《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種實際紅外海面輻射成像模型的建立
摘要： 本文根據(jù)電磁散射、輻射理論，分析了可光海面圖像與紅外海面圖像的生成原理.從理論上推導(dǎo)出了具有相同拍攝條件的可見光海面圖像與紅外海面圖像之間的內(nèi)在聯(lián)系，并提出了一種快速算法，實現(xiàn)了從可見光圖像反演出紅外圖像.最后，本文根據(jù)幾幅可見光海面圖像，利用這種方法反演出了其同樣條件下的紅外圖像.
關(guān)鍵詞： 電磁散射 海面 紅外成像
Abstract：
Key words :

 

 

一、引　　言
　　目標(biāo)與背景的景象生成是一個比較復(fù)雜的物理過程，不同波段下景象圖像的獲得可廣泛應(yīng)用于飛行模擬、精確制導(dǎo)與仿真、跟蹤與識別以及靈境技術(shù)等領(lǐng)域之中.在可見光波段，海面成像主要取決于太陽、天空背景、大氣傳輸?shù)纫蛩?sup>［1，2］.而在紅外激光波段，海面成像不僅要考慮可見光波段下的各種因素，還要考慮自身的紅外幅射以及大氣對地球輻射的再反射的影響.一般情況下，海面成像建模方法要比目標(biāo)成像建模方法復(fù)雜得多.紅外的海表面是一個隨機(jī)的粗糙表面，研究它的輻射就要應(yīng)用隨機(jī)粗糙面散射、輻射的理論方法進(jìn)行研究.Saunders［1］早期研究了波長范圍在0.8～1.2微米之間的海天輻射情況，他發(fā)展了Cox and Munk的海天幅射模型，考慮了遮蔽函數(shù)對輻射的影響.Wohlers［2］利用經(jīng)典的電磁散射理論推導(dǎo)出了基于粗糙面散射的紅外海面輻射模型.所有的這些方法，都是基于統(tǒng)計分析上的研究，沒有針對具體的海面進(jìn)行研究，沒有提供海面的成像模型.
　　本文研究了一種海面紅外成像的方法.與以往的傳統(tǒng)方法不一樣，本文主要研究在相同拍攝條件下，海面的可見光圖像與紅外圖像之間的關(guān)系，并能根據(jù)可見光圖像反演出其紅外圖像.

 

t113.gif (3166 bytes)

 

圖1　海面散射模型圖

　　在可見光波段，海面可近似的被處理成如式(1)所示的模型［3］.

Pr=|R|2Pi　(1)

其中Pi,Pr分別是入射和散射功率，R為菲涅爾反射系數(shù).
　　對于極化波，設(shè)R⊥，R∥分別是垂直與水平極化狀態(tài)下的菲涅爾反射系數(shù)，其表達(dá)式分別見式(2)、(3)

g113-1.gif (1398 bytes)　(2)
g113-2.gif (1431 bytes)　(3)

式中k1，k2分別為入射和反射波矢.θ為入射角.在不考慮交叉極化的影響下，對于全極化接收，平均散射功率P′r應(yīng)為

g113-3.gif (660 bytes)　(4)

　　根據(jù)物理知識可知，對于可見光波段，攝像機(jī)只對垂直極化波敏感，故對于攝像機(jī)拍下的圖像來說，散射功率應(yīng)為

Pr=|R⊥|2Pi g　(5)

其中g(shù)為攝像機(jī)系數(shù)因子.
　　在紅外波段，假如拍攝條件與可見光下的完全一樣，則兩幅圖像之間相同的地方是入射角、散射角相同，不同的地方是波長，海水的介電常數(shù)不同.另外，海面紅外成像還包含了海水自身輻射能量部分.對于紅外波段下的全極化波，其輻射與散射的輻亮度N為：

g114-1.gif (821 bytes)　(6)

其中NB是海水的黑體輻亮度，ε是海水的發(fā)射率，R′⊥與R′∥分別是紅外波段下海水的垂直與水平極化狀態(tài)下的菲涅爾反射系數(shù).
　　考慮攝像因子，則式(6)修正為

g114-2.gif (932 bytes)　(7)

如果不考慮太陽反射，即如果是黑夜時，則式(7)變?yōu)?/font>

N=NB.ε.g　(8)

海水的黑體輻射亮度為

g114-3.gif (522 bytes)　(9)

其中,c1=3.743×108 (W.μm5/m2)，c2=1.4387×104(μm.K)，T為黑體表面的絕對溫度(單位為K)，λ為輻射波長(單位為μm).
　　在這種反射模型下，海水的透射率可以認(rèn)為是0，則發(fā)射率與反射率之和近似為1，因此近似的有［3］：

g114-4.gif (618 bytes)　(10)

 

三、數(shù)值結(jié)果與討論
　　我們所拍攝的可見光海面圖像為灰度圖像，如圖2所示.可知，對于灰度圖像，其象素的最大值是255，最小值是0.象素的灰度值就體現(xiàn)了該象素所對應(yīng)的海面的幾何結(jié)構(gòu)，對于拍攝條件相同的兩種波段下的圖像來說，唯一的相同之處就是入射角和散射角相同，就是根據(jù)這個條件反演出可見光海面圖像所對應(yīng)的紅外圖像，因此關(guān)鍵之處就是首先要求出入射角θ.在式(5)中，令Pi.g=255，則Pr就代表了圖像中各個象素的灰度值，這樣便可根據(jù)式(5)求出某一個象素的入射角θ，然后將θ的值代入式(8)，就可以求出這個象素對應(yīng)于紅外圖像下的此象素的灰度值，遍歷可見光圖像下的每一個象素，便可獲得該圖像關(guān)于紅外波段下的圖像.

t114-1.gif (2621 bytes)

 

圖2　可見光海面圖像

　　根據(jù)式(5)求θ的解析解是不可能的，本文提出了一種數(shù)值求解法，很好地解決了這一問題.θ的范圍是0°～90°，所以cosθ的值域是［0,1］，由式(2)、(3)可以看出，只要知道cosθ的值即可，不必具體求出θ的值.具體求解cosθ的步驟如下：
　　1.cosθ從0開始，按一定步長，先給定一個值，求出一個P′r.
　　2.求出兩個Pr之間的誤差.
　　3.判斷誤差是否滿足精度要求，如果滿足則記錄cosθ的值，退出.否則cosθ值加上步長重復(fù)上述步驟.
　　圖3就是根據(jù)上述步驟兩得出的λ=10.6μm波長下圖2所對應(yīng)的紅外圖像.圖4對應(yīng)的是圖2僅考慮自身輻射時的紅外圖像.

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圖3　與圖2對應(yīng)的λ=10.6μm紅外海面圖像

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圖4　與圖2對應(yīng)的自身輻射時λ=10.6μm紅外海面圖像

 

四、結(jié)　　論
　　本文利用可見光海面圖像與同樣拍攝條件下的紅外海面圖像之間的內(nèi)在聯(lián)系，推導(dǎo)出了建立紅外海面輻射成像模型的一種方法.由于條件所限，無法獲得相同條件下真實的紅外海面圖像進(jìn)行進(jìn)一步的理論分析與討論.但該算法形式簡單，運算速度快，是建立紅外海面輻射成像的一種有效算法.

 

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