張聰立， 周俊焯，2，3， 縱園，2，3， 郝佳，2，3， 虞益挺，2，3*

（1.西北工業(yè)大學(xué) 寧波研究院，浙江 寧波 315103；2.西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，陜西 西安 710072；3.空天微納系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西省微納機(jī)電系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710072）

1 引 言

我國(guó)是海洋資源大國(guó)，近年來(lái)隨著海域邊界軍事沖突的加劇，加強(qiáng)對(duì)本國(guó)海域的監(jiān)測(cè)力度是建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)、維護(hù)海洋權(quán)益的發(fā)展之要。然而，衛(wèi)星遙感、航空遙感、地面監(jiān)視等傳統(tǒng)光強(qiáng)或光譜監(jiān)測(cè)手段受太陽(yáng)耀光的影響，難以滿足海域動(dòng)態(tài)監(jiān)視監(jiān)測(cè)的需要［1-2］。在受太陽(yáng)耀光影響的水體區(qū)域，利用光電傳感器對(duì)蛙人、魚雷、潛艇等水下目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和識(shí)別時(shí)，反射耀光輻射幾乎淹沒(méi)了目標(biāo)輻射，致使水下目標(biāo)的關(guān)鍵信息缺失，嚴(yán)重阻礙海域的動(dòng)態(tài)監(jiān)視監(jiān)測(cè)，因此，太陽(yáng)耀光干擾下水下目標(biāo)的檢測(cè)識(shí)別技術(shù)成為海洋國(guó)防領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)［3-4］。

太陽(yáng)耀光是直射太陽(yáng)光經(jīng)海面鏡面反射進(jìn)入傳感器形成的強(qiáng)輻射信號(hào)，是造成傳感器飽和失真的重要原因。Hochberg等［5］報(bào)道在美國(guó)國(guó)家航空航天局購(gòu)買的45張IKONOS高分辨率衛(wèi)星影像中，有9張被太陽(yáng)耀光嚴(yán)重污染，有13張存在明顯的耀光區(qū)域。為避免太陽(yáng)耀光污染遙感影像，SeaWiFS水色遙感器具有使傳感器偏離天頂方向20°的側(cè)擺功能；不具備側(cè)擺功能的遙感器則通過(guò)后期處理算法剔除太陽(yáng)耀光［6］，例如NASA的標(biāo)準(zhǔn)水色處理算法基于風(fēng)向無(wú)關(guān)的Cox-Munk海面微面元法線概率統(tǒng)計(jì)模型對(duì)耀光區(qū)域創(chuàng)建掩膜，AVIRIS遙感衛(wèi)星基于近紅外波段海面離水輻射近零的假設(shè)估算影像中太陽(yáng)耀光強(qiáng)度并對(duì)其進(jìn)行去除。然而，使傳感器側(cè)擺的策略仍無(wú)法避免影像中大量耀光區(qū)域的產(chǎn)生；對(duì)耀光區(qū)域創(chuàng)建掩膜的方法會(huì)導(dǎo)致部分研究數(shù)據(jù)丟失，且由于光學(xué)遙感的尺度效應(yīng)，Cox-Munk模型難以應(yīng)用于高空間分辨率圖像［7-8］；而近紅外波段離水輻射近零的假設(shè)對(duì)于淺水或植被豐富的水域是不準(zhǔn)確的，存在局限性。近年來(lái)，基于偏振信息的水面耀光抑制方法因無(wú)需變換相機(jī)姿態(tài)，不用剔除捕獲數(shù)據(jù)和不依賴前提假設(shè)等優(yōu)勢(shì)，而受到廣大研究者的青睞。

