王 霞，姚錦華，夏潤(rùn)秋，金偉其

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非共軸長(zhǎng)波紅外偏振成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 霞，姚錦華，夏潤(rùn)秋，金偉其

（北京理工大學(xué) 光電成像技術(shù)與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

圍繞長(zhǎng)波紅外偏振成像系統(tǒng)的硬件研制、系統(tǒng)校正和基本性能指標(biāo)測(cè)試3方面工作，構(gòu)建了較為完整的成像技術(shù)方案：從方案選擇、系統(tǒng)組成、光學(xué)部件、電路原理介紹了系統(tǒng)的硬件研制；分析了系統(tǒng)四通道響應(yīng)非一致性的來(lái)源，闡述了分段線性校正法的基本原理，并展現(xiàn)了其對(duì)四通道紅外圖像的校正效果；通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到單通道NETD值約為60mK，并繪制了單通道MRTD性能曲線，基于對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)統(tǒng)計(jì)得到了系統(tǒng)成像中心位置偏差約為4個(gè)像素，圖像配準(zhǔn)誤差約為1.2個(gè)像素。最后，給出了車輛目標(biāo)的長(zhǎng)波紅外偏振信息解算圖像。

偏振成像系統(tǒng)；非一致性校正；性能測(cè)試

0 引言

紅外偏振成像技術(shù)作為一種新型成像技術(shù)，在近些年中越來(lái)越多地被運(yùn)用于目標(biāo)探測(cè)、特征識(shí)別等軍用及民用領(lǐng)域[1]。紅外偏振成像技術(shù)通過(guò)獲取不同偏振方向的光強(qiáng)圖像，從中解算得到景物光波的斯托克斯矢量和偏振度、偏振角等偏振維度信息，因此其對(duì)于紅外強(qiáng)度成像技術(shù)是一種良好的技術(shù)補(bǔ)充手段。國(guó)外從20世紀(jì)60年代開始，從理論和目標(biāo)特性實(shí)驗(yàn)、系統(tǒng)構(gòu)成、應(yīng)用3方面對(duì)紅外偏振成像技術(shù)進(jìn)行了研究[2]。其中作為測(cè)量與分析目標(biāo)場(chǎng)景輻射偏振特性的主要工具，紅外偏振成像系統(tǒng)的研究顯得格外基礎(chǔ)且重要[3]。

本文主要圍繞非共軸長(zhǎng)波紅外偏振成像系統(tǒng)的硬件研制以及后續(xù)的系統(tǒng)校正、基本性能指標(biāo)測(cè)試工作展開。

1 非共軸紅外偏振成像系統(tǒng)硬件研制

1.1 系統(tǒng)方案的選擇

由于紅外焦平面探測(cè)器的工藝已比較成熟，當(dāng)前主流的被動(dòng)偏振成像系統(tǒng)中基本都采用焦平面探測(cè)器。偏振成像系統(tǒng)主要可以分為4大類：時(shí)間分割型、振幅分割型、孔徑分割型、焦平面分割型[4]。結(jié)合實(shí)驗(yàn)室一般的應(yīng)用需求分析以上系統(tǒng)方案：時(shí)間分割型系統(tǒng)不能實(shí)時(shí)成像，無(wú)法滿足運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的應(yīng)用場(chǎng)景；振幅分割型系統(tǒng)能量利用率低，系統(tǒng)分光元件較多、體積大，應(yīng)用于長(zhǎng)波紅外波段具有一定難度；焦平面分割型對(duì)加工工藝要求頗高，微偏振元件和探測(cè)器像元的集成難度大[5]。因此，本文采用的方案為非共軸型設(shè)計(jì)方案，其可歸類為孔徑分割型系統(tǒng)。非共軸型偏振成像系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)主要有[6]：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，易于實(shí)現(xiàn)；無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，可靠性較高；能對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)實(shí)時(shí)成像等。

