專利名稱：一種基于偏振遙感探測的波浪水面太陽耀光剝離方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于偏振遙感探測的波浪水面太陽耀光剝離方法，屬于遙感數(shù)據(jù) 處理方法與應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，在海面目標(biāo)探測與跟蹤和水環(huán)境遙感數(shù)據(jù)定量化應(yīng)用方面具有 非常重要的意義。
背景技術(shù)：
平靜的水面可以被近似地看作一面鏡子，當(dāng)太陽光入射時，在與入射方向關(guān)于法 線對稱的反射方向上形成強(qiáng)烈的反射輻射，形成太陽耀光。當(dāng)水面存在波浪時，水面形成傾 角，在海浪的頂端形成閃光點(diǎn)，形成更大范圍的太陽耀光區(qū)。太陽耀光具有很大的輻射強(qiáng) 度，當(dāng)遙感器直接觀測太陽耀光區(qū)時，容易出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。因此對于水色遙感而言，水面反 射的太陽耀光掩蓋了水體物質(zhì)對入射光的散射信息。為了精確分離離水輻亮度，需要在遙 感器所接收的總輻射量中扣除水面反射光的影響。對于海面目標(biāo)監(jiān)測與跟蹤而言，當(dāng)艦船 淹沒在海面耀光背景當(dāng)中時，會導(dǎo)致艦船目標(biāo)和背景海面難以區(qū)分。水面反射光的消除是 水體遙感領(lǐng)域一個基礎(chǔ)的但尚未解決的問題。
對于太陽耀光的處理，目前主要采取“回避”與“剔除”兩種策略。所謂“回避”，就 是在傳感器探測時盡可能回避存在嚴(yán)重太陽耀光的區(qū)域。海洋水色衛(wèi)星傳感器一般具有調(diào) 整傾角的能力，采取沿軌前后傾斜(0° ±20° )掃描的方法避開太陽耀光。航空遙感則 通過設(shè)計合理的飛行路線和選擇合適的時間，控制傳感器的視向來盡可能避開太陽耀光。 在水面光譜測量時，通常選擇適當(dāng)?shù)挠^測幾何以盡量避免在某一太陽方位角時太陽耀光的 干擾。所謂“剔除”，就是將遙感影像中受太陽耀光污染嚴(yán)重的像素通過閾值法將其剔除，不 參與后續(xù)的信息提取。但大量像素因太陽耀光的污染而被剔除會造成很多數(shù)據(jù)空白區(qū)。從 提高水色遙感數(shù)據(jù)利用率的角度出發(fā)，應(yīng)該研究不損失離水輻射的太陽耀光的剝離方法。 如果能借助于某種技術(shù)手段在傳感器探測時將水面反射光剝離，就可以直接獲取水色遙感 的基本的物理量一離水輻亮度，從而可以減少或完全消除水面反射光的估算不準(zhǔn)給后續(xù) 水質(zhì)參數(shù)反演帶來的不確定性。對于基于光學(xué)遙感的海面目標(biāo)監(jiān)測與跟蹤，當(dāng)目標(biāo)物被太 陽耀光所掩蓋時，就無法對目標(biāo)物進(jìn)行跟蹤與鎖定。
水面反射光具有顯著的偏振效應(yīng)，當(dāng)太陽光以氣一水界面的布儒斯特角入射時， 反射光為垂直入射面的線偏振光，可利用該特性減少水面反射光的干擾。在傳感器前使用 檢偏器，調(diào)節(jié)檢偏器的方位角，讓偏振方位角與反射光的偏振方向相互垂直，此時由于偏振 片的阻光作用，反射光全部不能通過偏振片，這樣就可以在不受太陽反射光影響的情況下， 接收到大氣散射和水體散射或水面目標(biāo)物反射的信息。利用該方法可以有效地減弱水面太 陽耀光對于水上目標(biāo)的探測影響。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于偏振遙感探測的波浪水面太陽耀光剝離方法，它克 服了布儒斯特角探測對觀測角度的依賴性與局限性，是一種簡單、高效的方法。