基于短波红外的海面弱小目标探测方法研究

姜 斌,陈永华,姜静波

(中国科学院海洋研究所,山东 青岛 266071)

引 言

海面弱小目标是指雷达截面积小、声光电特性不明显的目标,这些目标主要包括海面浮冰、小船、蛙人、浮标、飞机残骸、海面漂浮物以及某些特定任务的设备[1]。海面弱小目标探测一直是探测领域的重要难题之一,海面弱小目标探测存在的难点包括:目标一般为远距离拍摄,成像面积小,在图像中像素数有限;海面是一个不断变化的平面,海杂波干扰过强时,海面弱小目标容易被杂波淹没;弱小目标与背景海面对比度低,探测困难等[2]。

目前常用的海面弱小目标探测手段主要是雷达探测和红外热成像探测。雷达探测通过分析雷达回波探测海面目标,但雷达分辨率较低,不适合探测弱小目标,且容易受到海浪回波、大气杂波的影响,海面目标分辨力有限;红外热成像探测是利用目标和背景的温度差进行探测,但是海面弱小目标与海面温度非常接近,并且海浪起伏导致的温度差会影响红外热成像探测,红外热成像探测海面弱小目标需要复杂的算法去除海浪干扰来提取海面弱小目标,虚警率高[3-6]。

红外成像技术包括热成像和短波红外成像两种。红外热成像是利用物体自身发射的长波、中波红外热辐射成像,短波红外成像则是利用物体反射自然环境中普遍存在的短波红外辐射成像[7]。短波红外技术已在微光夜视、精确制导、空间遥感、红外光谱分析、工业控制、生物医疗和航天航空等领域被广泛利用[8],短波红外在海面目标探测领域应用较少。短波红外的离水辐亮度近似于0[9],也就是说水几乎不反射短波红外,利用短波红外这一特点,可以探索利用短波红外成像探测海面的弱小目标。

本文通过实验验证了短波红外探测海面弱小目标的可行性,采用阈值分割算法,分离出海面的弱小目标。

1 短波红外探测海面弱小目标原理

短波红外是指波长为0.75 μm～2.5 μm的红外波段,不同于红外热成像探测通过目标自身辐射红外探测,短波红外主要利用物体反射短波红外成像,但水几乎不反射短波红外,如图1所示。在900 nm～1 800 nm的波段内,水的反射率几乎为0。海面在短波红外图像中呈现黑色,海面的弱小目标由于反射自然界的短波红外在短波红外图像中呈现更高的灰度值,利用短波红外的这一特点,可以通过简单的阈值分割算法探测到短波红外图像中海面的弱小目标。

图1 典型地物的短波红外反射率曲线[9]

2 短波红外探测海面弱小目标实验

为了验证短波红外对海面弱小目标的检测效果,设计了近处海面小塑料目标实验和远处小浮标目标实验。

实验采用对同一场景进行可见光拍摄和短波红外拍摄对比的方式。可见光拍摄使用普通的手机相机,短波红外拍摄采用西安立鼎光电科技有限公司的InGaAs短波红外相机(型号:LD-SW6401715-C-CL),工作波段为0.9 μm～1.7 μm,像素阵列为640×512,使用普通的定焦镜头。对短波红外图像进行阈值分割处理,将可见光图像和短波红外图像分别进行主观评价和客观评价,主观评价规则采用国际电信联盟ITU-T发布的BT-510标准[10],观察者根据表1的标准对图像进行打分,邀请10位观察者进行打分,总得分高的图像质量最好;客观评价采用Meitzler提出的均值对比度方法[11],将红外图像划分成目标区域和背景区域,分别计算各个区域像素灰度平均值,将目标区域灰度平均值与背景区域灰度平均值的比值作为红外图像质量的度量值,比值越大,表示红外目标在背景中越容易识别,红外图像质量越好;比值越小,说明红外目标在背景中越难识别,红外图像质量越差。只把海面当作背景,对岸建筑物和海上船只不作为客观评价中的一部分。

表1 主观评价标准

选择相同场景下可见光图像和短波红外图像中相同的海面区域进行对比,小塑料目标或者浮标目标在海面区域内,选择小塑料目标或者浮标目标作为目标区域,计算目标区域的平均灰度值P目标;选择目标区域以外的海面作为背景区域,计算背景区域的平均灰度值P背景。客观评价分数P客观评价为目标区域的平均灰度值P目标与背景区域的平均灰度值P背景的比值。