1.2 系統(tǒng)組成及其基本原理

非共軸型偏振成像系統(tǒng)采用的是同時(shí)偏振成像方式，系統(tǒng)共有4組長(zhǎng)波熱像儀，在空間結(jié)構(gòu)上呈‘田’字分布，各通道視場(chǎng)共軸[7]。其中3路帶有紅外偏振片，分別采集0°、60°、120°偏振角度圖像，還有一路非偏通道直接采集強(qiáng)度圖像，通過(guò)系統(tǒng)后端的四通道信號(hào)采集電路同時(shí)采集4個(gè)通道成像機(jī)芯的實(shí)時(shí)圖像，并通過(guò)Cameralink接口將數(shù)據(jù)輸出存儲(chǔ)至電腦，最后依據(jù)公式(1)解算得到斯托克斯矢量以及偏振度圖像、偏振角圖像：

式中：(0°)、(60°)、(120°)為3路帶偏通道圖像；、、為斯托克斯矢量；Dolp為偏振度圖像；Aop為偏振角圖像。

圖1為系統(tǒng)總體組成示意圖，圖2為系統(tǒng)實(shí)物圖。

圖1 系統(tǒng)組成示意圖

1.3 系統(tǒng)光學(xué)部分組成

單個(gè)偏振成像通道由紅外鏡頭、偏振片、長(zhǎng)波紅外機(jī)芯構(gòu)成，本系統(tǒng)采用偏振片后置結(jié)構(gòu)，即偏振片的空間位置處于紅外鏡頭與長(zhǎng)波紅外機(jī)芯之間。倘若采用偏振片前置結(jié)構(gòu)即將偏振片放置于系統(tǒng)前端，曝露在外的鏡面易被人為觸碰劃傷，并且空氣灰塵煙霧污染將對(duì)偏振片性能造成不可逆的嚴(yán)重影響，而將偏振片后置于光路之中則能降低其使用損耗。圖3所示為實(shí)驗(yàn)室曝露使用一段時(shí)間后的受污染偏振片，易見(jiàn)其損傷較大，將嚴(yán)重影響工作性能。

圖2 系統(tǒng)實(shí)物圖

圖3 受到海邊鹽霧污染的偏振片鏡面

系統(tǒng)光學(xué)部分主要元器件選型及性能如表1所示。

表1 光學(xué)器件主要參數(shù)

1.4 信號(hào)采集電路工作流程

系統(tǒng)采用的信號(hào)采集電路以可編程邏輯器件FPGA為核心處理器件，外設(shè)配有電源及FPGA配置電路、數(shù)據(jù)緩存SRAM、Cameralink輸出端接口等工作模塊，對(duì)4個(gè)通道紅外成像機(jī)芯進(jìn)行同時(shí)的圖像采集及輸出。

信號(hào)采集電路主要由以下兩個(gè)電路板模塊組成：數(shù)據(jù)傳輸板、數(shù)據(jù)處理板。其中數(shù)據(jù)傳輸板與4個(gè)通道的信號(hào)輸出接口相連接，且配置有一個(gè)Cameralink輸出接口。電路工作流程如圖4所示。外界電源提供5V電壓分別為數(shù)據(jù)處理板與數(shù)據(jù)傳輸板供電；數(shù)據(jù)處理板上電后啟動(dòng)FPGA，讀取存儲(chǔ)于FLASH中的配置數(shù)據(jù)，再通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸板同步采集4個(gè)通道機(jī)芯的圖像信號(hào)，并將同時(shí)的4個(gè)圖像拼接成一個(gè)大圖像（4幅336×256的圖像拼接為1幅672×512的圖像）；數(shù)據(jù)處理板上的4片SRAM作為來(lái)自不同機(jī)芯的圖像緩存，SDRAM為圖像處理緩存；完成拼接處理的圖像，通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸板上的Cameralink接口輸出至電腦。

圖4 電路工作原理圖

2 系統(tǒng)四通道響應(yīng)非一致性校正

2.1 響應(yīng)非一致性來(lái)源

四通道紅外偏振成像系統(tǒng)采用了4臺(tái)獨(dú)立的紅外機(jī)芯，探測(cè)器工藝自身不可避免地導(dǎo)致各個(gè)探測(cè)器之間的響應(yīng)差異，且各通道采用的紅外鏡頭同樣會(huì)由于工藝原因?qū)е鲁上裥阅懿町?。若直接采用各通道的灰度響?yīng)測(cè)量值，計(jì)算得到的場(chǎng)景偏振信息可能存在較大的誤差，所以必須先對(duì)四通道的響應(yīng)非一致性進(jìn)行校正，使得各通道對(duì)于同一強(qiáng)度的完全非偏振光響應(yīng)一致[8]。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

