一种结合AOTF的偏振光谱目标检测算法

晏栋

[摘    要]要改善高光谱图像目标检测的算法对目标先验信息的敏感度过高的问题，发现了一种偏振高光谱图像约束的能力变得最小的检测方法。从声光可调谐滤光器光谱成像仪的工作原理和系统的结构方面入手，在约束能量最小化目标检测算法中运用一种处理过的偏振高光谱数据替代掉传统的高光谱图像数据作为检测的样本，对检测结果实行连通的区域进行判断和轮廓进行提取和处理。采用AOTF偏振成像系统进行采集的偏振光谱数据来完成目标检测试验，试验结果证明，替换样本数据后的目标检测算法的精准度得到了很大程度的提高。

[关键词]光谱成像;偏振光谱;声光可调谐滤光器;目标检测;CEM算法

[中图分类号]TP391.41 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）09–0–02

[Abstract]To improve the high sensitivity of hyperspectral image target detection algorithms to the prior information of the target， a detection method that minimizes the constraining ability of polarized hyperspectral images has been found. Starting from the working principle of the acousto-optic tunable filter spectral imager and the structure of the system， a processed polarization hyperspectral data is used to replace the traditional hyperspectral image data in the constrained energy minimization target detection algorithm. For the sample， the connected area of the detection result is judged and the contour is extracted and processed. The polarization spectrum data collected by the AOTF polarization imaging system is used to complete the target detection experiment. The experimental results prove that the accuracy of the target detection algorithm after replacing the sample data has been greatly improved.

[Keywords]spectral imaging; polarization spectrum; acousto-optic tunable filter; target detection; CEM algorithm

這几年光谱目标检测领域涌现出很多的新兴运算方法，可以利用RX与UTD融合算法来做小目标的检测，UTD算法只能对有特定的波段依赖性小的目标有比较好的检测效果，对其他波段的监测效果却无法保证，采用另一种基于奇异值分解（SVD）的RX改进的运算方法，这样的算法基于SVD可以将高光谱图像投影到背景的正交子空间上，要对去除图像背景的残留图像进行计算和分析取得噪声背景和潜在异常的两个样本采集，噪声背景的估计背景的协方矩阵，潜在异常背景则作为测试的样本来对异常进行检测，完美的规避了RX背景估计所留下的问题。这样的算法可以对背景和异常数据的空间秩序深度值欠缺有效的方式进行确定。对于检测目标能量与背景差异不大的情况，采用在正交子空间投影的OSP的基础上对噪声进行有效的调整，通过空间密度的选择进行决策半径的方法来提高检测的效率，这种算法需要进行背景光谱和目标的先验信息，可能出现背景的种类多并且分布得很复杂，会让先验信息没办法进行完全涵盖采集图像的背景信息的情况，出现应用效果不好而达不到目标检测的要求。如果利用高光谱图像数据丰富的波段信息，采用矩阵分析的结论对逐波段正交子空间投影算法，这种算法可以对所需目标进行实时的逐波段进行检测，目标结果稳定的情况就会自动停止对其运算。放到实际应用中这种算法对检测结果稳定与否进行判断和衡量，对目标场景的应用就很难达到检测的要求。还有一种采用CEM约束能量最小化基础算法当作目标检测的最经典的算法得到了广泛的应用，这种算法的敏感度过于高，如果图像光谱中有同谱异物、相源混合的情况就会导致先验目标像和目标像有稍微的不同，这样的目标算法会自动把目标像感应成不感兴趣目标而错失检测目标而抑制信息，让信息无法进行检测。

