一种用于海面太阳亮带内目标识别的红外探测装置的制作方法

本实用新型属于海面目标识别技术领域，特别涉及一种用于海面太阳亮带内目标识别的红外探测装置。

背景技术：

晴日，海面光学成像探测设备迎着太阳观测海面目标时，太阳辐射会经海面反射至探测设备。探测图像上表现为一条耀眼闪烁的带状区域，称之为海面太阳亮带。海面太阳亮带严重影响光学成像探测设备对亮带海域内的目标探测，导致其目标识别能力大打折扣，所述海面目标包括海平面附近的岛屿、岩礁和各种海面漂浮物等。

国内刘燕、沈国土、靳兰海等人研究了海面太阳亮带对海面红外目标识别的影响，发现海面太阳亮带对中红外波段的海面目标识别有很大干扰，目标会被湮没在太阳亮带海域中。罗姣采用目标轨迹预测方法预估目标在亮带内的定位。目标进入亮带海域时，依靠目标进入亮带前的运动轨迹和速度，预测更新目标位置。轨迹预测方法可应用于遵循既定航线的目标跟踪，无法跟踪故意沿着亮带海域行进的敌方目标。

现有海面太阳亮带内目标识别技术无法准确识别目标的原因主要包括以下 3个方面：

(1)部分亮带海域的辐射亮度与目标接近。相机像元对应的视场海域内会包含许多微小的太阳辐射反射区域，导致部分亮带海域对应的相机像元的AD输出值与目标相差不大。

(2)部分亮带海域出现大量等灰度的块状海域，成为了干扰识别的假目标。

(3)海面太阳亮带造成红外成像设备的红外相机饱和。

美国蒙特利市海军研究院物理系的Alfred W.Cooper和美国SPAR宇航公司的Dennis J、Gregoris等人，采用红外相机镜头前方加装偏振片，研究旋转偏振片对海面太阳亮带内目标识别的改善效果。美国海军武器中心下属的红外与可见光部的J.L.Beard也尝试使用一片红外偏振片抑制海面亮带的干扰，研究了最佳的偏振透振方向。相机镜头前方加装偏振片可消除部分海面反射的太阳辐射，一定程度上提高图像信噪比，但剩余海面反射的太阳辐射亮度仍远大于海面目标辐亮度，目标依旧被隐藏在海面亮带。

综上所述，目前公开文献上，暂未见准确识别太阳亮带海域内目标的研究报道，因此研发一种探测装置，能消除海面的强烈反射太阳辐射干扰，是实现海面太阳亮带内的目标识别的关键。

技术实现要素：

为克服现有海面目标识别设备不能识别海面太阳亮带内目标，本实用新型提供一种用于海面太阳亮带内目标识别的红外探测装置。

本实用新型通过以下技术方案实现：一种用于海面太阳亮带内目标识别的红外探测装置，包括中红外相机和红外偏振片，其特征在于：还包括线栅偏振器、光阑、同步触发器、控温罩壳和锗封窗，所述中红外相机设置为两台，两台中红外相机的镜头成一定角度，其中一台中红外相机的镜头前方设有红外偏振片，以保证进入该中红外相机的海面辐射都经过红外偏振片；并在两台中红外相机的镜头前方的光路交叉处设置线栅偏振器，线栅偏振器的前方光路设置有光阑，光阑用以限制非被测海域的环境辐射杂散光，光阑前方设有锗封窗；锗封窗和控温罩壳构成密封控温腔体，中红外相机、红外偏振片、线栅偏振器、光阑均置于控温腔体中；两台中红外相机和同步触发器通过信号线连接。

所述红外偏振片的透振方向与线栅偏振器反射的偏振辐射的偏振方向相同。

所述成一定角度是要满足下列条件：入射至线栅偏振器的海面辐射通过透射和反射被分成两束偏振方向正交且传播方向不同的偏振辐射，两束偏振辐射的偏振方向一个平行于海平面，一个垂直海平面，且两束线偏振辐射的中心线和两台中红外相机的光轴分别重合；两束偏振辐射分别在两台中红外相机成像，两幅图像对应相同的成像区域。