由于水體的光學(xué)特性和人造目標(biāo)的光學(xué)特性不同［9］，水面反射太陽(yáng)耀光與水下透射目標(biāo)信息光存在明顯的偏振特性差異，因此，利用偏振信息可實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)耀光和目標(biāo)信息光的解耦分離。根據(jù)菲涅爾公式，水面的垂直方向反射比大于平行方向反射比，因此，傳統(tǒng)方式是在探測(cè)器前安裝單個(gè)平行線偏振片以抑制耀光的垂直偏振分量。然而，太陽(yáng)耀光偏振方向受風(fēng)速風(fēng)向和太陽(yáng)天頂角等因素影響，該方法的耀光抑制效果受到限制，且太陽(yáng)耀光的平行偏振分量仍可能使光電探測(cè)器的像元飽和［10］。2016年，Zhao等［11］搭建基于雙旋轉(zhuǎn)偏振片的中波紅外（3.7～4.8 μm）偏振成像系統(tǒng)，根據(jù)Cox-Munk模型推導(dǎo)太陽(yáng)耀光的反射率空間分布，結(jié)合探測(cè)器的感光像元積分公式和大氣輻射傳輸算法求解出雙線偏振片探測(cè)最優(yōu)夾角，從而提升目標(biāo)與背景的對(duì)比度。2019年，Liang等［12］根據(jù)太陽(yáng)耀光的時(shí)變閃爍特性提出基于偏振的海面雜波抑制方法，對(duì)每個(gè)偏振通道的時(shí)序圖像逐像素點(diǎn)取最小值構(gòu)成初始雜波抑制圖像集合，再對(duì)不同偏振通道的初始雜波抑制圖像逐像素點(diǎn)取最小值構(gòu)成最終雜波抑制圖像。然而，上述研究均未考慮目標(biāo)反射光偏振傳輸?shù)奈锢肀举|(zhì)，并且成像目標(biāo)局限于浮水物體。此外，直接偏振濾光法存在場(chǎng)景輻射能量減弱的劣勢(shì)。2022年，張景華等［13］根據(jù)觀測(cè)幾何估計(jì)太陽(yáng)耀光和水下目標(biāo)信息光的偏振度，針對(duì)垂直方向光強(qiáng)圖像的飽和失真問(wèn)題，提出基于完全偏振分解的光強(qiáng)圖像恢復(fù)方法，建立太陽(yáng)耀光和水下目標(biāo)信息光的解耦分離物理模型，獲得比圖像融合、圖像修復(fù)、圖像濾波等僅基于圖像特征的太陽(yáng)耀光抑制算法［14-15］更優(yōu)的效果。

盡管基于偏振信息的太陽(yáng)耀光抑制方法目前已取得初步成效，關(guān)于太陽(yáng)耀光干擾下水下軍事目標(biāo)識(shí)別探測(cè)的研究卻很少。現(xiàn)有的太陽(yáng)耀光抑制物理模型基于平靜水面假設(shè)，與不同風(fēng)向、風(fēng)速等因素影響下的實(shí)際海面狀態(tài)有所不同。傳統(tǒng)方法通常假設(shè)無(wú)偏水下目標(biāo)反射光離水起偏后進(jìn)入探測(cè)器，但研究表明［16-17］：水下目標(biāo)信息光在離水前也存在偏振特性，尤其是在淺水區(qū)域。針對(duì)上述不足，本文利用水面反射太陽(yáng)耀光和水下目標(biāo)信息光的偏振特性差異提出基于物理模型的太陽(yáng)耀光抑制算法；基于海面耀光歸一化反射穆勒矩陣獲取反射太陽(yáng)耀光的偏振態(tài)空間分布；針對(duì)淺水區(qū)域水下目標(biāo)建立光源-水下目標(biāo)-探測(cè)器偏振態(tài)傳輸模型，基于被動(dòng)水下成像物理模型引入水下偏振度修正因子，從而確定目標(biāo)反射光偏振態(tài)。戶外場(chǎng)景實(shí)驗(yàn)有力證明了本文方法抑制水面太陽(yáng)耀光的有效性，從而助力我國(guó)海洋強(qiáng)國(guó)建設(shè)和海洋權(quán)益維護(hù)。

2 原 理

2.1 相機(jī)探測(cè)信號(hào)光的組成及分解

基于無(wú)人機(jī)載平臺(tái)的光學(xué)遙感器對(duì)海面進(jìn)行成像時(shí)，接收到的光學(xué)信號(hào)包含瑞利散射、氣溶膠散射、海面反射太陽(yáng)耀光、離水輻射和水下目標(biāo)光等信號(hào)。晴朗無(wú)云天氣下的低空遙感（＜100 m）通常不考慮瑞利散射、氣溶膠散射等大氣散射項(xiàng)［18-19］；離水輻射是太陽(yáng)光與水體物質(zhì)相互作用并后向散射離開水面形成的［20］，主要用于計(jì)算水體葉綠素、無(wú)機(jī)懸浮物和有機(jī)黃色物質(zhì)的分布信息，并非本文主要考慮的對(duì)象；水下目標(biāo)信息光是太陽(yáng)直射光折射穿過(guò)水面，在水次表面向下傳輸過(guò)程中受到水下目標(biāo)反射，反射光向上經(jīng)水面折射后形成的。

