本發(fā)明涉及多光譜成像技術領域，特別涉及一種基于目標表面特征參數的多光譜成像系統(tǒng)。

背景技術：

我國傳統(tǒng)的光電成像系統(tǒng)主要是基于光強度成像的電視攝像或者紅外熱像儀等，即通過獲取目標與背景的反射或者輻射光強在空間的分布特征，并結合信息化的處理手段從中識別并跟蹤興趣目標。這種方式在以往條件下曾經發(fā)揮了重要的作用，但在霧霾、煙塵、低光強度環(huán)境或相對低光強度等復雜環(huán)境下探測性能下降，低對比度目標難以識別、區(qū)分。并且傳統(tǒng)的光電成像系統(tǒng)只能根據光強度繪制二維圖形，無法提供目標的材料的信息。

技術實現要素：

本發(fā)明的一個目的是解決至少上述問題，并提供至少后面將說明的優(yōu)點。

本發(fā)明還有一個目的是提供一種基于目標表面特征參數的多光譜成像系統(tǒng)，其能夠在霧霾、煙塵、低光強度環(huán)境或相對低光強度等復雜環(huán)境下，形成普通光強度圖像和偏極性圖像并分別展示在成像顯示器上，并能夠清晰顯現目標的位置和形狀信息。

本發(fā)明還有一個目的是提供一種基于目標表面特征參數的多光譜成像系統(tǒng)，其能夠通過實時采集獲取和計算的一系列參數，最終形成還原參數圖像并展示在成像顯示器上，目標的不同部位的材質隨還原參數圖像進行同步示出。

為了實現根據本發(fā)明的這些目的和其它優(yōu)點，提供了一種基于目標表面特征參數的多光譜成像系統(tǒng)，包括：

光源；

偏極性攝像機，其包括攝像機本體；鏡頭，在所述鏡頭上的每相鄰的四個呈“田”字形排布的像素點上分別設置方向為0°，45°,90°和135°的納米裂隙，用于分別采集來自目標的偏振度為0°,45°,90°和135°的散射光；多頻帶窄帶濾波器，其用于對所述鏡頭采集的散射光進行過濾分析，獲得所述散射光不同波長的光強度；以及

數據處理器，其用于實時采集所述散射光不同波長和不同偏振狀態(tài)的光強度，形成普通光強度圖像和偏極性圖像并分別展示在成像顯示器50上。

優(yōu)選的是，還包括：全球定位系統(tǒng)60，其用于獲取所述目標的所述散射光的目標散射角度；其中，所述數據處理器還用于實時獲取所述目標散射角度，并結合實時獲取的所述不同波長和不同偏振狀態(tài)的光強度，采用偏振雙向反射比散射方程和散射模型計算獲得每一波長下每一像素對應的目標的復折射率，漫散射系數和粗糙系數，進而形成還原參數圖像并展示在成像顯示器上，所述目標的不同部位的材質隨所述還原參數圖像進行同步示出。

優(yōu)選的是，所述納米裂隙為使用納米噴鍍工藝在鏡頭表面形成具有傾斜角度分別為0°,45°,90°和135°的納米線陣列；或者所述鏡頭為微型偏振鏡頭。

優(yōu)選的是，

偏振雙向反射比散射方程為：

優(yōu)選的是，

所述偏振雙向反射比散射方程中包含：

入射斯托克斯參數：s0ⁱ，s1ⁱ和s2ⁱ，通過所述偏極性攝像機測量；

散射斯托克斯參數：s0^r，s1^r和s2^r，通過所述偏極性攝像機測量；

每一像素對應的目標散射角度：入射天頂角θi，探測天頂角θr，入射方位角φi,和探測方位角φr；非平面散射角αi，法線差角θ；所述目標散射角度θi，θr，φi,和φr通過所述全球定位系統(tǒng)測量；所述目標散射角度αi和θ可通過散射角度θi，θr，φi,和φr計算獲得；

用于還原識別所述目標的物理量：復折射率η，漫散射系數ρd,粗糙系數σ²；

物理量η，ρd,和σ²可通過所述偏振雙向反射比散射方程和非線性運算獲得；所述復折射率η直接與目標材質對應預存儲入所述數據處理器內。

優(yōu)選的是，所述偏振狀態(tài)(斯托克斯向量)與所述光強度的關系為：

其中，i0°,i45°,i90°和i135°分別表示在0°,45°,90°和135°偏振角度下的所述散射光的光強度，s0表示總光強度，s1表示0°和90°中占主導的偏振角度光強，s2表示45°和135°中占主導的偏振角度光強)，dolp表示偏振光強度在總光強度中的比例。