声光可调谐滤光器AOTF的基本原理是以各向异性双折射晶体为基础，利用声和光为介质，其组成部分是环能器、射频驱动器和声终端。AOTF射频驱动器控制射频源产生的射频信号的变化俩对波段长度进行调节，衍射效率得到了大大的提升。AOTF可利用顶端吸声体来吸收经过晶体之后的声波，来避免声波在晶体内重复反射。自然光和超声波经过二氧化碲晶体之后会因为声和光的相互作用，入射光会出现布拉格衍射，取得衍射光和零极光。在这当中，零极光方向和入射方向保持一致，正负一级的衍射光如果出现偏折，正负一级的衍射光就会偏振态相互正交的状态。

AOTF晶体是新型的分光元件，和传统的分光元件相比主要的优点是：结构很紧凑、稳定性能好、扫面速度快、光谱分辨率高、同光孔径较大、波长的稳定性能好、衍射光可以进行调节而无多级衍射、衍射的效率高、协调的范围较宽、系统的响应速度快、适应环境的能力也很强。本文基于AOTF的成像系统采用了凝视型的工作方法，保证了这个系统成像的稳定性，提高了系统的硬件目标检测的效率。再者，结合了AOTF原理运用AOTF光谱成像系统对两个不相同偏振状态下的高光谱数据立方体，实现了光谱目标增加偏振维度得到了判断的依据。

1 基于AOTF的偏振成像光谱仪结构分析

试验搭建以AOTF为基础的偏振光谱成像仪包括下面几部分：准直望远系统、AOTF的分光系统、AOFF射频驱动器、二次成像系统、计算机控制系统、探测头和数据采集系统。如图1所示。

（1）目标物从光源照射后通过望远镜准直系统准直之后，顺着偏振器1进入AOTF声光可调谐滤光器的自动分光系统。AOTF可调射频对射频信号的控制波长进行调节，对应零级非衍射光和一级衍射光，波长的正负一级衍射光偏振态正交。

（2）AOTF的光再次经过偏振器2，两个偏振器同时作用，对特定偏振方向的衍射光和零极光进行消除，在图像中进行反应，这样就有效消除了特定偏振方向的衍射光和零级光的衍射图像。经过PC不但可以对AOTF射频驱动器进行有效控制，对驱动信号的频率进行调整，还可以设置CCD相机的工作状态，接受采集的数据并对其进行储存，得到各个波段所需要的目标物图像，形成一个数据的立方体。

（3）目标检测的效果可以通过偏振高光谱来约束能量最小化的目标的检测方法来完成作业。

2 约束能量最小化算法的应用

约束能量最小算法中，记下N为元个数，M为图像的波段数，对所有的检测样本集合进行计算。CEM的算法设计的主要作用是采集光譜数据立方体中可以进行提取的数据来感知感兴趣的目标光谱的相似度高的信号，来对相似度较低的信号进行抑制，这时的背景信号就可以进行低能量的输出。主要的作用就是设计一个满足光谱的模型，它所列的条件可以让能量小的FLR滤波器正常输出。

3 以AOTF为基础的CEM算法

利用CEM的经典算法进行目标检测时，滤波算子中提前进行了感兴趣目标样本的光谱特征，并把它当成目标检测的重要判断依据。在实际检测的过程当中，感兴趣的目标有可能出现在不同背景的环境当中，地物抛光谱的特性受到环境的影响因素很大，它们都是抛光谱的土壤，却因为土质的不一样让感兴趣的抛光谱信息变得不一样。当然，感兴趣目标的实际采集中更多的是混合相元CEM算法只能检测到它的部分特征，对多元混合像元不能准确地进行有效的判定。

为了处理CEM算法在混合像元中存在不适合的问题，选择了通过处理的偏振高光谱图像技术，它可以运用数据作为测试样本代替了原有的高光谱图像，感兴趣目标偏振高光谱信息的检查进行判断的方式大大地提高了检测的精准度，偏振信息对金属类的检测更为准确。有效改善了目标检测方法出现的结果图像噪声多和检测的轮廓不能连续的问题，对连通区域增加了判断和边界处理的方法有效解决了问题，实现了检测结果清晰直观，轮廓明显的影像。