實(shí)驗(yàn)裝置主要有溫度可調(diào)黑體源與平行光管，如圖5所示。黑體源產(chǎn)生的非偏振光通過(guò)平行光管準(zhǔn)直后能被偏振系統(tǒng)各通道響應(yīng)，待系統(tǒng)工作狀態(tài)穩(wěn)定之后，記錄下50幀圖像數(shù)據(jù)再取得平均數(shù)，即為某一溫度下系統(tǒng)對(duì)于黑體源的響應(yīng)值。實(shí)驗(yàn)中以4K為溫度間隔寬度，采集了由0℃～170℃（高于130℃溫度時(shí)探測(cè)器響應(yīng)灰度值趨近于飽和）區(qū)間范圍內(nèi)的黑體響應(yīng)，此溫度區(qū)間基本能夠滿足常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境參數(shù)。最終得到的系統(tǒng)各通道響應(yīng)曲線如圖6所示，容易看出，各通道的灰度-溫度對(duì)應(yīng)曲線的差異明顯，亟待校正。

圖5 溫度可調(diào)黑體源設(shè)備

圖6 紅外機(jī)芯灰度-目標(biāo)溫度對(duì)應(yīng)曲線

2.3 非一致性校正方案

由圖6可以看出，在黑體溫度約為0℃～130℃的范圍之內(nèi)，各通道實(shí)際的灰度響應(yīng)值與黑體溫度之間呈明顯的非線性關(guān)系，倘若采用簡(jiǎn)單的兩點(diǎn)式校正方法會(huì)存在較大的誤差。而通過(guò)進(jìn)一步觀察可知，如果將整個(gè)黑體溫度區(qū)間分割成若干個(gè)子區(qū)間，則在任意一小段溫度區(qū)間內(nèi)響應(yīng)灰度值與溫差均接近于線性關(guān)系，即構(gòu)成近似線性響應(yīng)子區(qū)間。在每個(gè)近似線性響應(yīng)子區(qū)間中，輸入目標(biāo)溫度與輸出灰度即可認(rèn)為近似成線性關(guān)系[9]，即：

＝×＋(2)

式中：代表溫度；代表輸出灰度；和分別為增益和偏置。

設(shè)4臺(tái)長(zhǎng)波紅外機(jī)芯對(duì)于同一溫度的響應(yīng)輸出灰度分別為1、2、3、4，則通過(guò)線性計(jì)算可將響應(yīng)灰度值校正成一致，即：

1＝2×2＋2＝3×3＋3＝4×4＋4(3)

式中：2和2為第二臺(tái)機(jī)芯的校正增益和校正偏置，其他系數(shù)同理對(duì)應(yīng)。

校正實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：

記錄下低溫℃時(shí)，4臺(tái)紅外機(jī)芯的成像灰度值1、2、3、4。

記錄下高溫℃時(shí)，4臺(tái)紅外機(jī)芯的成像灰度值1、2、3、4。

則根據(jù)式(3)，有：

1＝2×2＋2＝3×3＋3＝4×4＋4(4)

1＝2×2＋2＝3×3＋3＝4×4＋4(5)

可解得：

同理可解得3和3，4和4，即可得到3臺(tái)紅外機(jī)芯相對(duì)于一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)紅外機(jī)芯在較小間隔溫度子區(qū)間內(nèi)的校正增益和校正偏置。

綜上所述，可以對(duì)整個(gè)溫度響應(yīng)區(qū)間進(jìn)行合理的分段，使得每一小段溫度區(qū)間均構(gòu)成一個(gè)近線性響應(yīng)區(qū)間。以上即為分段線性方法用于各通道非一致性校正的基本原理，利用分段線性校正法即可完成對(duì)各通道響應(yīng)灰度的校正。

對(duì)應(yīng)于本系統(tǒng)各通道的響應(yīng)曲線，每隔4K取做一個(gè)線性響應(yīng)區(qū)間，應(yīng)用分段線性校正法對(duì)系統(tǒng)完成各通道非一致性響應(yīng)的校正，由此得到的各圖像方可應(yīng)用于解算偏振信息。

