一种前置偏振片式红外偏振成像系统的辐射校正方法与流程

本发明涉及一种红外偏振成像系统的辐射校正方法，尤其涉及一种针对前置偏振片式红外偏振成像系统的辐射校正方法，属于图像处理和测试计量
技术领域：
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背景技术：
：偏振是电磁辐射的重要特性之一，由于物体反射和自身辐射往往带有物体自身的偏振特性，目标场景的这些差异可以为目标探测提供新的信息。随着红外焦平面探测器技术的发展，探测器灵敏度得到明显的提高，使得红外偏振成像技术迅速走向实用，并明显提升了在复杂背景或强辐射干扰背景下目标探测的有效性。偏振成像系统按照偏振图像获取方式可以分为分时和同时两种模式。分时偏振成像仪在不同时刻获取同一景物不同偏振态的图像，适用于静止目标，实现方式主要包括偏振片起偏式和偏振棱镜分光式；同时偏振成像仪可通过一次曝光获得目标的4幅不同偏振图像，对于静止目标和运动目标均可适用，实现方式主要分为分振幅同时偏振成像、分孔径同时偏振成像和分焦平面同时偏振成像。通过在光学系统或成像焦平面前安装偏振片以实现检偏的偏振成像结构由于具有结构简单、成本低廉的特点，在偏振成像测量中较为常用。对于前置偏振片可见光偏振成像系统，偏振片基本不会在成像波段范围内引入非场景的无关辐射；然而对于应用前置偏振片结构的红外偏振成像系统，除了来自场景的红外辐射，偏振片的自发辐射以及反射辐射都将被成像区域接收，从而引起入射辐射的失真，进而影响场景偏振信息的后续解算。特别是对于非制冷型长波红外偏振成像系统，前置偏振片引入的不良影响将更为显著。传统偏振信息求解方法采用的偏振成像模型大都没有考虑前置偏振片引入的附加辐射，以单通道旋转偏振片式红外偏振成像系统为例，其成像模型如图2所示。实际上，考虑偏振片的自发辐射以及成像系统自身热辐射经偏振片反射回光学系统的附加辐射，并计及偏振片主方向及其正交方向的透过率，单通道旋转偏振片式红外偏振成像系统的修正原理图应如图3所示，偏振参量的求解方法亦应做相应修改，否则势必造成计算误差。综上所述，对于前置偏振片式红外偏振成像系统，辐射校正环节必不可少。如何有效地完成前置偏振片辐射校正，降低偏振信息的求解误差，是一个值得解决的关键问题。技术实现要素：本发明公开的一种前置偏振片式红外偏振成像系统的辐射校正方法，要解决的技术问题是消除前置偏振片反射辐射及自身辐射对偏振成像测量造成的不利影响，降低场景辐射偏振参量的测量和计算误差，提高系统偏振信息的准确性。本发明公开的一种前置偏振片式红外偏振成像系统的辐射校正方法，首先，对移除检偏机构的红外成像系统进行图像灰度—辐照度映射关系标定；然后，使用红外偏振成像系统获取同一场景检偏通道和强度通道的灰度图像，根据拟合得到的标定关系对采集的灰度图像进行从灰度到辐照度的换算；最后，根据前置偏振片式红外偏振成像系统检偏环节的穆勒矩阵(MuellerMatrix)求解斯托克斯参量(Stokesparameters)和偏振片反射辐射及自身辐射，完成对斯托克斯参量的校正。相比未考虑前置偏振片影响的情形，采用本发明方法计算出的斯托克斯参量和偏振度更为准确，从而更有利于还原观测场景的偏振特性。本发明公开的一种前置偏振片式红外偏振成像系统的辐射校正方法，具体包括以下步骤：步骤1，对移除检偏机构的红外成像系统进行图像灰度—辐照度映射关系标定。步骤1.1，首先，使用待标定红外成像系统获取面型黑体辐射源在不同温度下的红外灰度图像。