所述控温罩壳上设有线孔，控温罩壳内的中红外相机成像控制电路通过信号线穿过线孔连接控温罩壳外的同步触发器。

所述同步触发器内置有触发信号发生芯片，同步触发器发出的触发信号一分为二，分别输入给两台中红外相机。

所述两台中红外相机的性能配置相同，中红外相机的成像控制电路中设有用于同步触发功能的芯片，可以接受同步触发器输入的触发信号，触发控制两台中红外相机同步拍摄。

所述控温罩壳由铝合金材质制成，控温罩壳内表面阳极氧化发黑且设有消光沟槽，用于减少仪器热辐射的干扰；控温罩壳外表面设有基于半导体控温技术的控温层。

所述锗封窗为锗平板玻璃，镀增透膜以提高中红外相机工作波段辐射的透过率。

所述线栅偏振器为金属线栅偏振器，线栅偏振器的工作波段覆盖中红外相机的工作波段，线栅偏振器反射光的偏振方向平行于线栅偏振器的反射面。

本实用新型提供的红外探测装置在进行海面太阳亮带内目标识别时，是按下述方法进行：

步骤1、红外探测装置的系统定标

分别对两台中红外相机的自身响应误差、自身热辐射误差和辐射分束误差进行定标：

步骤1.1、两台中红外相机响应误差的辐射定标：

中红外相机的辐射定标用于获取相机的绝对辐亮度响应度α和相机光机结构热辐射，偏置电压及暗电流等引起的偏移量G₀；采用大面源黑体覆盖中红外相机入瞳的定标方法，对两台中红外相机进行辐射定标，中红外相机的像元输出AD 值即模数转换器的输出值，用G_t表示为：

G_t＝αL+G₀ (1)

式中，α为中红外相机的绝对辐亮度响应度；G₀是中红外相机的光机结构热辐射、偏置电压、暗电流噪声等引起的偏移量；L为中红外相机的某像元所对应的海域在该像元位置处的总辐亮度；

两台中红外相机的积分时间为t，处于固定温度T_a下，通过测量不同温度的面源黑体，获取不同温度时每个像元的L和G_t值，进而对两台中红外相机辐射定标，分别获得两台中红外相机的二维矩阵G₀₁、α₁和二维矩阵G₀₂、α₂；

步骤1.2、红外探测装置的光机结构热辐射杂散光定标：

红外探测装置的中红外相机、线栅偏振器、红外偏振片和光阑置于控温罩壳内，控温罩壳的控温值与中红外相机定标时的温度T_a相同；控温后，控温罩壳、线栅偏振器、红外偏振片、光阑、中红外相机的温度稳定，热辐射也稳定；锗封窗镀增透膜后，热发射率很低，锗封窗受外界环境温度起伏影响引起的锗封窗热辐射起伏很微弱，红外探测装置自身光路内的热辐射杂散光基本稳定不变；

定标方法：用一个冷面完全覆盖锗封窗端部，冷面是指特殊物体表面，该特殊物体需满足下列条件：冷面自身热辐射在中红外相机的响应小于中红外相机的噪声，引起中红外相机的像元输出AD值可忽略不计；将两台中红外相机的积分时间设为t，控温罩壳的控温值设为T_a，启动红外探测装置拍摄图像，两台中红外相机分别获得的图像利用MATLAB、IDL(Interactive Data Language)等计算机语言读取得到二维数字矩阵，即为两台中红外相机在积分时间t下对应的热辐射杂散光定标矩阵R₁和R₂，矩阵R₁和R₂具有相同的行数和列数，且等于中红外相机的像元行、列数；

步骤1.3、线栅偏振器的辐射分束定标：

设置两台中红外相机的积分时间为t，控温罩壳的控温值为T_a，面源黑体置于红外探测装置入瞳前且覆盖红外探测装置入瞳，黑体辐射经线栅偏振器和红外偏振片分光后，两台中红外相机分别成像，所得图像分别利用MATLAB、IDL (Interactive Data Language)等计算机语言读取得到二维数字矩阵，即矩阵B₁和B₂，矩阵B₁和B₂具有相同的行数和列数且等于中红外相机像元的行、列数；

