基于短波紅外的海面弱小目標探測方法研究

姜 斌,陳永華,姜靜波

(中國科學院海洋研究所,山東 青島 266071)

引 言

海面弱小目標是指雷達截面積小、聲光電特性不明顯的目標,這些目標主要包括海面浮冰、小船、蛙人、浮標、飛機殘骸、海面漂浮物以及某些特定任務的設備[1]。海面弱小目標探測一直是探測領域的重要難題之一,海面弱小目標探測存在的難點包括:目標一般為遠距離拍攝,成像面積小,在圖像中像素數有限;海面是一個不斷變化的平面,海雜波干擾過強時,海面弱小目標容易被雜波淹沒;弱小目標與背景海面對比度低,探測困難等[2]。

目前常用的海面弱小目標探測手段主要是雷達探測和紅外熱成像探測。雷達探測通過分析雷達回波探測海面目標,但雷達分辨率較低,不適合探測弱小目標,且容易受到海浪回波、大氣雜波的影響,海面目標分辨力有限;紅外熱成像探測是利用目標和背景的溫度差進行探測,但是海面弱小目標與海面溫度非常接近,并且海浪起伏導致的溫度差會影響紅外熱成像探測,紅外熱成像探測海面弱小目標需要復雜的算法去除海浪干擾來提取海面弱小目標,虛警率高[3-6]。

紅外成像技術包括熱成像和短波紅外成像兩種。紅外熱成像是利用物體自身發射的長波、中波紅外熱輻射成像,短波紅外成像則是利用物體反射自然環境中普遍存在的短波紅外輻射成像[7]。短波紅外技術已在微光夜視、精確制導、空間遙感、紅外光譜分析、工業控制、生物醫療和航天航空等領域被廣泛利用[8],短波紅外在海面目標探測領域應用較少。短波紅外的離水輻亮度近似于0[9],也就是說水幾乎不反射短波紅外,利用短波紅外這一特點,可以探索利用短波紅外成像探測海面的弱小目標。

本文通過實驗驗證了短波紅外探測海面弱小目標的可行性,采用閾值分割算法,分離出海面的弱小目標。

1 短波紅外探測海面弱小目標原理

短波紅外是指波長為0.75 μm～2.5 μm的紅外波段,不同于紅外熱成像探測通過目標自身輻射紅外探測,短波紅外主要利用物體反射短波紅外成像,但水幾乎不反射短波紅外,如圖1所示。在900 nm～1 800 nm的波段內,水的反射率幾乎為0。海面在短波紅外圖像中呈現黑色,海面的弱小目標由于反射自然界的短波紅外在短波紅外圖像中呈現更高的灰度值,利用短波紅外的這一特點,可以通過簡單的閾值分割算法探測到短波紅外圖像中海面的弱小目標。

圖1 典型地物的短波紅外反射率曲線[9]

2 短波紅外探測海面弱小目標實驗

為了驗證短波紅外對海面弱小目標的檢測效果,設計了近處海面小塑料目標實驗和遠處小浮標目標實驗。

實驗采用對同一場景進行可見光拍攝和短波紅外拍攝對比的方式?？梢姽馀臄z使用普通的手機相機,短波紅外拍攝采用西安立鼎光電科技有限公司的InGaAs短波紅外相機(型號:LD-SW6401715-C-CL),工作波段為0.9 μm～1.7 μm,像素陣列為640×512,使用普通的定焦鏡頭。對短波紅外圖像進行閾值分割處理,將可見光圖像和短波紅外圖像分別進行主觀評價和客觀評價,主觀評價規則采用國際電信聯盟ITU-T發布的BT-510標準[10],觀察者根據表1的標準對圖像進行打分,邀請10位觀察者進行打分,總得分高的圖像質量最好;客觀評價采用Meitzler提出的均值對比度方法[11],將紅外圖像劃分成目標區域和背景區域,分別計算各個區域像素灰度平均值,將目標區域灰度平均值與背景區域灰度平均值的比值作為紅外圖像質量的度量值,比值越大,表示紅外目標在背景中越容易識別,紅外圖像質量越好;比值越小,說明紅外目標在背景中越難識別,紅外圖像質量越差。只把海面當作背景,對岸建筑物和海上船只不作為客觀評價中的一部分。

表1 主觀評價標準

選擇相同場景下可見光圖像和短波紅外圖像中相同的海面區域進行對比,小塑料目標或者浮標目標在海面區域內,選擇小塑料目標或者浮標目標作為目標區域,計算目標區域的平均灰度值P目標;選擇目標區域以外的海面作為背景區域,計算背景區域的平均灰度值P背景?？陀^評價分數P客觀評價為目標區域的平均灰度值P目標與背景區域的平均灰度值P背景的比值。