優(yōu)選的是，每相鄰的四個呈“田”字形排布的像素點為一個偏極性圖像的像素點。

優(yōu)選的是，所述光源包括被動光源和主動光源：

所述被動光源為太陽或者月亮；

所述主動光源為主動式激光脈沖發(fā)射器，處于待機狀態(tài)，在沒有所述被動光源時啟用。

優(yōu)選的是，所述主動光源與所述鏡頭和目標形成目標散射角度。

優(yōu)選的是，所述成像顯示器上同時生成普通光強度圖像，偏極性圖像和所述還原參數圖像；其中，生成的所述還原參數圖像的有效成像距離為不超過2km。

本發(fā)明至少包括以下有益效果：

在攝像機的鏡頭上的每相鄰的四個呈“田”字形排布的像素點上分別設置方向為0°，45°,135°和180°的納米裂隙，進而通過納米技術(比如：納米裂隙)可以讓成像系統(tǒng)可實時的獲取在不同光譜下的多個偏極性圖像，多個偏極性圖像可以很好的補充普通光強度成像，在識別低溫度對比度和低光強度對比度的目標的技術領域，具有顯著的技術進步。例如，在現有技術中，一輛熄火的汽車停在陰影的地方，普通相機或紅外相機無法把該汽車從陰影環(huán)境中提取出來，但是本方案提供的基于目標表面特征參數的多光譜成像系統(tǒng)采集的偏極性圖像因為依賴于目標表面的散射光不同波長的光強度和偏振狀態(tài)，就可以提取目標的位置和形狀信息；

進一步使用全球定位系統(tǒng)獲取所述目標的所述散射光的目標散射角度，進而可以最終還可以形成還原參數圖像并展示在成像顯示器上，所述目標的不同部位的材質隨所述還原參數圖像進行同步示出，也即是目標各部位的材料也能夠一并被采集和記錄下來。也即是可以補充普通光強度和偏極性圖形(或稱為斯托克斯圖像)對目標的材質進行進一步的提取。據此，本方案在遠程目標識別和探測上具有顯著的技術進步；

綜上所述，本發(fā)明能夠通過偏極性圖像和散射模型，生成遠程的以目標材質等參數為基礎物理量的圖像，從而實現遠程目標的確認和識別。

本發(fā)明的其它優(yōu)點、目標和特征將部分通過下面的說明體現，部分還將通過對本發(fā)明的研究和實踐而為本領域的技術人員所理解。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結構示意圖；

圖2為本發(fā)明一個實施例中所述基于目標表面特征參數的多光譜成像系統(tǒng)中偏極性攝像機采光示意圖；

圖3為本發(fā)明一個實施例中所述鏡頭上的納米裂隙的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明，以令本領域技術人員參照說明書文字能夠據以實施。

應當理解，本文所使用的諸如“具有”、“包含”以及“包括”術語并不配出一個或多個其它元件或其組合的存在或添加。

如圖1、2、3所示，本發(fā)明提供一種基于目標表面特征參數的多光譜成像系統(tǒng)，包括：光源10；偏極性攝像機20，其包括攝像機本體201；鏡頭202，在所述鏡頭上的每相鄰的四個呈“田”字形排布的像素點上分別設置方向為0°,45°,90°和135°的納米裂隙203，用于分別采集來自目標70的偏振度為0°,45°,90°和135°的散射光；多頻帶窄帶濾波器30，其用于對所述鏡頭采集的散射光進行過濾分析，獲得所述散射光不同波長的光強度；以及數據處理器40，其用于實時采集所述散射光不同波長和不同偏振狀態(tài)的光強度，形成普通光強度圖像和偏極性圖像并分別展示在成像顯示器50上。

在上述方案中，在攝像機的鏡頭上的每相鄰的四個呈“田”字形排布的像素點上分別設置方向為0°,45°,90°和135°的納米裂隙，進而通過納米技術(比如：納米裂隙)可以讓成像系統(tǒng)可實時的獲取在不同光譜下的多個偏極性圖像，多個偏極性圖像可以很好的補充普通光強度成像，在識別低溫度對比度和低光強度對比度的目標的技術領域，具有顯著的技術進步。例如，在現有技術中，一輛熄火的汽車停在陰影的地方，普通相機或紅外相機無法把該汽車從陰影環(huán)境中提取出來，但是本方案提供的基于目標表面特征參數的多光譜成像系統(tǒng)采集的偏極性圖像因為依賴于目標表面的散射光不同波長的光強度和偏振狀態(tài)，就可以提取目標的位置和形狀信息。

如圖1所示，一個優(yōu)選方案中，還包括：全球定位系統(tǒng)60，其用于獲取所述目標的所述散射光的目標散射角度；其中，所述數據處理器還用于實時獲取所述目標散射角度，并結合實時獲取的所述不同波長和所述不同偏振狀態(tài)的光強度，采用偏振雙向反射比散射方程和散射模型計算獲得每一波長下每一像素對應的目標的復折射率，漫散射系數和粗糙系數，進而形成還原參數圖像并展示在成像顯示器上，所述目標的不同部位的材質隨所述還原參數圖像進行同步示出。在本方案中，在上述方案的基礎上，進一步使用全球定位系統(tǒng)獲取所述目標的所述散射光的目標散射角度，進而可以最終還可以形成還原參數圖像并展示在成像顯示器上，所述目標的不同部位的材質隨所述還原參數圖像進行同步示出，也即是目標各部位的材料也能夠一并被采集和記錄下來。也即是可以補充普通光強度和偏極性圖形(或稱為斯托克斯圖像)對目標的材質進行進一步的提取。據此，本方案在遠程目標識別和探測上具有顯著的技術進步，比如：在現有技術中，一個塑料的箱子和一個相同形狀的金屬箱子放置在陰影中，普通光強度圖像或紅外圖像無法提供目標的任何信息，偏極性圖像可以提供目標的形狀和位置信息，但是倆個目標提取的形狀相同無法做進一步的信息分析；而以材料為物理參數的圖像可以提供目標的材質信息(比如分析出一個是金屬材質的，另一個是非金屬材質的)，從而進一步確認目標。并且，本方案，在國防和邊境檢查中，對于金屬類材質無標的確認有非常重要的實際意義。此外每一個光譜(波長)下都可以進行該操作，所以多光譜可進一步確認目標。