矩阵B₁的每个元素值，分别减去步骤1.1所得矩阵G₀₁的对应值，再除以矩阵α₁的对应值，然后减去步骤1.2所得矩阵R₁相对应的元素值，即得到矩阵C₁；同理，矩阵B₂的每个元素值，分别减去步骤1.1所得矩阵G₀₂的对应值，再除以矩阵α₂的对应值，然后减去步骤1.2所得矩阵R₂相对应的元素值，即得到矩阵 C₂；矩阵C₁和C₂的行、列数等于中红外相机像元的行、列数；

与C₁具有相同的行数和列数的全1矩阵H为其中一台中红外相机在积分时间t下的分束定标矩阵，以矩阵Ca为另一台中红外相机在积分时间t下的分束定标矩阵，矩阵Ca的每个元素值等于矩阵C₂相对应元素值除以C₁相对应元素值；

步骤2：红外探测装置进行海面太阳亮带内的目标探测

步骤2.1同步采集图像：

设置两台中红外相机的积分时间为t，控温罩壳的控温值为T_a，选取待测海域，红外探测装置的锗封窗一端指向待测海域，启动同步触发器，触发信号一分为二同步触发两台中红外相机拍摄，获取两台中红外相机对待测海域的两幅同时刻图像，将图像分别利用MATLAB、IDL(Interactive Data Language)等计算机语言读取得到二维数字矩阵，即矩阵D₁和D₂；

矩阵D₁的每个元素值，分别减去步骤1.1所得矩阵G₀₁的对应值，再除以矩阵α₁的对应值，然后减去步骤1.2所得矩阵R₁相对应的元素值，再乘以步骤1.3 生成的全1矩阵H，上述运算消除了红外探测装置本身对海面辐射测量精度的影响，获得系统定标后AD输出值矩阵A₁；

同理，矩阵D₂的每个元素值，分别减去步骤1.1所得矩阵G₀₂的对应值，再除以矩阵α₂的对应值，然后减去步骤1.2所得矩阵R₂相对应的元素值，再乘以步骤1.3生成的矩阵Ca，获得系统定标后AD输出值矩阵A₂；矩阵A₁和A₂具有相同的行数和列数；

步骤2.2图像处理：

通过以下公式获得矩阵A₃和A₄：

A₃＝0.5(A₁-A₂-|A₁-A₂|) (2)

A₄＝A₁+A₂ (3)

式中，|A₁-A₂|表示矩阵，该矩阵的每个元素值等于A₁和A₂相对应元素值之差的绝对值，矩阵A₃的每个元素值等于矩阵A₁相对应元素值减去矩阵A₂相对应元素值，再减去矩阵|A₁-A₂|相对应元素值，所得值乘以0.5；矩阵A₄的每个元素值等于A₁和A₂相对应元素值的加和值；

式中，|A₃|表示矩阵，该矩阵的每个元素值等于矩阵A₃相对应元素值的绝对值；max(|A₃|)为矩阵|A₃|中的最大元素值，N为中红外相机的模数转换器 (ADC)的位数，矩阵A₅是矩阵|A₃|与的数乘所获得的矩阵，矩阵A₆获取方法与A₅相同；

A₅和A₆为二维数字矩阵，利用MATLAB、IDL等计算机编程语言转化为人眼可识别的图像；

步骤2.3目标识别：

海面太阳亮带反射的太阳辐射具有很强的偏振特性，海面目标辐射包括自身辐射和太阳辐射在其表面的漫反射，偏振特性较弱；若海面目标辐射为无偏振，理论情况下，A₅对应图像的目标区域为黑色区域；实际的各种海面目标都有一定偏振性，但偏振性很弱，图像中的目标区域接近黑色区域；海面亮带反射的太阳辐射有很强的偏振特性，越靠近亮带中心区域，偏振特性越强，对应的数值越大，越接近白色区域；A₅对应图像中白色区域内的暗区域(即黑色区域或接近黑色区域)即为目标区域。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：