具体方法为：室温环境下，在待标定红外成像系统正前方10倍焦距以外放置面型黑体辐射源，将黑体温度变化范围设为包含热像仪拍摄场景的常规温度范围，温度范围优选298.15K～393.15K，间隔采样温度值，并使用待标定红外成像系统拍摄一组清晰的黑体辐射源图像。所述的间隔采样优选每隔5K采样一个温度值。步骤1.2，拟合图像灰度—辐照度映射曲线，即完成红外热成像系统的图像灰度—辐照度映射关系标定。计算步骤1.1中每组图像黑体辐射源占据部分的平均灰度，并根据黑体辐射发射率和普朗克(Plank)公式计算黑体辐射源在成像系统响应波段的辐射出射度。之后根据计算数据拟合图像灰度—黑体辐射出射度映射关系曲线，即完成红外热成像系统的图像灰度—辐照度映射关系标定。由于辐射出射度与探测器接收照度成正比，以下用辐射出射度代替辐照度。具体方法为：根据黑体热图像平均灰度计算公式(1)计算步骤1.1中每组图像黑体辐射源占据部分的平均灰度，G‾=ΣAGΣA1---(1)]]>式中，为黑体部分平均灰度，G为图像灰度，A为图像中黑体占据的像素区域。根据黑体辐射出射度计算公式(2)计算黑体辐射源在成像系统响应波段的辐射出射度，M=ϵBB∫λ1λ2[c1λ51exp(c2/λT)-1]dλ---(2)]]>式中，M为面型黑体辐射源在成像系统响应波段的辐射出射度；εBB为黑体辐射源的辐射发射率，λ1、λ2分别为成像系统响应波段的波长下限和上限，c1、c2分别为第一、第二辐射常数。对根据公式(1)计算出的黑体热图像平均灰度和根据公式(2)计算出的黑体在成像系统响应波段的辐射出射度进行拟合，拟合曲线形式为公式(3)，G‾=a×Mγ+b---(3)]]>式中，a、b分别为增益和偏置系数，γ用于表征输出信号与输入辐射量间的非线性效应。步骤1.2所述的拟合方法可为非线性最小二乘法或置信域方法等。步骤2，使用红外偏振成像系统获取同一场景检偏通道和强度通道的灰度图像，所述的强度通道是指不安装检偏机构从而直接获取场景辐射的成像通道。根据步骤1.2中拟合得到的标定关系对采集的灰度图像进行从灰度到辐照度的换算。并根据前置偏振片式红外偏振成像系统检偏机构的穆勒矩阵求解斯托克斯参量和偏振片反射辐射及自身辐射，完成对斯托克斯参量的校正。有益效果：1、本发明公开的一种前置偏振片式红外偏振成像系统的辐射校正方法，考虑红外偏振成像过程中前置偏振片反射辐射和自身辐射引入的影响，对探测器接收辐射中来自场景和来自偏振片的两部分进行区分，准确反映前置偏振片式红外偏振成像系统的成像过程。2、本发明公开的一种前置偏振片式红外偏振成像系统的辐射校正方法，求解得到的入射辐射斯托克斯参量以及偏振度准确度更高，即校正后的斯托克斯参量准确度更高，消除前置偏振片反射辐射及自身辐射对偏振成像测量造成的不利影响，降低场景辐射偏振参量的测量和计算误差，提高系统偏振信息的准确性，更有利于还原观测场景的偏振特性。附图说明图1是针对前置偏振片式红外偏振成像系统的辐射校正方法流程图。图2是未考虑偏振片影响的单通道旋转偏振片式红外偏振成像系统成像原理图。图3是考虑偏振片影响的单通道旋转偏振片式红外偏振成像系统成像原理图。图4是单通道旋转波片固定偏振片式红外偏振成像系统成像原理图。图5是实时四通道红外偏振成像系统成像原理图。具体实施方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。应指出的是，所描述的实例是为了便于本发明的理解，而对其不起任何限定作用。