由于短波红外图像中目标区域灰度值都在120以上,海面背景灰度值都在20以下,所以选择中间值70作为阈值进行短波红外图像阈值分割。

(1)

(2)

(3)

(4)

其中,pi,j是i,j点的灰度值;gi,j是阈值分割后i,j点的灰度值;K,L是目标区域横向最大值和纵向最大值;M,N是选择区域横向最大值和纵向最大值。

下文是实验结果。

2.1 近处海面小塑料目标实验

近处海面小塑料目标实验是在中国科学院海洋研究所西海岸园区的码头上完成的,海面小塑料目标距离在600 m左右,小塑料几乎刚露出水面。在可见光图像中包括龙门吊、大大小小的船只和红框中漂浮在海面的塑料,在实际观察中,由于海浪的波动和干扰,很难确定红框中是否有小目标漂浮物;在短波红外图像中,相比可见光图像,能看到龙门吊、大大小小的船只、天上的云和红框中漂浮在海面的塑料,海水在短波红外中呈现黑色,白色的塑料更加明显;在阈值分割后的短波红外图像中,海水完全是黑色,海面的塑料很容易可以找到。(见图2)

注:a:可见光海面小目标;b:短波红外海面小目标;c:阈值分割后的短波红外海面小目标图2 近处海面小塑料目标实验

对近处海面小塑料目标实验中的可见光图像、短波红外图像和阈值分割后的短波红外图像进行主观评价和客观评价,如表2所示。

表2 近处海面小塑料目标实验的主观和客观评价

2.2 远处小浮标目标实验

远处小浮标目标实验是在中国科学院海洋研究所西海岸园区的码头上完成的,海面的小浮标距离在2.5 km左右。在可见光图像中可以看到海对面的建筑物,但建筑物被一层雾气笼罩,还可以看到红框中的3个小浮标;在短波红外图像中,相比可见光图像,能清楚看到海对面的建筑,甚至可以透过雾气看到20 km外的青岛发电厂的两个大烟囱,在可见光中看不到的云在短波红外图像中清晰可见,在红框中可以看到5个小浮标,除了在可见光中可以看到的3个2.5 km左右的小浮标,还有左边更远处的两个小浮标,海水在短波红外中呈现黑色,小浮标更加明显;在阈值分割后的短波红外图像中,海水完全是黑色,远处的5个小浮标很容易可以找到(见图3)。

注:a: 可见光海面小浮标; b: 短波红外海面小浮标; c: 阈值分割的短波红外海面小浮标图3 远处小浮标目标实验

对远处小浮标目标实验中的可见光图像、短波红外图像和阈值分割后的短波红外图像进行主观评价和客观评价,如表3所示。

表3 远处小浮标目标实验的主观和客观评价

3 结论

虽然雷达探测技术和红外热成像探测技术比较成熟,但是由于雷达探测技术和红外热成像探测技术探测原理的限制,对与海水温度相同的海面弱小目标无能为力。短波红外探测技术是根据海水与海面弱小目标材料不同,利用海水几乎不反射短波红外的特性,进行海面弱小目标探测。

对近处海面极小目标和白天远处海面小目标进行对比实验,短波红外探测近处极小目标和远处小目标都明显优于可见光探测,并且短波红外探测具有明显的穿雾效果,通过简单的阈值分割算法,可以较容易地提取出海面弱小目标。

短波红外探测器由于受材料的限制,发展时间较短,应用领域也受到很大限制。本文是对短波红外成像探测应用在海洋领域有益的探索,验证短波红外探测作为与雷达探测和红外热成像探测原理完全不同的一种探测手段,可以作为海面弱小目标探测的一种有效手段。实验也指出短波红外探测受环境影响大、夜晚探测效果不好,但是随着短波红外技术的提高,夜晚短波红外探测效果会越来越好。

由于实验条件的限制以及出于安全性的考虑,无法完成更多海上实验场景的对比;接下来需要研究不同天气对短波红外探测海面弱小目标的影响,以及夜晚短波红外探测弱小目标探测效果的方法。