(1)红外探测装置设有整体控温罩壳，抑制了探测设备中各器件的性能参数随温度变化产生的测量误差。结合系统定标，消除了辐射分束误差和红外探测装置自身热辐射杂散光的干扰。

(2)海面反射的太阳辐射具有较强的偏振特性，本实用新型装置生成的A₅提高了目标和周围海域的图像灰度差异，减少了亮带海域出现的等灰度块状海域，提高了海面太阳亮带内的目标识别能力。线栅偏振器具有减光功能，有利于避免相机饱和。

(3)实现有、无太阳亮带两种情况下的海面目标识别。红外探测装置同时获得对应A₅和A₆的两幅图像，A₅用于目标处于海面太阳亮带内的目标识别，A₆用于没有太阳亮带时的海面目标识别。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本实用新型提供红外探测装置的结构示意图；图中，1-锗封窗，2-光阑，3-中红外相机I，4-控温罩壳，5-线栅偏振器，6-红外偏振片，7-中红外相机II；

图2为本实用新型提供红外探测装置的外观示意图；

图3为本实用新型提供红外探测装置的工作原理示意图；

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1-3所示，用于海面太阳亮带内目标识别的红外探测装置，包括中红外相机和红外偏振片，还包括线栅偏振器5、光阑2、同步触发器、控温罩壳4和锗封窗1，所述中红外相机设置为两台(中红外相机I 3和中红外相机II 7)，两台中红外相机的镜头成一定角度，即满足下列条件：入射至线栅偏振器5的海面辐射通过透射和反射被分成两束偏振方向正交且传播方向不同的偏振辐射，两束偏振辐射的偏振方向一个平行于海平面，一个垂直海平面，且两束线偏振辐射的中心线和两台中红外相机的光轴分别重合；两束偏振辐射分别在两台中红外相机成像，两幅图像对应相同的成像区域。

所述中红外相机II 7的镜头前方设有红外偏振片6，以保证进入中红外相机 II 7的海面辐射都经过红外偏振片6；并在两台中红外相机的镜头前方的光路交叉处设置线栅偏振器5，线栅偏振器5的前方光路设置有光阑2，光阑2用以限制非被测海域的环境辐射杂散光，光阑2前方设有锗封窗1；锗封窗1和控温罩壳4构成密封控温腔体，中红外相机I 3、中红外相机II 7、红外偏振片6、线栅偏振器5、光阑2均置于控温腔体中；控温罩壳4上设有线孔，控温罩壳4内的中红外相机成像控制电路通过信号线穿过线孔连接控温罩壳4外的同步触发器；同步触发器内置有触发信号发生芯片，同步触发器发出的触发信号一分为二，分别输入给两台中红外相机。

所述红外偏振片6的透振方向与线栅偏振器5反射的偏振辐射的偏振方向相同。所述两台中红外相机的性能配置相同，中红外相机的成像控制电路中设有用于同步触发功能的芯片，可以接受同步触发器输入的触发信号，触发控制两台中红外相机同步拍摄。所述控温罩壳4由铝合金材质制成，控温罩壳4内表面阳极氧化发黑且设有消光沟槽，用于减少仪器热辐射的干扰；控温罩壳4外表面设有基于半导体控温技术的控温层。

所述锗封窗1为锗平板玻璃，镀增透膜以提高中红外相机工作波段辐射的透过率。所述线栅偏振器5为金属线栅偏振器，线栅偏振器5的工作波段覆盖中红外相机的工作波段，线栅偏振器5反射光的偏振方向平行于线栅偏振器的反射面。

使用上述红外探测装置进行海面太阳亮带内目标识别时，是按下列操作进行：

步骤1、红外探测装置的系统定标

分别对两台中红外相机的自身响应误差、自身热辐射误差和辐射分束误差进行定标：

步骤1.1、两台中红外相机响应误差的辐射定标：

中红外相机的辐射定标用于获取相机的绝对辐亮度响应度α和相机光机结构热辐射，偏置电压及暗电流等引起的偏移量G₀；采用大面源黑体覆盖中红外相机入瞳的定标方法，对两台中红外相机进行辐射定标，中红外相机的像元输出AD 值即模数转换器的输出值，用G_t表示为：

