抑制太阳耀光的海面目标自适应偏振探测装置及其方法

1.本发明涉及光通信技术领域和光传感技术领域，具体涉及一种抑制太阳耀光的海面目标自适应偏振探测装置及其方法。


背景技术：

2.数字域tdi-cmos相机由于其积分成像的特性，能够在低照度的环境下获得信噪比较高的图像，同时还兼具高灵敏度的优点，因而被广泛应用于高分辨率、高精度的空间相机中。但与此同时，对于各种环境因素等造成的干扰，也会更加敏感。而且海面的反射率本就很低，所以太阳耀光的存在给传感器带来了大量的耀光噪声干扰，严重影响了探测器的识别精度与性能，致使无法实现对海洋目标的有效探测并准确获取海洋遥感信息。
3.海面太阳耀光是阳光经过海面的镜面面元反射后在太阳光反射方向上会产生强烈的反射辐射而形成一定区域的强烈太阳耀光。偏振是光的一个固有属性，是独立于强度、波长和相位的光学信息维度。海面太阳耀光具有明显的偏振特征，而水体本身属于低反射率的暗目标。另外，海上目标与背景海水之间存在着显著的偏振特性差异。波浪海表上的太阳耀光与背景海水以及背景海水与典型海洋目标的偏振特性也存在着一定的特征差异。
4.抑制太阳耀光的海面目标自适应偏振探测装置针对海面耀光以及海洋背景的偏振特性进行设计，并且可搭载于无人机上，实现在运动中自动化抑制耀光。目前公开的利用偏振方式对海面耀光抑制的技术相对较少，并且一般是对于已采集图像进行后续处理或者对海面某一固定位置进行抑制，难以同时具备实时性与无人化以及大范围遥测这几个特点。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种抑制太阳耀光的海面目标自适应偏振探测装置及其探测方法，解决了现有技术利用偏振方式对海面耀光抑制的技术相对较少问题。
6.本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
7.一种抑制太阳耀光的海面目标自适应偏振探测装置，该装备包括：偏振相机、计算机、步进电机、偏振片、和数字域tdi-cmos相机；偏振相机检测海面目标反射的部分偏振光，将带有所述部分偏振光的角度和强度的原始图像发送到所述计算机内，通过所述计算机计算得到所述海面目标反射光的主偏振方向，由所述计算机对步进电机的控制，使安装在所述数字域tdi-cmos相机上的偏振片与海面目标反射光线的主偏振方向垂直，所述数字域tdi-cmos相机采集所述海面目标的偏振图像，并对所述图像进行处理。
8.优选的，在所述偏振相机上依次设置传感器的像素阵列、微偏振片阵列和微透镜阵列。
9.优选的，所述微偏振片阵列由多个2x2的偏振光滤光片块组成，每个2x2偏振光滤光片块内部的4个像元级偏振光滤光片的偏振方向分别为0
°
、45
°
、90
°
、和135
°
。
10.优选的，每个所述像元分别对应一个所述像元级偏振光滤光片，每相邻2x2个像素都有四个不同角度的纳米级偏振光滤光片。
11.优选的，所述传感器像素阵列的一个像素对应一个2x2的偏振光滤光片块；所述微透镜阵列的一个微透镜对应一个2x2的偏振光滤光片块。
12.优选的，所述偏振片的标定方向为0
°
。
13.优选的，所述偏振图像的分辨率是原始图像四分之一。
14.一种抑制太阳耀光的海面目标自适应偏振探测装置的探测方法，所述探测方法包括如下步骤：
15.步骤一：利用偏振相机获取海面目标带有偏振信息的原始图像；
16.步骤二：计算机实时接收步骤一所述的带有偏振信息的原始图像，所述原始图像为4幅不同偏振角度的图像；所述计算机通过同一时刻的4幅图像计算海面反射光的主偏振方向，获取其抑制耀光的偏振角度；
17.步骤三：所述计算机通过控制步进电机带动偏振片的旋转到与海面反射光主偏振方向相垂直的方向；
18.步骤四：将所述偏振片安装在数字域tdi-cmos相机上，所述数字域tdi-cmos相机采集所述海面目标多帧图像，对每一帧图像进行微处理，将不同帧数的相同像素位置最小强度值提取出来，通过每一帧相同位置的最小强度值提取出来并乘以相机采集帧数，形成实时抑制海面耀光后的图像。
19.优选的，每个像素点位置的强度为：
20.a
min
(x,y)＝min{a1(x,y),a2(x,y)......an(x,y)}*n
21.其中，n为数字域tdi-cmos相机采集的总帧数，an(x,y)为获得的第n帧图像；抑制海面耀光后的图像a(x,y)为：
[0022][0023]
本发明的有益效果是：
[0024]
1)能够明显减弱太阳耀光对图像的影响：本发明采用偏振探测技术，结合海面耀光的偏振特性，可以对海面反射的耀光进行两步抑制，增大了数字域tdi-cmos相机针对海面探测的效果，提高了对海面目标的探测精准度。
[0025]
2)结构紧凑，使用简单：本发明所采用的偏振相机与数字域tdi-cmos相机通过计算机控制步进电机与偏振片相结合，采用元器件简单，集成度更高，体积和重量小，扩大了使用场景，使用时基本为自动控制，大大降低了人为失误造成的影响。
[0026]
3)复原方法简单：本发明经偏振相机采集四个角度的偏振图像，经过简单计算获得所需偏振角度，在数字域tdi-cmos相机上所采集的多帧图像通过简单算法即可完成对耀光的抑制，无复杂计算。
[0027]
4)采用数字域tdi-cmos相机，结合本文算法可实现高空飞行作业时有效抑制图像
伪影。
[0028]