無(wú)人機(jī)搭載光學(xué)遙感器進(jìn)行水下目標(biāo)偵測(cè)時(shí)，主要考慮水下目標(biāo)信息光IT，和波動(dòng)海面鏡反射太陽(yáng)直射光形成的太陽(yáng)耀光IR，如圖1所示。IT和IR為兩個(gè)相互獨(dú)立的光強(qiáng)分量，單獨(dú)從強(qiáng)度維度難以實(shí)現(xiàn)兩種光成分的解耦分離；而海面反射太陽(yáng)耀光和水下透射目標(biāo)信息光的偏振態(tài)存在較大差異，因此偏振信息可作為光成分解耦的另一個(gè)維度。

光強(qiáng)相機(jī)前放置任意角度旋轉(zhuǎn)的線偏振鏡，在旋轉(zhuǎn)線偏振鏡的過(guò)程中可得最大光強(qiáng)圖像Imax和最小光強(qiáng)圖像Imin。假設(shè)目標(biāo)信息光和太陽(yáng)耀光具有一致的偏振方向，則Imax和Imin可分解為：

目標(biāo)信息光和太陽(yáng)耀光均為部分偏振光，設(shè)目標(biāo)信息光的偏振度為ρT，太陽(yáng)耀光的偏振度為ρR，根據(jù)偏振度的定義有：

結(jié)合式（1）和式（2），可從最大和最小光強(qiáng)圖像中解耦得到目標(biāo)信息光強(qiáng)度IT和太陽(yáng)耀光強(qiáng)度IR：

由式（3）可知，目標(biāo)信息光IT與太陽(yáng)耀光偏振度ρR和目標(biāo)信息光偏振度ρT有關(guān)：由于ρT處于分母位置，因此ρT影響分離后IT的強(qiáng)度；而ρR既處于分母位置，又與分子位置的最大光強(qiáng)圖像Imax和最小光強(qiáng)圖像Imin相關(guān)，因此ρR不僅影響IT的強(qiáng)度，并且直接決定消除耀光后透射圖像的局部紋理和細(xì)節(jié)特征。

2.2 最大光強(qiáng)圖像和最小光強(qiáng)圖像的求解

不同偏振方向光強(qiáng)與斯托克斯參量之間的關(guān)系為：

式中：Ik為k索引對(duì)應(yīng)偏振方向的光強(qiáng)；S0，S1，S2為線偏振斯托克斯參量；?k為k索引對(duì)應(yīng)的偏振方向。為求解線偏振斯托克斯參量，至少需要捕獲3幅不同偏振角度對(duì)應(yīng)的偏振圖像。

太陽(yáng)耀光海面背景下，垂直偏振方向及其鄰近方向光強(qiáng)圖像存在大量飽和像元［10-11］，阻礙場(chǎng)景斯托克斯參量的有效解算，因此需要選擇若干幅非飽和偏振圖像恢復(fù)場(chǎng)景偏振信息：

式中：k1，k2，k3分別為3幅非飽和偏振圖像對(duì)應(yīng)的索引。

求解式（5），得到S0，S1，S2的值，進(jìn)而解算出最大光強(qiáng)圖像Imax和最小光強(qiáng)圖像Imin：

2.3 太陽(yáng)耀光偏振度的求解

水面對(duì)太陽(yáng)光在垂直和平行于入射主平面方向的反射比不同，因此無(wú)偏太陽(yáng)光經(jīng)水面反射后起偏。若已知兩方向反射比，可得反射光偏振度為：

式中：rs，rp分別為垂直、平行方向的菲涅爾反射系數(shù)。根據(jù)非磁性物質(zhì)的菲涅爾公式：

式中：n1，n2分別為入射、透射介質(zhì)的折射率；θ1為入射角，θ2為折射角。已知θ1，n1，n2，結(jié)合斯涅爾定律即可求得水面反射太陽(yáng)耀光的偏振度。