G_t＝αL+G₀ (1)

式中，α为中红外相机的绝对辐亮度响应度；G₀是中红外相机的光机结构热辐射、偏置电压、暗电流噪声等引起的偏移量；L为中红外相机的某像元所对应的海域在该像元位置处的总辐亮度；

两台中红外相机的积分时间为t，处于固定温度T_a＝25℃下，通过测量不同温度的面源黑体，获取不同温度时每个像元的L和G_t值，中红外相机各像元对应的AD输出值矩阵G_ti(k，m)；中红外相机的红外探测器为红外焦平面阵列探测器，其中k，m表示像元在红外焦平面阵列探测器中的行/列值；中红外相机探测温度T_i的面源黑体时，像元(k，m)对应的AD输出值为Gt_i(k，m)，在横/纵坐标分别为辐亮度和像元AD值的坐标系中对应一个点，绘出不同黑体温度对应的点图，按照最小二乘法把点图拟合成一条直线，直线的斜率与纵轴的交点即为像元(k，m)的α(k，m)和G₀(k，m)值；计算出每个像元对应α和G₀值，进而分别获得中红外相机I 3在积分时间t下的二维矩阵G₀₁、G₀₂以及中红外相机II 7在积分时间t下的二维矩阵α₁、α2；

步骤1.2、红外探测装置的光机结构热辐射杂散光定标：

红外探测装置的中红外相机、线栅偏振器、红外偏振片和光阑置于控温罩壳内，控温罩壳的控温值与中红外相机定标时的温度T_a相同；控温后，控温罩壳、线栅偏振器、红外偏振片、光阑、中红外相机的温度稳定，热辐射也稳定；锗封窗镀增透膜后，热发射率很低，锗封窗受外界环境温度起伏影响引起的锗封窗热辐射起伏很微弱，红外探测装置自身光路内的热辐射杂散光基本稳定不变；

定标方法：用一个冷面完全覆盖锗封窗端部，冷面是指特殊物体表面，该特殊物体需满足下列条件：冷面自身热辐射在中红外相机的响应小于中红外相机的噪声，引起中红外相机的像元输出AD值可忽略不计；本例采用铝合金材质制成中空圆柱薄壳体，圆柱体上表面进行阳极氧化发黑，作为冷面，下表面有液氮注入口，注入液氮后，用干燥氮气冲刷冷面；由于液氮的温度极低，冷面热辐射引起的红外探测装置的中红外相机AD输出值可忽略不计；红外探测装置测量冷面时，中红外相机AD输出值来源于红外探测装置自身热辐射；

将两台中红外相机的积分时间设为t，控温罩壳的控温值设为T_a＝25℃，启动红外探测装置拍摄图像，两台中红外相机分别获得的图像利用MATLAB、IDL (Interactive Data Language)等计算机语言读取得到二维数字矩阵，即为中红外相机I 3在积分时间t下对应的热辐射杂散光定标矩阵R₁以及中红外相机II 7在积分时间t下对应的热辐射杂散光定标矩阵R₂，矩阵R₁和R₂具有相同的行数和列数，且等于中红外相机的像元行、列数；

步骤1.3、线栅偏振器的辐射分束定标：

设置两台中红外相机的积分时间为t，控温罩壳的控温值为T_a＝25℃，面源黑体置于红外探测装置入瞳前且覆盖红外探测装置入瞳，黑体辐射经线栅偏振器和红外偏振片分光后，两台中红外相机分别成像，所得图像分别利用MATLAB、IDL(Interactive Data Language)等计算机语言读取得到二维数字矩阵，即矩阵 B₁和B₂，矩阵B₁和B₂具有相同的行数和列数且等于中红外相机像元的行、列数；