本发明提供的方法既可以在带有前置偏振片的单通道分时红外偏振成像系统中使用，也可以在带有前置偏振片的多通道同时偏振成像系统中使用。本发明提供的针对前置偏振片式红外偏振成像系统的辐射校正方法，包括对移除检偏机构的红外成像系统进行图像灰度—辐照度映射关系标定；以及对红外偏振成像系统检偏通道图像和强度通道图像进行的灰度到辐射量的换算和对斯托克斯参量以及偏振片反射辐射和自身辐射的求解。相比未考虑前置偏振片影响的情形，采用本发明方法计算出的斯托克斯参量和偏振度更为准确，从而更有利于还原观测场景的偏振特性。实施例1：本发明实施例1采用的单通道旋转偏振片式红外偏振成像系统结构主要包括可旋转式前置偏振片和红外热像仪。该系统成像原理图如图3所示，Sin表示入射辐射线性斯托克斯矢量，I表示像面接收的辐射值，R表示来自前置偏振片的辐射值，τ1、τ2分别表示前置偏振片主方向及其正交方向的能量透过率，ρ表示偏振片后端光学系统的能量透过率。针对本实施例1中单通道旋转偏振片式红外偏振成像系统的辐射校正方法，具体实施步骤包括：步骤1，对移除前置偏振片后的单通道旋转偏振片式红外偏振成像系统进行图像灰度—辐照度映射关系标定。步骤1.1，首先，使用移除前置偏振片后的单通道旋转偏振片式红外偏振成像系统获取面型黑体辐射源在不同温度下的红外灰度图像。具体方法为：室温环境下，在移除前置偏振片后的单通道旋转偏振片式红外偏振成像系统正前方10倍焦距以外放置面型黑体辐射源，将黑体温度变化范围设为包含热像仪拍摄场景的常规温度范围，温度范围优选298.15K～393.15K，间隔采样温度值，并使用待标定红外成像系统拍摄一组清晰的黑体辐射源图像。所述的间隔采样优选每隔5K采样一个温度值。步骤1.2，拟合图像灰度—辐照度映射曲线，即完成红外热成像系统的图像灰度—辐照度映射关系标定。计算步骤1.1中每组图像黑体辐射源占据部分的平均灰度，并根据黑体辐射发射率和普朗克公式计算黑体辐射源在成像系统响应波段的辐射出射度。之后根据计算数据拟合图像灰度—黑体辐射出射度映射关系曲线，即完成红外热成像系统的图像灰度—辐照度映射关系标定。由于辐射出射度与探测器接收照度成正比，以下用辐射出射度代替辐照度。具体方法为：根据黑体热图像平均灰度计算公式(4)计算步骤1.1中每组图像黑体辐射源占据部分的平均灰度，G‾=ΣAGΣA1---(4)]]>式中，为黑体部分平均灰度，G为图像灰度，A为图像中黑体占据的像素区域。根据黑体辐射出射度计算公式(5)计算黑体辐射源在成像系统响应波段的辐射出射度，M=ϵBB∫λ1λ2[c1λ51exp(c2/λT)-1]dλ---(5)]]>式中，M为面型黑体辐射源在成像系统响应波段的辐射出射度；εBB为黑体辐射源的辐射发射率，λ1、λ2分别为成像系统响应波段的波长下限和上限，c1、c2分别为第一、第二辐射常数。对根据公式(4)计算出的黑体热图像平均灰度和根据公式(5)计算出的黑体在成像系统响应波段的辐射出射度进行拟合，拟合曲线形式为公式(6)，G‾=a×Mγ+b---(6)]]>式中，a、b分别为增益和偏置系数，γ用于表征输出信号与输入辐射量间的非线性效应。步骤1.2所述的拟合方法可为非线性最小二乘法、置信域方法等。步骤2，使用单通道旋转偏振片式红外偏振成像系统拍摄场景，获取同一静态场景的强度通道和检偏通道的灰度图像。