3.1 图像信息的偏振信息处理

物体的重要属性表现在其表面特征中，表面特征与电磁波相互进行反射和散射后，此时物体会有一种自身的表面特征与光学定律所导致的物品特性。如果当时的环境很复杂，出现烟、雾、霾的较低能见度的情况下，和其他的目标检测方法做对比，应用SROKES偏振信息处理的方法就展现出它特有的优势，细节显示很好且目标物的轮廓很清晰。

3.2 形态学的处理

检测目标物的过程中，目标场景中有出现异物的同谱和异物散点会形成虚假信息。研究了CEM算法，对其增加连通区域判断的方法，这样可以有效对背景中目标同谱的问题进行解决，同时降低了其虚假报警率，目标检测的准确率也得到了大大的提升。

运用CEM算法，连通区域的判断采用了数字图像的结构元进行操作，实现膨胀腐蚀掉同谱异物点的原理来实现的。对图像进行卷积魔板的算术进行运算是基础进行开运算来完成膨胀和腐蚀，这样的方法可以对目标外的孤立散点进行有效的消除。膨胀技术还可以填充物体内部的细小空洞使边界平滑，而腐蚀可以对检测到的目标物的边界点进行消除，从而缩小检测目标。经过这两方面的操作后，目标物体内部的空洞就不见了，使外部边界得到了恢复原状。同时，要让检测结果更加的清晰明了，在膨胀腐蚀操作之上使用了目标边界提取的方法。图像进行分割后就可以进行图像提取的操作了，它的辅助方式是通过二值图像对边缘进行检测，完成一个图像的边界集合。图像处理的过程中，可8个方向全方位对结构和形态等元素进行检测，在获得多方向边缘检测的基础上对其进行处理。试验证明，这样算法是对多个方位的结构形态元素不同逻辑的组合保持了很高的敏感度，这样图像就可以保持细节特征清晰，图像的边缘会很平滑，得到了很好的改善效果。

4 试验和结构分析

要实现AOTF的偏振系统在实际中应用，必须要以试验来进行有效的证实。建立在AOTF的偏振高光谱的成像系统，其组成部分是：待检目标、负责成像的AOTF光谱仪、AOTF的射频驱动器及试验不足光源这几个部分组成。试验中得到偏振高光谱图像的波长要保证的范围0.39～1.01 μm。为突出目标偏振光谱的这一特性，AOTF的驱动频率区间应该是67.5～134.7 MHz，频率间隔范围为0.975 K，大小为767×578 pixels。为了体现目标检测的偏振光谱特性，本次试验选择偏振信息更加明显的金属性质的制磁性底座旋钮作为感兴趣目标来进行研究，在选择门限阈值为0.72时，目标检测试验结果相进行比较没有使用偏振处理高光谱数据的目标检测虚假报警率下降了约36.55%。

5 结束语

在AOTF偏振光谱成像的采集仪器为基础的处理过程中，很大程度地利用了AOTF的偏振特性，利用原始数据立方体之中进行添加和补充偏振信息，并对目标检测的图像进行了图像学的专业处理，有效地改善了检测过程目标的效果。通过试验知道，运用CEM的偏振信息数据立方体进行检测的目标效果和无使用偏振信息系统处理的效果相比，前者显现出了多方面的优势，检测的效果得到了显著的改善和提升。与此同时，添加图像的形态学对检测目标进行目标的外轮廓处理，这样受到背景干扰的可能就会更小，其改善的效果很理想。再者来讲，建立在AOTF偏振成像光谱仪进行逐个波段的偏振处理CEM算法完全可以使用在试验室里面的小目标进行测试，以后的科研中还可以对CEM检测方法进行持续不断的改进，来完成对野外环境下任何天气情况下的目标进行精准的检测。

参考文献

[1]童庆禧.高光谱遥感[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2] 周昕，厉小润.基于逐波段处理的高光谱图像实时目标检测[J].工业控制计算机，2015，28（6）：42-44.