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是設(shè)置典型的波浪水面太陽耀光場景，選擇典型的目標(biāo) 物與合適的觀測角，基于LCVR的偏振成像探測儀進(jìn)行波浪水面偏振成像探測，得到不同相 位延遲量的偏振強(qiáng)度圖像。對獲取的不同相位延遲量的偏振強(qiáng)度圖像通過對定標(biāo)的儀器矩 陣求逆，解算出四個Stokes參量與偏振度與偏振角圖像。基于時間序列分析、頻率域降噪 與圖像融合等相關(guān)數(shù)據(jù)處理技術(shù)，對波浪水面太陽耀光區(qū)偏振圖像進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)波浪水 面目標(biāo)與太陽耀光背景的分離，從而達(dá)到波浪水面太陽耀光剝離的目的。
本發(fā)明一種基于偏振遙感探測的波浪水面太陽耀光剝離方法，其具體步驟如下
步驟一選擇合適的時間與地點(diǎn)進(jìn)行水面偏振遙感試驗(yàn)；
步驟二 選擇合適的儀器進(jìn)行波浪水面太陽耀光區(qū)時間序列偏振圖像獲取設(shè) 置典型的波浪水面太陽耀光場景，選擇典型的目標(biāo)物，利用基于LCVR(Liquid Crystal Variable Retarder,液晶相位可變延遲器)的偏振成像探測儀進(jìn)行波浪水面偏振成像探 測，得到不同相位延遲量的偏振強(qiáng)度圖像；
步驟三波浪水面太陽耀光區(qū)偏振圖像處理對獲取的不同相位延遲量的偏振強(qiáng) 度圖像進(jìn)行處理，計算得到四個StOkes參量與偏振度、偏振角圖像；
步驟四波浪水面太陽耀光的剝離基于時間序列分析與圖像融合等相關(guān)數(shù)據(jù)處 理技術(shù)，計算得到分離太陽耀光背景下的目標(biāo)物。
其中，步驟一中所述的“選擇合適的時間與地點(diǎn)進(jìn)行水面偏振遙感試驗(yàn)”，其中，選 擇合適的時間是指天氣條件，要求天氣晴朗，確保有較強(qiáng)的太陽直射光入射到水面，能在水 面形成太陽耀光；選擇合適的地點(diǎn)，要求水面開闊，周邊沒有大型建筑與樹木等遮擋，確保 在太陽高度角低時也能進(jìn)行試驗(yàn)；此外，水面具有一定的波浪，能形成較大范圍的太陽耀光 區(qū)。
其中，步驟二中所述的“選擇合適的儀器進(jìn)行波浪水面太陽耀光區(qū)時間序列偏振 圖像獲取”，是利用偏振成像多光譜探測儀在水面對太陽耀光區(qū)進(jìn)行探測，要求目標(biāo)物部分 或完全被太陽耀光掩蓋(即目標(biāo)物處于太陽耀光覆蓋區(qū))。
其中，步驟二中所述的“選擇合適的儀器進(jìn)行波浪水面太陽耀光區(qū)時間序列偏振 圖像獲取”，要求或者采用基于LCVR原理設(shè)計偏振成像多光譜探測儀，能實(shí)現(xiàn)多個相位延遲 的快速拍攝，或者采用機(jī)械旋轉(zhuǎn)偏振片的探測器，要求具有快速的切換偏振片方位角的功 能，從而能實(shí)現(xiàn)偏振探測器的連續(xù)拍攝，時間差在毫秒級，以至于研究對象不發(fā)生太大的空 間位置移動。此外還要求偏振探測器能根據(jù)太陽高度角的變化，相應(yīng)地改變探測角，確保儀 器能撲捉太陽耀光區(qū)域。
其中，步驟二中所述的“波浪水面太陽耀光區(qū)時間序列偏振圖像獲取”，要求采用 的偏振成像光譜儀具有較大的動態(tài)探測范圍，針對太陽耀光探測時不易飽和；同時要求偏 振探測儀具有積分時間調(diào)節(jié)功能，能夠根據(jù)入射光的強(qiáng)度與觀測角調(diào)節(jié)合適的積分時間， 以至于整幅圖像不至于完全飽和。