采集强度通道图像时不安装偏振片，直接获取来自场景的入射辐射；采集检偏通道图像时安装偏振片，且总共需要采集三次，三次采集前旋转前置偏振片，使偏振片透过方向与水平方向夹角依次为θ0、θ1、θ2，三个角度互不相同，优选45°、90°和135°。根据标定映射关系式(6)将图像灰度换算为辐照度。对于换算后的检偏通道图像和强度通道图像中的所有像素按照公式(7)进行运算，求解出正确的入射辐射斯托克斯参量和偏振片的反射辐射及自身辐射：IQUr=(12ρ(τ1+τ2)ρ(τ1-τ2)cos2θ0ρ(τ1-τ2)sin2θ02ρ(τ1+τ2)ρ(τ1-τ2)cos2θ1ρ(τ1-τ2)sin2θ12ρ(τ1+τ2)ρ(τ1-τ2)cos2θ2ρ(τ1-τ2)sin2θ222ρ000)-1I0I1I2INP---(7)]]>式中，I0、I1、I2分别为θ0、θ1、θ2检偏通道图像像素灰度经换算得到的辐照度值，INP为强度通道图像像素灰度经换算得到的辐照度值；τ1、τ2分别表示前置偏振片主方向及其正交方向的能量透过率；ρ表示偏振片后端光学系统的能量透过率，当仅关注斯托克斯参量的相对大小时可取为0～1之间不为0的任意值；I、Q、U分别表示入射辐射斯托克斯矢量的强度分量、水平/竖直线偏分量以及+45°/-45°线偏分量，r表示前置偏振片的反射辐射和自身辐射。至此，完成对斯托克斯参量的校正。实施例2：本发明实施例2采用的单通道旋转波片固定偏振片式红外偏振成像系统结构主要包括可旋转式1/4波片、固定前置偏振片和长波红外热像仪。该系统成像原理图如图4所示，Sin表示入射辐射斯托克斯矢量，I表示像面接收的辐射值，R表示来自前置偏振片的辐射值，τwp表示1/4波片的能量透过率，τ1、τ2分别表示前置偏振片主方向及其正交方向的能量透过率，ρ表示偏振片后端光学系统的能量透过率。针对本实施例2中单通道旋转波片固定偏振片式红外偏振成像系统的辐射校正方法，具体实施步骤包括：步骤1，对移除波片和前置偏振片后的单通道旋转波片固定偏振片式红外偏振成像系统进行图像灰度—辐照度映射关系标定。步骤1.1，首先，使用移除波片和前置偏振片后的单通道旋转波片固定偏振片式红外偏振成像系统获取面型黑体辐射源在不同温度下的红外灰度图像。具体方法为：室温环境下，在移除波片和前置偏振片后的单通道旋转波片固定偏振片式红外偏振成像系统正前方10倍焦距以外放置面型黑体辐射源，将黑体温度变化范围设为包含热像仪拍摄场景的常规温度范围，温度范围优选298.15K～393.15K，间隔采样温度值，并使用待标定红外成像系统拍摄一组清晰的黑体辐射源图像。所述的间隔采样优选每隔5K采样一个温度值。步骤1.2，拟合图像灰度—辐照度映射曲线，即完成红外热成像系统的图像灰度—辐照度映射关系标定。计算步骤1.1中每组图像黑体辐射源占据部分的平均灰度，并根据黑体辐射发射率和普朗克公式计算黑体辐射源在成像系统响应波段的辐射出射度。之后根据计算数据拟合图像灰度—黑体辐射出射度映射关系曲线，即完成红外热成像系统的图像灰度—辐照度映射关系标定。由于辐射出射度与探测器接收照度成正比，以下用辐射出射度代替辐照度。具体方法为：根据黑体热图像平均灰度计算公式(8)计算步骤1.1中每组图像黑体辐射源占据部分的平均灰度，G‾=ΣAGΣA1---(8)]]>式中，为黑体部分平均灰度，G为图像灰度，A为图像中黑体占据的像素区域。根据黑体辐射出射度计算公式(9)计算黑体辐射源在成像系统响应波段的辐射出射度，M=ϵBB∫λ1λ2[c1λ51exp(c2/λT)-1]dλ---(9)]]>式中，M为面型黑体辐射源在成像系统响应波段的辐射出射度；εBB为黑体辐射源的辐射发射率，λ1、λ2分别为成像系统响应波段的波长下限和上限，c1、c2分别为第一、第二辐射常数。