矩阵B₁的每个元素值，分别减去步骤1.1所得矩阵G₀₁的对应值，再除以矩阵α₁的对应值，然后减去步骤1.2所得矩阵R₁相对应的元素值，即得到矩阵C₁；同理，矩阵B₂的每个元素值，分别减去步骤1.1所得矩阵G₀₂的对应值，再除以矩阵α₂的对应值，然后减去步骤1.2所得矩阵R₂相对应的元素值，即得到矩阵 C₂；矩阵C₁和C₂的行、列数等于中红外相机像元的行、列数；

与C₁具有相同的行数和列数的全1矩阵H为中红外相机I 3在积分时间t下的分束定标矩阵，以矩阵Ca为中红外相机II 7在积分时间t下的分束定标矩阵，矩阵Ca的每个元素值等于矩阵C₂相对应元素值除以C₁相对应元素值；

步骤2：红外探测装置进行海面太阳亮带内的目标探测

步骤2.1同步采集图像：

设置两台中红外相机的积分时间为t，控温罩壳的控温值为T_a＝25℃，选取待测海域，红外探测装置的锗封窗一端指向待测海域，启动同步触发器，触发信号一分为二同步触发两台中红外相机拍摄，获取两台中红外相机对待测海域的两幅同时刻图像，将图像分别利用MATLAB、IDL(Interactive Data Language)等计算机语言读取得到二维数字矩阵，即矩阵D₁和D₂；

矩阵D₁的每个元素值，分别减去步骤1.1所得矩阵G₀₁的对应值，再除以矩阵α₁的对应值，然后减去步骤1.2所得矩阵R₁相对应的元素值，再乘以步骤1.3 生成的全1矩阵H，上述运算消除了红外探测装置本身对海面辐射测量精度的影响，获得系统定标后AD输出值矩阵A₁；

同理，矩阵D₂的每个元素值，分别减去步骤1.1所得矩阵G₀₂的对应值，再除以矩阵α₂的对应值，然后减去步骤1.2所得矩阵R₂相对应的元素值，再乘以步骤1.3生成的矩阵Ca，获得系统定标后AD输出值矩阵A₂；矩阵A₁和A₂具有相同的行数和列数；

步骤2.2图像处理：

通过以下公式获得矩阵A₃和A₄：

A₃＝0.5(A₁-A₂-|A₁-A₂|) (2)

A₄＝A₁+A₂ (3)

式中，|A₁-A₂|表示矩阵，该矩阵的每个元素值等于A₁和A₂相对应元素值之差的绝对值，矩阵A₃的每个元素值等于矩阵A₁相对应元素值减去矩阵A₂相对应元素值，再减去矩阵|A₁-A₂|相对应元素值，所得值乘以0.5；矩阵A₄的每个元素值等于A₁和A₂相对应元素值的加和值；

式中，|A₃|表示矩阵，该矩阵的每个元素值等于矩阵A₃相对应元素值的绝对值；max(|A₃|)为矩阵|A₃|中的最大元素值，N为中红外相机的模数转换器 (ADC)的位数，矩阵A₅是矩阵|A₃|与的数乘所获得的矩阵，矩阵A₆获取方法与A₅相同；

A₅和A₆为二维数字矩阵，利用MATLAB、IDL等计算机编程语言转化为人眼可识别的图像；

步骤2.3目标识别：

海面太阳亮带反射的太阳辐射具有很强的偏振特性，海面目标辐射包括自身辐射和太阳辐射在其表面的漫反射，偏振特性较弱；若海面目标辐射为无偏振，理论情况下，A₅对应图像的目标区域为黑色区域；实际的各种海面目标都有一定偏振性，但偏振性很弱，图像中的目标区域接近黑色区域；海面亮带反射的太阳辐射有很强的偏振特性，越靠近亮带中心区域，偏振特性越强，对应的数值越大，越接近白色区域；A₅对应图像中白色区域内的暗区域(即黑色区域或接近黑色区域)即为目标区域，能明显可见，提高了海面太阳亮带内的目标识别能力。 A₆表示两个正交方向偏振辐射分量的和，A₆和传统中红外相机拍摄的海面亮带图像基本相同。