使用偏振系統(tǒng)對(duì)一城市場(chǎng)景進(jìn)行長(zhǎng)波紅外偏振成像，將各通道圖像線性拉伸至相同的灰度區(qū)間。圖7顯示為非一致性校正前的四通道圖像，易見(jiàn)各通道圖像存在灰度響應(yīng)差異；圖8顯示為分段線性校正后的四通道圖像，可見(jiàn)校正后3個(gè)偏振通道灰度響應(yīng)非一致性得到較好改善。

3 系統(tǒng)主要性能指標(biāo)測(cè)試與分析

3.1 探測(cè)器NETD

噪聲等效溫差NETD定義是在視場(chǎng)中產(chǎn)生的輸出信號(hào)值等于噪聲均方根值時(shí)的目標(biāo)和背景之間溫度差，也就是系統(tǒng)能夠識(shí)別的最小信號(hào)值。探測(cè)器的NETD指標(biāo)能夠表述成像器件噪聲狀況。

由于系統(tǒng)采用新的鏡頭代替FLIR紅外探測(cè)器的原配鏡頭，所以新的成像通道的NETD值會(huì)發(fā)生改變。因此，實(shí)際測(cè)試各個(gè)成像通道的NETD數(shù)值，對(duì)分析系統(tǒng)整體的成像性能有重要作用。利用實(shí)驗(yàn)室的紅外成像系統(tǒng)綜合測(cè)試儀對(duì)系統(tǒng)成像焦平面進(jìn)行NETD測(cè)量，采用國(guó)標(biāo)對(duì)焦平面成像的熱像儀進(jìn)行NETD的計(jì)算，其具體步驟如下[10]：

1）獲取無(wú)信號(hào)輸入背景灰度數(shù)據(jù)DS(,)，記錄下采集圖像大小（336×256）以及采集幀數(shù)；

3）計(jì)算背景響應(yīng)電壓的樣本均方差，獲取像元噪聲（時(shí)間噪聲）N，即：

Fig.7 Images of four channels before correction

圖8 校正后四通道圖像

Fig.8 Images of four channels after correction

5）計(jì)算大溫差D下的像元與背景像元平均值差：設(shè)置溫差為D，采集目標(biāo)數(shù)據(jù)，得到目標(biāo)與背景的像元平均值差S，即：

S＝B－G(11)

6）據(jù)下式計(jì)算NETD：

實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)可得，本系統(tǒng)各通道的NETD數(shù)值均在60mK左右，性能保持良好。

3.2 單通道MRTD

單通道的MRTD值反映了系統(tǒng)的熱靈敏度特性以及系統(tǒng)的空間分辨力，因此這個(gè)參數(shù)指標(biāo)能較好地體現(xiàn)系統(tǒng)基本性能。

MRTD測(cè)試基本步驟為[11]：

1）根據(jù)紅外機(jī)芯參數(shù)，確定測(cè)試頻率點(diǎn)，選擇相應(yīng)目標(biāo)靶；

2）首先選擇測(cè)試的最低頻率目標(biāo)靶，從環(huán)境溫度開始，逐漸增加溫度，直到人眼恰好能分辨條紋圖像記錄此時(shí)的溫差作為1，逐步降低黑體溫度，使其小于背景溫度，直到再次出現(xiàn)目標(biāo)，記錄溫差2，取正負(fù)溫度MRTD的差值平均作為此空間頻率下的MRTD測(cè)量結(jié)果，即：

3）同樣地，測(cè)試得到其他頻率目標(biāo)靶下的MRTD數(shù)值，繪制MRTD特性擬合曲線（如圖9所示）。

3.3 成像中心位置偏差及圖像配準(zhǔn)誤差

由于4個(gè)成像通道非共軸，紅外機(jī)芯空間放置存在一定間距，假設(shè)光軸完全平行，對(duì)于同一場(chǎng)景成像也存在中心位置偏差。而且，考慮到機(jī)械裝配精度等因素的影響，系統(tǒng)實(shí)際成像中心位置偏差值將更大。實(shí)際應(yīng)用中，中心位置偏差需要控制在一定的誤差范圍內(nèi)，否則會(huì)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)際有效觀測(cè)距離產(chǎn)生影響。因此，系統(tǒng)各通道實(shí)際成像中心位置偏差需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量獲得。