对根据公式(8)计算出的黑体热图像平均灰度和根据公式(9)计算出的黑体在成像系统响应波段的辐射出射度进行拟合，拟合曲线形式为公式(10)，G‾=a×Mγ+b---(10)]]>式中，a、b分别为增益和偏置系数，γ用于表征输出信号与输入辐射量间的非线性效应。步骤1.2所述的拟合方法可为非线性最小二乘法、置信域方法等。步骤2，使用单通道旋转波片固定偏振片式红外偏振成像系统拍摄场景，获取同一静态场景的强度通道和检偏通道的灰度图像。采集强度通道图像时不安装波片和偏振片，直接获取来自场景的入射辐射；采集检偏通道图像时安装波片和偏振片，其中，偏振片透过方向与水平方向平行，且总共需要采集四次，四次采集前旋转1/4波片，使波片快轴方向与水平方向夹角依次为θ0、θ1、θ2、θ3，四个角度互不相同。根据标定映射关系式(10)将图像灰度换算为辐照度。对于换算后的检偏通道图像和强度通道图像中的所有像素按照公式(11)进行运算，求解出正确的入射辐射斯托克斯参量和偏振片的反射辐射及自身辐射：IQUVr=(12τwp(τ1+τ2)ρτwp(τ1-τ2)ρcos22θ0τwp(τ1-τ2)ρsin2θ0cos2θ0-τwp(τ1-τ2)ρsin2θ02τwp(τ1+τ2)ρτwp(τ1-τ2)ρcos22θ1τwp(τ1-τ2)ρsin2θ1cos2θ1-τwp(τ1-τ2)ρsin2θ12τwp(τ1+τ2)ρτwp(τ1-τ2)ρcos22θ2τwp(τ1-τ2)ρsin2θ2cos2θ2-τwp(τ1-τ2)ρsin2θ22τwp(τ1+τ2)ρτwp(τ1-τ2)ρcos22θ3τwp(τ1-τ2)ρsin2θ3cos2θ3-τwp(τ1-τ2)ρsin2θ322ρ0000)-1I0I1I2I3INP---(11)]]>式中，I0、I1、I2、I3分别为θ0、θ1、θ2、θ3检偏通道图像像素灰度经换算得到的辐照度值，INP为强度通道图像像素灰度经换算得到的辐照度值；τwp表示1/4波片的能量透过率，τ1、τ2分别表示前置偏振片主方向及其正交方向的能量透过率；ρ表示偏振片后端光学系统的能量透过率，当仅关注斯托克斯参量的相对大小时可取为0～1之间不为0的任意值；I、Q、U、V分别表示入射辐射斯托克斯矢量的强度分量、水平/竖直线偏分量、+45°/-45°线偏分量以及右旋/左旋圆偏分量；r表示前置偏振片的反射辐射和自身辐射。至此，完成对斯托克斯参量的校正。实施例3：本发明实施例3采用的实时四通道红外偏振成像系统主要包含三个相同规格的偏振片以及四个相同规格的红外热像仪，其成像原理图如图5所示，Sin表示入射辐射线性斯托克斯矢量，θ0、θ1、θ2分别为三个检偏通道前置偏振片透过方向与水平方向的夹角，I0、I1、I2分别为θ0、θ1、θ2检偏通道像面接收的辐射值，INP为强度通道像面接收的辐射值，r表示来自前置偏振片的辐射值，τ1、τ2分别表示前置偏振片主方向及其正交方向的能量透过率，ρ表示偏振片后端光学系统的能量透过率。针对本实施例3中实时四通道红外偏振成像系统的辐射校正方法，具体实施步骤包括：步骤1，对四个成像通道使用的红外热像仪分别进行图像灰度—辐照度映射关系标定。每个成像通道的红外热像仪的具体标定步骤为：步骤1.1，首先，使用红外热像仪获取面型黑体辐射源在不同温度下的红外灰度图像。