一種紅外海面輻射成像模型的建立

本文根據(jù)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(dǎo)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(nèi)在聯(lián)系，并提出了一種快速算法，實(shí)現(xiàn)了從可見光圖像反演出紅外圖像.最后，本文根據(jù)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(guān)鍵詞:電磁散射;海面;紅外成像

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(biāo)與背景的景象生成是一個(gè)比較復(fù)雜的物理過程，不同波段下景象圖像的獲得可廣泛應(yīng)用于飛行模擬、精確制導(dǎo)與仿真、跟蹤與識(shí)別以及靈境技術(shù)等領(lǐng)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?shù)纫蛩豙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(duì)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(biāo)成像建模方法復(fù)雜得多.紅外的海表面是一個(gè)隨機(jī)的粗糙表面，研究它的輻射就要應(yīng)用隨機(jī)粗糙面散射、輻射的理論方法進(jìn)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(fā)展了Cox and Munk的海天幅射模型，考慮了遮蔽函數(shù)對(duì)輻射的影響.Wohlers[2]利用經(jīng)典的電磁散射理論推導(dǎo)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(tǒng)計(jì)分析上的研究，沒有針對(duì)具體的海面進(jìn)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(tǒng)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(guān)系，并能根據(jù)可見光圖像反演出其紅外圖像.

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(shù).

對(duì)于極化波，設(shè)R⊥，R∥分別是垂直與水平極化狀態(tài)下的菲涅爾反射系數(shù)，其表達(dá)式分別見式(2)、(3)

　(2)

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(duì)于全極化接收，平均散射功率P′r應(yīng)為

　(4)

根據(jù)物理知識(shí)可知，對(duì)于可見光波段，攝像機(jī)只對(duì)垂直極化波敏感，故對(duì)于攝像機(jī)拍下的圖像來說，散射功率應(yīng)為

Pr=|R⊥|2Pi g　(5)

其中g(shù)為攝像機(jī)系數(shù)因子.

在紅外波段，假如拍攝條件與可見光下的完全一樣，則兩幅圖像之間相同的地方是入射角、散射角相同，不同的地方是波長，海水的介電常數(shù)不同.另外，海面紅外成像還包含了海水自身輻射能量部分.對(duì)于紅外波段下的全極化波，其輻射與散射的輻亮度N為：

　(6)

其中NB是海水的黑體輻亮度，ε是海水的發(fā)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(tài)下的菲涅爾反射系數(shù).

考慮攝像因子，則式(6)修正為

　(7)

如果不考慮太陽反射，即如果是黑夜時(shí)，則式(7)變?yōu)?/p>

N=NB.ε.g　(8)

海水的黑體輻射亮度為

　(9)