對(duì)室外遠(yuǎn)處場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，可得4個(gè)通道成像圖像，首先對(duì)其中兩個(gè)通道圖像使用SURF特征點(diǎn)匹配方法得到兩幅圖中相匹配的特征點(diǎn)坐標(biāo)，選取一定數(shù)量的坐標(biāo)點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)各對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)坐標(biāo)的位置偏差值，計(jì)算平均值，即可認(rèn)為此平均偏差值為兩幅圖像的成像位置偏差值。同樣地，用相同方法分別對(duì)其他通道圖像進(jìn)行兩兩統(tǒng)計(jì)，最終得到成像位置偏差平均值，即為系統(tǒng)的成像中心位置偏差。圖10展示了使用SURF特征點(diǎn)匹配后，兩幅圖像特征點(diǎn)的對(duì)應(yīng)情況。

圖10 圖像特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)曲線

Fig.10 Curves of feature points

經(jīng)過(guò)幾組測(cè)試實(shí)驗(yàn)，得到系統(tǒng)成像中心位置偏差約為4個(gè)像素，滿足多數(shù)條件下觀測(cè)距離的要求。

非共軸四通道成像系統(tǒng)得到的實(shí)驗(yàn)圖像需要經(jīng)過(guò)圖像配準(zhǔn)之后，才能夠用于偏振信息解算。然而受限于機(jī)械裝配精度等因素的影響，光軸平行度存在一定偏差，各通道內(nèi)部安裝精度也有限，系統(tǒng)各通道圖像兩兩之間無(wú)法達(dá)到完全一致的配準(zhǔn)，即存在圖像配準(zhǔn)誤差。

對(duì)各通道圖像進(jìn)行基于SURF特征點(diǎn)的配準(zhǔn)之后，再通過(guò)人眼主觀檢查及調(diào)試，以使其達(dá)到最佳配準(zhǔn)狀態(tài)。接著，利用同上求取成像位置偏差值的方法，求得經(jīng)配準(zhǔn)后圖像的配準(zhǔn)誤差值。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得，系統(tǒng)配準(zhǔn)誤差大小約為1.2個(gè)像素。而依據(jù)以上對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)匹配的方法得到系統(tǒng)配準(zhǔn)誤差，并沒(méi)有考慮各通道幾何成像差異，因此實(shí)際系統(tǒng)配準(zhǔn)誤差要比簡(jiǎn)單的理論計(jì)算更大。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

使用本系統(tǒng)對(duì)室外車輛目標(biāo)進(jìn)行長(zhǎng)波紅外偏振成像，得到的偏振度圖像、偏振角圖像及斯托克斯矢量圖像分別如圖11所示。

圖11 偏振信息圖像

Fig.11 images of polarization

5 結(jié)論

本文首先概述了長(zhǎng)波紅外偏振成像樣機(jī)的系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)、光學(xué)組件構(gòu)成以及信號(hào)采集電路基本原理，然后通過(guò)分段線性方法改善了四通道響應(yīng)非一致性，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了系統(tǒng)的基本參數(shù)指標(biāo)。

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Design of a LWIR Polarization Imaging System of Non-coaxial Type

WANG Xia，YAO Jinhua，XIA Runqiu，JIN Weiqi

(,,100081,)

A complete technical proposal of LWIR polarization imaging is set up by the hardware development, system correction and basical performances test: the introductions of hardware development are included of proposal selection, system composition, optical components, circuit principle. The source of nonuniformity response of four channels is analyzed, the fundamental of segmented linearcorrectionmethod is expounded, the result of correction of four infrared images is exhibited; NETD of single channel is measured about 60mK by experiments, the characteristic curve of MRTD is also drawn, central position deviation of system is about 4 pixels and error value of image registration is about 1.2 pixels which are calculated on account of feature points. Images of polarization of a car are presented in this paper finally.

system of polarization，correction of nonuniformity，performance test

TN216

A

1001-8891(2017)04-0293-06

2016-12-02；

2017-04-06.

王霞（1972-），女，副教授，博士生導(dǎo)師，主要從事光電檢測(cè)、光譜分析及微光與紅外成像方面的研究。E-mail：angelniuniu@bit.edu.cn。

武器裝備預(yù)研基金項(xiàng)目。