具体方法为：室温环境下，在待标定红外热像仪正前方10倍焦距以外放置面型黑体辐射源，将黑体温度变化范围设为包含热像仪拍摄场景的常规温度范围，温度范围优选298.15K～393.15K，间隔采样温度值，并使用待标定红外成像系统拍摄一组清晰的黑体辐射源图像。所述的间隔采样优选每隔5K采样一个温度值。步骤1.2，拟合图像灰度—辐照度映射曲线，即完成红外热像仪的图像灰度—辐照度映射关系标定。计算步骤1.1中每组图像黑体辐射源占据部分的平均灰度，并根据黑体辐射发射率和普朗克公式计算黑体辐射源在成像系统响应波段的辐射出射度。之后根据计算数据拟合图像灰度—黑体辐射出射度映射关系曲线，即完成红外热像仪的图像灰度—辐照度映射关系标定。由于辐射出射度与探测器接收照度成正比，以下用辐射出射度代替辐照度。具体方法为：根据黑体热图像平均灰度计算公式(12)计算步骤1.1中每组图像黑体辐射源占据部分的平均灰度，G‾=ΣAGΣA1---(12)]]>式中，为黑体部分平均灰度，G为图像灰度，A为图像中黑体占据的像素区域。根据黑体辐射出射度计算公式(13)计算黑体辐射源在成像系统响应波段的辐射出射度，M=ϵBB∫λ1λ2[c1λ51exp(c2/λT)-1]dλ---(13)]]>式中，M为面型黑体辐射源在成像系统响应波段的辐射出射度；εBB为黑体辐射源的辐射发射率，λ1、λ2分别为成像系统响应波段的波长下限和上限，c1、c2分别为第一、第二辐射常数。对根据公式(12)计算出的黑体热图像平均灰度和根据公式(13)计算出的黑体在成像系统响应波段的辐射出射度进行拟合，拟合曲线形式为公式(14)，G‾=a×Mγ+b---(14)]]>式中，a、b分别为增益和偏置系数，γ用于表征输出信号与输入辐射量间的非线性效应。步骤1.2所述的拟合方法可为非线性最小二乘法、置信域方法等。步骤2，使用实时四通道红外偏振成像系统拍摄场景，分别通过前端安装偏振片的三个偏振成像通道和前端无偏振片的强度成像通道获取同一场景的检偏图像和强度图像。根据步骤1中每个通道使用的红外热像仪的标定映射关系式(14)将对应通道图像灰度换算为辐照度。对于换算后的检偏通道图像和强度通道图像中的所有像素按照公式(15)进行运算，求解出正确的入射辐射斯托克斯参量和偏振片的反射辐射及自身辐射：IQUr=(12ρ(τ1+τ2)ρ(τ1-τ2)cos2θ0ρ(τ1-τ2)sin2θ02ρ(τ1+τ2)ρ(τ1-τ2)cos2θ1ρ(τ1-τ2)sin2θ12ρ(τ1+τ2)ρ(τ1-τ2)cos2θ2ρ(τ1-τ2)sin2θ222ρ000)-1I0I1I2INP---(15)]]>式中，θ0、θ1、θ2分别为三个检偏通道前置偏振片透过方向与水平方向的夹角，I0、I1、I2分别为θ0、θ1、θ2检偏通道图像像素灰度经换算得到的辐照度值，INP为强度通道图像像素灰度经换算得到的辐照度值；τ1、τ2分别表示前置偏振片主方向及其正交方向的能量透过率；ρ表示偏振片后端光学系统的能量透过率，当仅关注斯托克斯参量的相对大小时可取为0～1之间不为0的任意值；I、Q、U分别表示入射辐射斯托克斯矢量的强度分量、水平/竖直线偏分量以及+45°/-45°线偏分量，r表示前置偏振片的反射辐射和自身辐射。至此，完成对斯托克斯参量的校正。需要说明，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页1 2 3