动环境,在惯性坐标系下3个相互垂直的2维平面内,建立了弹目相对速度下脉冲激光方位探测引信系统的最佳起爆延时和最佳起爆方位角模型,并对相关时间匹配和空间匹配特性进行了量化及数值仿真分析。结果表明:模型与弹目交会角、目标初始方位角、发射激光束与弹丸速度夹角、引信中心至目标尾部距离、目标外型参数、目标速度、破片飞散速度、弹丸内部结构参数、弹丸速度等目标区环境信息有关     

基于KFCM增量更新的无线电引信目标识别方法

针对传统无线电引信在复杂电磁环境下作用效果较差的问题,以连续波多普勒引信为例,通过对引信检波输出信号频域的分析,提出一种基于熵的特征提取方法,并利用KFCM算法对信号进行分类识别。由于实际战场环境复杂且不可预测,其背景噪声强度与实验环境下存在差异,因此结合KFCM增量更新特性,使分类模型根据噪声强度变化而实时更新调整,从而达到更好的分类效果。实验结果证明,基于增量更新KFCM算法能显著提高不同信噪比下引信目标识别能力,将KFCM增量更新算法运用到无线电引信抗干扰能取得良好效果。