由于短波紅外圖像中目標區域灰度值都在120以上,海面背景灰度值都在20以下,所以選擇中間值70作為閾值進行短波紅外圖像閾值分割。

(1)

(2)

(3)

(4)

其中,pi,j是i,j點的灰度值;gi,j是閾值分割后i,j點的灰度值;K,L是目標區域橫向最大值和縱向最大值;M,N是選擇區域橫向最大值和縱向最大值。

下文是實驗結果。

2.1 近處海面小塑料目標實驗

近處海面小塑料目標實驗是在中國科學院海洋研究所西海岸園區的碼頭上完成的,海面小塑料目標距離在600 m左右,小塑料幾乎剛露出水面。在可見光圖像中包括龍門吊、大大小小的船只和紅框中漂浮在海面的塑料,在實際觀察中,由于海浪的波動和干擾,很難確定紅框中是否有小目標漂浮物;在短波紅外圖像中,相比可見光圖像,能看到龍門吊、大大小小的船只、天上的云和紅框中漂浮在海面的塑料,海水在短波紅外中呈現黑色,白色的塑料更加明顯;在閾值分割后的短波紅外圖像中,海水完全是黑色,海面的塑料很容易可以找到。(見圖2)

注:a:可見光海面小目標;b:短波紅外海面小目標;c:閾值分割后的短波紅外海面小目標圖2 近處海面小塑料目標實驗

對近處海面小塑料目標實驗中的可見光圖像、短波紅外圖像和閾值分割后的短波紅外圖像進行主觀評價和客觀評價,如表2所示。

表2 近處海面小塑料目標實驗的主觀和客觀評價

2.2 遠處小浮標目標實驗

遠處小浮標目標實驗是在中國科學院海洋研究所西海岸園區的碼頭上完成的,海面的小浮標距離在2.5 km左右。在可見光圖像中可以看到海對面的建筑物,但建筑物被一層霧氣籠罩,還可以看到紅框中的3個小浮標;在短波紅外圖像中,相比可見光圖像,能清楚看到海對面的建筑,甚至可以透過霧氣看到20 km外的青島發電廠的兩個大煙囪,在可見光中看不到的云在短波紅外圖像中清晰可見,在紅框中可以看到5個小浮標,除了在可見光中可以看到的3個2.5 km左右的小浮標,還有左邊更遠處的兩個小浮標,海水在短波紅外中呈現黑色,小浮標更加明顯;在閾值分割后的短波紅外圖像中,海水完全是黑色,遠處的5個小浮標很容易可以找到(見圖3)。

注:a: 可見光海面小浮標; b: 短波紅外海面小浮標; c: 閾值分割的短波紅外海面小浮標圖3 遠處小浮標目標實驗

對遠處小浮標目標實驗中的可見光圖像、短波紅外圖像和閾值分割后的短波紅外圖像進行主觀評價和客觀評價,如表3所示。

表3 遠處小浮標目標實驗的主觀和客觀評價

3 結論

雖然雷達探測技術和紅外熱成像探測技術比較成熟,但是由于雷達探測技術和紅外熱成像探測技術探測原理的限制,對與海水溫度相同的海面弱小目標無能為力。短波紅外探測技術是根據海水與海面弱小目標材料不同,利用海水幾乎不反射短波紅外的特性,進行海面弱小目標探測。

對近處海面極小目標和白天遠處海面小目標進行對比實驗,短波紅外探測近處極小目標和遠處小目標都明顯優于可見光探測,并且短波紅外探測具有明顯的穿霧效果,通過簡單的閾值分割算法,可以較容易地提取出海面弱小目標。

短波紅外探測器由于受材料的限制,發展時間較短,應用領域也受到很大限制。本文是對短波紅外成像探測應用在海洋領域有益的探索,驗證短波紅外探測作為與雷達探測和紅外熱成像探測原理完全不同的一種探測手段,可以作為海面弱小目標探測的一種有效手段。實驗也指出短波紅外探測受環境影響大、夜晚探測效果不好,但是隨著短波紅外技術的提高,夜晚短波紅外探測效果會越來越好。

由于實驗條件的限制以及出于安全性的考慮,無法完成更多海上實驗場景的對比;接下來需要研究不同天氣對短波紅外探測海面弱小目標的影響,以及夜晚短波紅外探測弱小目標探測效果的方法。