其中，步驟三中所述的“波浪水面太陽耀光區(qū)偏振圖像處理”，要求偏振成像探測 儀經(jīng)過嚴(yán)格的偏振定標(biāo)、輻射定標(biāo)與光譜定標(biāo)。能夠?qū)@取的四個不同相位延遲下的偏振 強(qiáng)度圖像，通過反演計算得到該實(shí)驗(yàn)場景的四個Stokes參量圖像與偏振度圖像及偏振角 圖像。
其中，步驟四中所述的“波浪水面太陽耀光的剝離”，是將四幅具有不同相位延遲的偏振強(qiáng)度圖像行傅里葉變換到頻率域，在頻率域進(jìn)行低通濾波降噪處理，再進(jìn)行傅里葉 反變換得到空間域圖像，將處理后的圖像進(jìn)行融合，得到合成后的圖像。要求四個偏振強(qiáng)度 圖像的飽和區(qū)域不能覆蓋目標(biāo)物區(qū)域的一半以上面積比例。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于
(I)本發(fā)明通過基于偏振遙感探測的波浪水面太陽耀光剝離方法可以消除 50%-100%的反射光，在很大程度上削弱了太陽耀光的強(qiáng)度，縮小了圖像飽和區(qū)域的范圍； 而常規(guī)處理太陽耀光方法中，航空遙感需要通過設(shè)計合理的飛行路線和選擇合適的時間， 控制傳感器的視向來盡可能避開太陽耀光，而本發(fā)明的方法對此沒有要求，不受飛行路線 與觀測時間的限制。國際上部分海洋水色衛(wèi)星傳感器具有調(diào)整傾角的能力，采取沿軌前后 傾斜(0° ±20° )掃描的方法避開太陽耀光。但部分水色衛(wèi)星并不具備軌道傾斜探測 能力(如中國的HY-1衛(wèi)星)，而且對于綜合型衛(wèi)星平臺(非水色專題衛(wèi)星)搭載多種遙感探測 器，為了兼顧其它探測器的需求，通常也不具備姿態(tài)傾斜觀測能力，因此，所探測到的圖像 受太陽耀光的污染是不可避免的。對于太陽耀光污染區(qū)，常規(guī)的處理是采用“剔除”方法， 將遙感影像中受太陽耀光污染嚴(yán)重的像素通過閾值法將其剔除，不參與后續(xù)的信息提取。 但大量像素因太陽耀光的污染而被剔除會造成很多數(shù)據(jù)空白區(qū)，降低了遙感圖像的可利用 率，造成了遙感數(shù)據(jù)的不完整性。本方法通過偏振消光，可以大大低降低遙感圖像太陽耀光 的反射強(qiáng)度，大大地減小了耀光范圍與影像飽和區(qū)域，可以直接進(jìn)行太陽耀光下目標(biāo)物的 識別與信息提取。
(2)本發(fā)明認(rèn)為動態(tài)波浪起伏導(dǎo)致的太陽耀光是水面真實(shí)反射的隨機(jī)噪聲，通過 自相關(guān)分析時間序列偏振圖像，通過頻率域?yàn)V波降噪處理，達(dá)到去除或減弱太陽耀光的目 的，是一種既簡單又高效的方法。
(3)本發(fā)明與常規(guī)偏振遙感探測方法的一個顯著區(qū)別在于常規(guī)偏振遙感方法若需 最大程度地剝離水面反射光的影響，必須嚴(yán)格采用布儒斯特角進(jìn)行探測，而且這種方法僅 對靜止水面有效，對于波浪水面，遙感器視場內(nèi)的反射光不可能全滿足布儒斯特角的嚴(yán)格 條件，水面反射光中還殘余大量的平行入射面的線偏振光，其強(qiáng)度與離水輻亮度相當(dāng)，即信 噪比接近1，信號被噪聲所掩蓋。因此在實(shí)踐中往往難以達(dá)到理想的效果。此外，常規(guī)偏振 方法對遙感器的嚴(yán)格觀測條件限制，通常的衛(wèi)星傳感器很難達(dá)到如此大的觀測角(53° )， 因此制約了其在星載平臺的應(yīng)用，而本發(fā)明的方法對遙感器的觀測角度沒有選擇性，即不 限于布儒斯特角觀測，對于非布儒斯特角同樣有效，能在星載平臺上得以很好地應(yīng)用，因此 本方法具有更廣泛的適用性。

圖1為本發(fā)明的技術(shù)流程框圖
圖2(a)為相位延遲I偏振圖像
圖2 (b)為相位延遲2偏振圖像
圖2 (C)為相位延遲3偏振圖像
圖2 (d)為相位延遲4偏振圖像
