0 引言

    傳統(tǒng)目標(biāo)識別中采用的圖像識別^[1]受環(huán)境光、目標(biāo)光等影響較為明顯，對于偽裝目標(biāo)或者顏色相似的目標(biāo)難以區(qū)分^[2]。而偏振成像技術(shù)是通過偏振光區(qū)分目標(biāo)與背景，由于非合作目標(biāo)的退偏振能力通常較強，故識別目標(biāo)的效果就會很好。在此基礎(chǔ)上，將不同偏振角得到的圖像融合到一起，就能獲得信噪比很高的目標(biāo)圖像。

    偏振光譜目標(biāo)識別技術(shù)主要有光柵型、傅里葉變換型、液晶調(diào)制型和聲光調(diào)制型^[3-5]。其中，光柵型的核心元件是偏振光柵，其結(jié)構(gòu)簡單、光譜分辨率高，但光柵對光存在一定的限制，光通量小，戶外測試效果不佳^[6，7]。傅里葉變換型的核心部件是傅里葉變換干涉儀，通過加入可變相位延遲器實現(xiàn)對不同偏振角的二維圖像的采集，由于每次只能獲取一個偏振角的二維圖像，所以掃描時間長，如果光譜掃描也采用時間掃描則速度更慢^[8]。液晶調(diào)制型的核心器件是晶體、電調(diào)制器以及步進電機，通過選擇不同的窄帶濾光片實現(xiàn)不同波長的調(diào)制，其缺點也是速度慢且機械部件的穩(wěn)定性差^[9]。聲光調(diào)制型的核心部件是聲光晶體，其工作原理與電調(diào)制相近，優(yōu)點是體積小、無機械部件，但光譜分辨率較差^[10]。

1 目標(biāo)識別系統(tǒng)

    目標(biāo)識別系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)組成包括前置光學(xué)系統(tǒng)、分光棱鏡、起偏器、沃拉斯頓棱鏡組、檢偏器、成像CCD1、靜態(tài)干涉具、聚焦透鏡及成像CCD2。光入射系統(tǒng)后，由分光棱鏡分為兩部分，一部分進入偏振系統(tǒng)，另一部分進入光譜系統(tǒng)。偏振系統(tǒng)獲取的圖像具有偏振信息，同樣，光譜系統(tǒng)獲取的圖像具有光譜信息。再將偏振數(shù)據(jù)與光譜數(shù)據(jù)進行圖像融合處理，最終得到目標(biāo)的偏振光譜合成圖像。

1.1 偏振數(shù)據(jù)獲取

    由斯托克斯參量法^[11]完成目標(biāo)區(qū)域偏振角的計算，斯托克斯矢量可表示為S₁、S₂、S₃、S₄。則其矢量有：

式中，S_d表示CCD1對應(yīng)的斯托克斯矢量，S_t表示目標(biāo)方向斯托克斯矢量，M表示系統(tǒng)的光學(xué)穆勒矩陣。

1.2 光譜數(shù)據(jù)獲取

    光譜數(shù)據(jù)獲取利用傅里葉變換干涉具實現(xiàn)，M1、M2都是反射面，而M2具有一個角度α，則其干涉具有空間分布性。

    如圖2的三角函數(shù)關(guān)系可知，光線1入射A點，經(jīng)反射至B點，透射至C點，最終與光線2相干形成干涉條紋，光程為：

    通過以上計算得到光譜分辨率為Δλ的光譜圖像，并成像在CCD2上。此圖像與偏振系統(tǒng)獲得的偏振圖像進行圖像融合獲得清晰的目標(biāo)圖像。

2 實驗

2.1 探測條件

    實驗選擇2.0 m×2.0 m鋼板（涂軍綠漆）和某型火炮作為目標(biāo)，測試距離從0.1 km～2.0 km，而測試標(biāo)定波長為0.40 μm～0.90 μm。

2.2 測試結(jié)果分析

    對目標(biāo)偏振光的信號平均值與非偏振光信號平均值進行了比較。在偏振系統(tǒng)中，目標(biāo)信號強度可表示為I_鋼板|_偏振，而背景噪聲強度可表示為I_噪聲|_偏振，其信噪比可表示為SNR|_偏振；在無偏振條件下，目標(biāo)信號強度可表示為I_鋼板|_非偏振，背景噪聲強度可表示為I_噪聲|_非偏振，其信噪比可表示為SNR|_非偏振。則不同距離下偏振與非偏振信噪比對比結(jié)果如表1所示。

    采用偏振系統(tǒng)的信噪比明顯優(yōu)于非偏振系統(tǒng)，同時偏振系統(tǒng)受距離的干擾也小很多。所以，偏振系統(tǒng)可以在較大范圍內(nèi)保持較高的信噪比。與此同時，標(biāo)準(zhǔn)鋼板的信噪比要比火炮高很多，因為標(biāo)準(zhǔn)鋼板實際上是一個很好的偏振光反射面，火炮的表面相對要差一些，將整個范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)擬合可以得到其整體分布，如圖3所示。2個目標(biāo)的信噪比都會由于距離的增大而減小，但2.0 km內(nèi)偏振系統(tǒng)的信噪比均值在0.35左右，具有較高檢出性；而非偏振型超過0.4 km后幾乎無法識別。

2.3 偏振光譜圖像融合

    將偏振系統(tǒng)的偏振圖像與光譜系統(tǒng)的光譜圖像進行融合處理，即可獲得偏振光譜合成圖像，如圖4所示。圖4(a)的圖像結(jié)果是由傳統(tǒng)可見光識別系統(tǒng)得到的光強灰度圖像，而圖4(b)是由本系統(tǒng)將偏振圖像與光譜圖像融合后得到的合成圖像。采用偏振光譜成像技術(shù)的目標(biāo)信噪比得到了大幅提升。目標(biāo)光信號與背景噪聲光的振幅比明顯，具有很好的識別效果。測試過程中，隨著距離的增大，光強型的識別圖像漸漸地淹沒在噪聲中，而采用偏振光譜型在2.0 km內(nèi)，合成圖像基本保持一致，具有較高的魯棒性。

3 結(jié)論

    本文研發(fā)了一種可以用于戶外的目標(biāo)識別系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有偏振識別模塊和光譜識別模塊兩大部分，可以同時獲取并進行處理。在圖像融合的基礎(chǔ)上，獲得目標(biāo)的合成圖像，該圖像具有信噪比高、受距離影響小等優(yōu)勢，在戶外實時目標(biāo)識別領(lǐng)域具有一定的實用價值。

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