5)易于加工，利于产业化：本发明利用各种成熟的设备以及光学器件，加工制作比较容易，利于实现产业化。
附图说明
[0029]
图1本发明一种抑制太阳耀光的海面目标自适应偏振探测装置原理示意图。
[0030]
图2本发明偏振相机传感器的像素阵列、微偏振片阵列和微透镜阵列的排布侧视图。
[0031]
图3本发明偏振相机中2x2偏振光滤光器块的结构示意图。
[0032]
图4本发明偏振相机所获取的偏振图像与原始图像的大小对比。
[0033]
图中：1、偏振相机，2、计算机，3、步进电机，4、偏振片，5、数字域tdi-cmos相机，6、部分偏振光，7、海面目标，8、太阳光，9、微透镜阵列，10、微偏振片阵列和11、传感器像素阵列。
具体实施方式
[0034]
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
[0035]
如图1所示，一种抑制太阳耀光的海面目标自适应偏振探测装置，该装备包括：偏振相机1、计算机2、步进电机3、偏振片4、和数字域tdi-cmos相机5；正常情况下的海面不是静止的，而是波动的，在太阳的辐射下，会形成许多迅速出现和消失的耀斑。由于太阳光8经海面反射偏振特性发生了变化，由菲涅尔公式可以得出，绝大部分的海面目标7反射光线为部分偏振光6。因此通过针对海面偏振光的抑制可以对海面耀光进行有效的抑制。偏振相机1检测海面目标7反射的部分偏振光6，将带有所述部分偏振光6的角度和强度的原始图像发送到所述计算机2内，通过所述计算机2计算得到所述海面目标7反射光的主偏振方向，由所述计算机2对步进电机3的控制，使安装在所述数字域tdi-cmos相机5上的偏振片4与海面目标7反射光线的主偏振方向垂直，所述数字域tdi-cmos相机5采集所述海面目标7的偏振图像，并对所述图像进行处理，分两步抑制海面的耀光现象。
[0036]
海面反射的部分偏振光6经过偏振相机1得到偏振图像。偏振相机1的微偏振片阵列10直接放置在传感器的像素阵列11上方，微透镜阵列9的下面。所述微偏振片阵列10由多个2x2的偏振光滤光片块组成，每个2x2偏振光滤光片块内部的4个像元级线偏振片的偏振方向分别为0
°
、45
°
、90
°
、和135
°
。偏振相机1上的每一个像元对应一个偏振光滤光器片，即每个像素都有一个不同角度的偏振光滤光片，再通过将同一偏振方向上每个像元得到的像素点提取出来，由此得到四幅偏振方向分别为0
°
、45
°
、90
°
、135
°
的偏振图像和一幅完整的由一组2x2的不同偏振方向的偏振相机1所得到的原始图像，所得到的原始图像的大小是每一幅子偏振图像的四倍。如图2所示，所述传感器像素阵列11的一个像素对应一个2x2的偏振光滤光片块；微透镜阵列9的一个微透镜对应一个2x2的偏振光滤光片块。
[0037]
通过计算机2对四幅偏振图像和原始图像进行采集，将五幅图中任意一点的灰度值等于255的像素点与其他四幅的对应像素点的灰度值取0，计算每幅图去除由于失真后，失真点取像素值点的平均灰度值。令q等于0
°
与90
°
偏振图像平均灰度值之差，令u等于45
°
与135
°
偏振图像平均灰度值之差，另取sum图像的平均灰度值为s，计算出偏振角度：
[0038][0039]
其中所述偏振片的标定方向为0
°
。
[0040]
计算机2实时接收偏振相机1获得到的图像，并实时计算出相应的偏振角发送给步进电机3，通过步进电机3控制偏振片4旋转到与计算出的角度相垂直的方向上，由于海面反射的部分偏振光6的偏振状态会时刻发生微小变化，所以对步进电机3的控制精度有一定的要求：能够实时对偏振片4进行控制，并保证旋转时有着足够的精度。
[0041]
最后由数字域tdi-cmos相机5采集多帧图像，对每一帧图像进行微处理，将不同帧数的相同像素位置最小强度值提取出来，通过每一帧相同位置的最小强度值提取出来并乘以相机采集帧数，形成实时抑制海面耀光后的图像。
[0042]
基于一种抑制太阳耀光的海面目标自适应偏振探测装置的探测方法，所述探测方法包括如下步骤：
[0043]
步骤一：利用偏振相机1获取海面目标7带有偏振信息的原始图像；
[0044]
步骤二：计算机2实时接收步骤一所述的带有偏振信息的原始图像，所述原始图像为4幅不同偏振角度的图像；所述计算机2通过同一时刻的4幅图像计算海面反射的部分偏振光6的主偏振方向，获取其抑制耀光的偏振角度；
[0045]
步骤三：所述计算机2通过控制步进电机3带动偏振片4的旋转到与海面部分偏振光6主偏振方向相垂直的方向；
[0046]
步骤四：将所述偏振片4安装在数字域tdi-cmos相机5上，所述数字域tdi-cmos相机5采集所述海面目标6的多帧图像，对每一帧图像进行微处理，将不同帧数的数字域tdi-cmos相机5像素位置最小强度值提取出来，通过每一帧相同位置的最小强度值提取出来并乘以数字域tdi-cmos相机5采集帧数，形成实时抑制海面耀光后的图像。
[0047]
其中，每个像素点位置的强度为：
[0048]amin
(x,y)＝min{a1(x,y),a2(x,y)......an(x,y)}*n
[0049]
其中，n为数字域tdi-cmos相机5采集的总帧数，an(x,y)为获得的第n帧图像；抑制海面耀光后的图像a(x,y)为：
[0050][0051]
其中m和n分别为传感器像元的行数和列数，m*n即为像元总数。