圖2(e)為太陽耀光剝離結(jié)果具體實(shí)施方式
為了更好地說明本發(fā)明涉及的基于偏振遙感探測的波浪水面太陽耀光剝離方法， 利用本實(shí)驗(yàn)室自行研制的基于LCVR偏振成像多光譜探測儀于2012年10月17-20日在北京 市海淀區(qū)紫竹院公園的開闊湖面進(jìn)行了長時間多場景水面探測試驗(yàn)，取得了良好的效果， 見圖1，具體實(shí)施方法如下
步驟一選擇合適的天氣條件，要求天氣晴朗，確保有較強(qiáng)的太陽直射光入射到水 面，能在水面形成太陽耀光；本試驗(yàn)選擇在2012年10月17-20日進(jìn)行；
步驟二 選擇合適的地點(diǎn)，要求水面開闊，周邊沒有大型建筑與樹木等遮擋，確保 在太陽高度角低時也能進(jìn)行試驗(yàn)；此外要求水面具有一定的波浪，能形成較大的太陽耀光 區(qū)；
步驟三數(shù)據(jù)獲取在太陽耀光區(qū)設(shè)置典型的人造目標(biāo)物，基于實(shí)驗(yàn)室自行研制 的LCVR偏振成像多光譜探測儀進(jìn)行數(shù)據(jù)獲??；
步驟四數(shù)據(jù)處理與太陽耀光剝離見圖2 (a)—圖2(d)，利用四幅不同相位延遲 下的偏振強(qiáng)度圖，通過儀器矩陣求逆的方法解算出入射光Stokes矢量，并繪制出偏振度 圖，太陽耀光背景中目標(biāo)物的偏振特性與水體反射光的偏振特性存在顯著區(qū)別，此方法可 以將目標(biāo)物進(jìn)行分離；對四幅不同相位延遲下的偏振強(qiáng)度圖像，按對應(yīng)像素進(jìn)行傅里葉變 換在頻譜域進(jìn)行低通濾波，再進(jìn)行傅里葉反變換到空間域得到處理后消除太陽耀光的遙感 圖像，實(shí)現(xiàn)太陽耀光的剝離目的。圖2(e)為太陽耀光剝離結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種基于偏振遙感探測的波浪水面太陽耀光剝離方法，其特征在于該方法具體步驟如下 步驟一選擇合適的時間與地點(diǎn)進(jìn)行水面偏振遙感試驗(yàn)； 步驟二 選擇合適的儀器進(jìn)行波浪水面太陽耀光區(qū)時間序列偏振圖像獲取設(shè)置典型的波浪水面太陽耀光場景，選擇典型的目標(biāo)物，利用基于LCVR即液晶相位可變延遲器的偏振成像探測儀進(jìn)行波浪水面偏振成像探測，得到不同相位延遲量的偏振強(qiáng)度圖像； 步驟三波浪水面太陽耀光區(qū)偏振圖像處理對獲取的不同相位延遲量的偏振強(qiáng)度圖像進(jìn)行處理，計算得到四個Stokes參量與偏振度、偏振角圖像； 步驟四波浪水面太陽耀光的剝離基于時間序列分析與圖像融合相關(guān)數(shù)據(jù)處理技術(shù)，計算得到分離太陽耀光背景下的目標(biāo)物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于偏振遙感探測的波浪水面太陽耀光剝離方法，其特 征在于步驟一中所述的“選擇合適的時間與地點(diǎn)進(jìn)行水面偏振遙感試驗(yàn)”，其中，選擇合適的時間是指天氣條件，要求天氣晴朗，確保有強(qiáng)的太陽直射光入射到水面，能在水面形成太陽耀光；選擇合適的地點(diǎn)，要求水面開闊，周邊沒有大型建筑與樹木遮擋，確保在太陽高度角低時也能進(jìn)行試驗(yàn)；此外，水面要有波浪，能形成較大范圍的太陽耀光區(qū)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于偏振遙感探測的波浪水面太陽耀光剝離方法，其特征在于步驟二中所述的“選擇合適的儀器進(jìn)行波浪水面太陽耀光區(qū)時間序列偏振圖像獲取”，是利用偏振成像多光譜探測儀在水面對太陽耀光區(qū)進(jìn)行探測，要求目標(biāo)物部分或完全被太陽耀光掩蓋，即目標(biāo)物處于太陽耀光覆蓋區(qū)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于偏振遙感探測的波浪水面太陽耀光剝離方法，其特征在于:步驟二中所述的“選擇合適的儀器進(jìn)行波浪水面太陽耀光區(qū)時間序列偏振圖像獲取”，要求采用基于LCVR原理設(shè)計偏振成像多光譜探測儀，能實(shí)現(xiàn)多個相位延遲的快速拍攝，或者采用機(jī)械旋轉(zhuǎn)偏振片的探測器，要求具有快速的切換偏振片方位角的功能，從而能實(shí)現(xiàn)偏振探測器的連續(xù)拍攝，時間差在毫秒級，以至于研究對象不發(fā)生太大的空間位置移動；此外還要求偏振探測器能根據(jù)太陽高度角的變化，相應(yīng)地改變探測角，確保儀器能撲捉太陽耀光區(qū)域。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于偏振遙感探測的波浪水面太陽耀光剝離方法，其特征在于步驟二中所述的“選擇合適的儀器進(jìn)行波浪水面太陽耀光區(qū)時間序列偏振圖像獲取”，要求采用的偏振成像光譜儀具有較大的動態(tài)探測范圍，針對太陽耀光探測時不易飽和；同時要求偏振探測儀具有積分時間調(diào)節(jié)功能，能夠根據(jù)入射光的強(qiáng)度與觀測角調(diào)節(jié)合適的積分時間，以至于整幅圖像不至于完全飽和。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于偏振遙感探測的波浪水面太陽耀光剝離方法，其特征在于步驟三中所述的“波浪水面太陽耀光區(qū)偏振圖像處理”，要求偏振成像探測儀經(jīng)過嚴(yán)格的偏振定標(biāo)、輻射定標(biāo)與光譜定標(biāo)，能夠?qū)@取的四個不同相位延遲下的偏振強(qiáng)度圖像，通過反演計算得到該實(shí)驗(yàn)場景的四個Stokes參量圖像與偏振度圖像及偏振角圖像。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于偏振遙感探測的波浪水面太陽耀光剝離方法，其特征在于步驟四中所述的“波浪水面太陽耀光的剝離”，是將四幅具有不同相位延遲的偏振強(qiáng)度圖像行傅里葉變換到頻率域，在頻率域進(jìn)行低通濾波降噪處理，再進(jìn)行傅里葉反變換得到空間域圖像，將處理后的圖像進(jìn)行融合，得到合成后的圖像，要求四個偏振強(qiáng)度圖像的飽和區(qū)域不能覆蓋目標(biāo)物區(qū)域的一半以上面積比例。
全文摘要
一種基于偏振遙感探測的波浪水面太陽耀光剝離方法，它有四大步驟步驟一選擇合適的時間與地點(diǎn)進(jìn)行水面偏振遙感試驗(yàn)；步驟二選擇合適的儀器進(jìn)行波浪水面太陽耀光區(qū)時間序列偏振圖像獲取步驟三波浪水面太陽耀光區(qū)偏振圖像處理步驟四波浪水面太陽耀光的剝離。本發(fā)明是一種便捷、高效的波浪水面太陽耀光校正方法，具有精度高、實(shí)時性好，不造成影像數(shù)據(jù)丟失、不依賴于探測角度選擇等諸多優(yōu)點(diǎn)，對于海面艦船動態(tài)監(jiān)測、水下目標(biāo)探測與水色遙感等領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用價值。
文檔編號G01S7/48GK102998667SQ201210509290
公開日2013年3月27日 申請日期2012年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月3日
發(fā)明者周冠華, 趙慧潔, 徐武健, 牛春躍 申請人:北京航空航天大學(xué)