一個優(yōu)選方案中，所述納米裂隙為使用納米噴鍍工藝在鏡頭表面形成具有傾斜角度分別為0°,45°,90°和135°的納米線陣列；或者所述鏡頭為微型偏振鏡頭。納米裂縫是依靠當前最先進的納米鍍膜技術(比如美國losalamosnationallab),每四個相鄰的像素設置0°,45°,90°和135°的納米金屬絲(或者更加主流的納米裂縫)進行排布形成的方形區(qū)域，其原理為使得納米金屬絲或者納米裂隙在相對于傳播軸呈一定角度的傾斜，并且，確保每一個方形區(qū)域內的納米裂隙的位置要與每一個像素點完美的契合。

一個優(yōu)選方案中，

偏振雙向反射比散射方程為：

所述偏振雙向反射比散射方程中包含：

入射斯托克斯參數：s0ⁱ，s1ⁱ和s2ⁱ，通過所述偏極性攝像機測量；

散射斯托克斯參數：s0^r，s1^r和s2^r，通過所述偏極性攝像機測量；

每一像素對應的目標散射角度：入射天頂角θi，探測天頂角θr，入射方位角φi,和探測方位角φr；非平面散射角αi，法線差角θ；所述目標散射角度θi，θr，φi,和φr通過所述全球定位系統(tǒng)測量；所述目標散射角度αi和θ可通過散射角度θi，θr，φi,和φr計算獲得；

用于還原識別所述目標的物理量：復折射率η，漫散射系數ρd,粗糙系數σ²；

物理量η，ρd,和σ²可通過所述偏振雙向反射比散射方程和非線性運算獲得；所述復折射率η直接與目標材質對應預存儲入所述數據處理器內。

一個優(yōu)選方案中，所述偏振狀態(tài)(斯托克斯向量)與所述光強度的關系為：

其中，i0°,i45°,i90°和i135°分別表示在0°,45°,135°和180°偏振角度下的所述散射光的光強度，s0表示總光強度，s1表示0°和90°中占主導的偏振角度光強，s2表示45°和135°中占主導的偏振角度光強)，dolp表示偏振光強度在總光強度中的比例。

一個優(yōu)選方案中，每相鄰的四個呈“田”字形排布的像素點為一個偏極性圖像的像素點。在實際應用中，當四個呈“田”字形排布的像素點作為一個偏極性圖像的像素點進行偏振光強度信息采集，并進一步生成偏極性圖像時；數據處理器中還設置有信號放大器，可以將普通光強度的信號成倍放大，因此，系統(tǒng)形成的普通光強度圖像的光強度并不受影響。

一個優(yōu)選方案中，所述光源包括被動光源和主動光源：所述被動光源為太陽或者月亮；

所述主動光源為主動式激光脈沖發(fā)射器，處于待機狀態(tài)，在沒有所述被動光源時啟用。

在本方案中，被動光源為太陽或者月亮，被動光源與鏡頭的角度會隨時間發(fā)生變化，且該角度越大檢測效果越好，因此，一般情況下推薦采用被動光源進行檢測；但是，在陰雨天氣或者無人區(qū)夜晚多云情況下，仍然需要啟動主動光源輔助系統(tǒng)進行目標的定位、形狀和材質信息的成像采集。在實際使用中，可以人為控制啟動主動光源或者設置光照度傳感器進行自動的光照度檢測，并根據設置的光照度閾值控制被動光源的啟閉作業(yè)。

如圖2所示，一個優(yōu)選方案中，所述主動光源與所述鏡頭和目標形成目標散射角度。在實際使用中，主動光源與鏡頭和目標之間呈較小目標散射角度時，目標的每一像素獲取的各個參數的數值過于接近，計算時不易還原復折射率等參數，因此，主動光源與鏡頭和目標之間的目標散射角度時，應盡量避免小角度的設置。

一個優(yōu)選方案中，所述成像顯示器上同時生成普通光強度圖像，偏極性圖像和所述還原參數圖像；其中，生成的所述還原參數圖像的有效成像距離為不超過2km。

盡管本發(fā)明的實施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說明書和實施方式中所列運用，它完全可以被適用于各種適合本發(fā)明的領域，對于熟悉本領域的人員而言，可容易地實現另外的修改，因此在不背離說明書及等同范圍所限定的一般概念下，本發(fā)明并不限于特定的細節(jié)和這里示出與描述的圖例。