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一種實際紅外海面輻射成像模型的建立
本文根據電磁散射、輻射理論，分析了可光海面圖像與紅外海面圖像的生成原理.從理論上推導出了具有相同拍攝條件的可見光海面圖像與紅外海面圖像之間的內在聯系，并提出了一種快速算法，實現了從可見光圖像反演出紅外圖像.最后，本文根據幾幅可見光海面圖像，利用這種方法反演出了其同樣條件下的紅外圖像.
關鍵詞:電磁散射；海面；紅外成像
A Real Model of an IR Sea Surface Radiance Imaging
ZHANG Xiang-dong,SHEN Pei-yi,WU Cheng-ke,HAN Xiang-e
(School of Communications,Xidian University,P.O.Box 103,Xi'an 710071,China)
Abstract:Based on the electromagnetic scattering and radiating theories,the imaging principles for sea surface at visual and infrared bands are analyzed.The relationship between the visual images and IR images at the same environment condition are derived.A fast algorithms is provided to obtain the IR sea surface images from visual images for sea surface.Finally,several real visual images of sea surface are taken to test our method.The corresponding IR images at the same conditions are obtained successfully.
Key words:electromagnetic scattering;sea surface;infrared imaging
一、引 言
目標與背景的景象生成是一個比較復雜的物理過程，不同波段下景象圖像的獲得可廣泛應用于飛行模擬、精確制導與仿真、跟蹤與識別以及靈境技術等領域之中.在可見光波段，海面成像主要取決于太陽、天空背景、大氣傳輸等因素［1，2］.而在紅外激光波段，海面成像不僅要考慮可見光波段下的各種因素，還要考慮自身的紅外幅射以及大氣對地球輻射的再反射的影響.一般情況下，海面成像建模方法要比目標成像建模方法復雜得多.紅外的海表面是一個隨機的粗糙表面，研究它的輻射就要應用隨機粗糙面散射、輻射的理論方法進行研究.Saunders［1］早期研究了波長范圍在0.8～1.2微米之間的海天輻射情況，他發展了Cox and Munk的海天幅射模型，考慮了遮蔽函數對輻射的影響.Wohlers［2］利用經典的電磁散射理論推導出了基于粗糙面散射的紅外海面輻射模型.所有的這些方法，都是基于統計分析上的研究，沒有針對具體的海面進行研究，沒有提供海面的成像模型.
本文研究了一種海面紅外成像的方法.與以往的傳統方法不一樣，本文主要研究在相同拍攝條件下，海面的可見光圖像與紅外圖像之間的關系，并能根據可見光圖像反演出其紅外圖像.
本文中的模型建立是基于這樣一種假設，即海面是平靜的，并且不考慮風速與天空背景的影響，只研究太陽的作用，這樣海面便可近似為一光滑的平面［1］，如圖1所示.
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圖1 海面散射模型圖 在可見光波段，海面可近似的被處理成如式(1)所示的模型［3］. Pr=|R|2Pi (1) 其中Pi,Pr分別是入射和散射功率，R為菲涅爾反射系數.
式中k1，k2分別為入射和反射波矢.θ為入射角.在不考慮交叉極化的影響下，對于全極化接收，平均散射功率P′r應為
根據物理知識可知，對于可見光波段，攝像機只對垂直極化波敏感，故對于攝像機拍下的圖像來說，散射功率應為 Pr=|R⊥|2Pi g (5) 其中g為攝像機系數因子.
其中NB是海水的黑體輻亮度，ε是海水的發射率，R′⊥與R′∥分別是紅外波段下海水的垂直與水平極化狀態下的菲涅爾反射系數.
如果不考慮太陽反射，即如果是黑夜時，則式(7)變為 N=NB.ε.g (8) 海水的黑體輻射亮度為
其中,c1=3.743×108 (W.μm5/m2)，c2=1.4387×104(μm.K)，T為黑體表面的絕對溫度(單位為K)，λ為輻射波長(單位為μm).
我們所拍攝的可見光海面圖像為灰度圖像，如圖2所示.可知，對于灰度圖像，其象素的最大值是255，最小值是0.象素的灰度值就體現了該象素所對應的海面的幾何結構，對于拍攝條件相同的兩種波段下的圖像來說，唯一的相同之處就是入射角和散射角相同，就是根據這個條件反演出可見光海面圖像所對應的紅外圖像，因此關鍵之處就是首先要求出入射角θ.在式(5)中，令Pi.g=255，則Pr就代表了圖像中各個象素的灰度值，這樣便可根據式(5)求出某一個象素的入射角θ，然后將θ的值代入式(8)，就可以求出這個象素對應于紅外圖像下的此象素的灰度值，遍歷可見光圖像下的每一個象素，便可獲得該圖像關于紅外波段下的圖像. |
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圖2 可見光海面圖像 根據式(5)求θ的解析解是不可能的，本文提出了一種數值求解法，很好地解決了這一問題.θ的范圍是0°～90°，所以cosθ的值域是［0,1］，由式(2)、(3)可以看出，只要知道cosθ的值即可，不必具體求出θ的值.具體求解cosθ的步驟如下：
圖3 與圖2對應的λ=10.6μm紅外海面圖像 圖4 與圖2對應的自身輻射時λ=10.6μm紅外海面圖像 四、結 論本文利用可見光海面圖像與同樣拍攝條件下的紅外海面圖像之間的內在聯系，推導出了建立紅外海面輻射成像模型的一種方法.由于條件所限，無法獲得相同條件下真實的紅外海面圖像進行進一步的理論分析與討論.但該算法形式簡單，運算速度快，是建立紅外海面輻射成像的一種有效算法. 作者簡介：張向東，1970年出生，講師，主要從事的研究方向為圖像傳輸與處理、電磁散射與輻射成像、圖像通信系統的研究與設計. |
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