然而，受海洋潮汐、海流、海浪、湍流等海洋水體動(dòng)力因素的影響，實(shí)際海面呈波浪狀，不可直接應(yīng)用菲涅爾公式計(jì)算波動(dòng)海面的太陽(yáng)耀光偏振度。1954年，Cox & Munk［21］提出波動(dòng)海面可以用一組法線方向服從高斯分布的、遵循菲涅爾反射定律的鏡像微面元近似，并根據(jù)海面某點(diǎn)處特定斜率發(fā)生的頻率解釋該點(diǎn)附近的海面平均亮度。不考慮風(fēng)向因素，忽略Gram-Charlier展開式的Cox-Munk模型為［22］：

圖2 光源-觀測(cè)幾何模型Fig.2 Source-viewing geometric model

利用傾斜坡面概率統(tǒng)計(jì)函數(shù)可以得到海面耀光的歸一化反射率LGN［23］：

式中R（ω）為觀測(cè)點(diǎn)反射率。將R（ω）替換為反射穆勒矩陣R（ω），即可得到海面耀光的歸一化反射穆勒矩陣：

根據(jù)偏振光學(xué)理論，兩層均勻介質(zhì)的穆勒矩陣R（ω）為：

式中：δ為垂直偏振分量和水平偏振分量的相位差。

根據(jù)球面余弦定理，求得幾何參量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為：

結(jié)合式（9）～式（14），得到水面反射太陽(yáng)耀光的斯托克斯矢量為：

太陽(yáng)耀光偏振度為：

玉溪市農(nóng)業(yè)科學(xué)院針對(duì)近幾年當(dāng)?shù)仄贩N品質(zhì)退化、產(chǎn)量不高及抗性較差等實(shí)際問(wèn)題，借助云南省創(chuàng)新人才培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目和云南省油菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系玉溪綜合試驗(yàn)站建設(shè)項(xiàng)目資金及玉溪育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室人才、技術(shù)和設(shè)備優(yōu)勢(shì)，通過(guò)自主選育[3-5]與合作引進(jìn)適應(yīng)當(dāng)?shù)卦耘嗟挠筒诵缕贩N進(jìn)行比較試驗(yàn)研究，以期為當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶在油菜品種選擇上提供指導(dǎo)，為優(yōu)質(zhì)油菜品種的大力推廣奠定基礎(chǔ)，同時(shí)也為玉溪大力發(fā)展油菜產(chǎn)業(yè)提供技術(shù)支撐。

可見(jiàn)，雖然海水動(dòng)力因素會(huì)改變海面粗糙度，但它對(duì)各斯托克斯參量造成的影響是同比例的，因此不會(huì)影響海面反射太陽(yáng)耀光偏振度的空間分布。

2.4 目標(biāo)透射光偏振度的求解

現(xiàn)有算法通常假定無(wú)偏水下目標(biāo)信息光經(jīng)水面起偏后進(jìn)入相機(jī)，這種假設(shè)在目標(biāo)信息光經(jīng)水體介質(zhì)懸浮粒子的多次吸收和散射后比較準(zhǔn)確。但在淺水區(qū)域，無(wú)偏太陽(yáng)光經(jīng)水面起偏并折射進(jìn)入水體，具有較強(qiáng)的偏振特性，且偏振光在散射介質(zhì)中具有一定的保偏性［24］，因此淺水區(qū)域可以等效為主動(dòng)偏振光源照明水下目標(biāo)的情景，目標(biāo)反射光的偏振特性不可忽略，現(xiàn)有算法存在局限性。

為分析目標(biāo)透射光的偏振度，可將淺水區(qū)域水下目標(biāo)信息光的偏振傳輸分為3個(gè)階段：（1）無(wú)偏太陽(yáng)光經(jīng)水面起偏后折射進(jìn)入水體；（2）折射偏振光被目標(biāo)表面反射后改變偏振特性；（3）反射偏振光經(jīng)水-氣界面二次折射后進(jìn)入相機(jī)。偏振傳輸過(guò)程和相關(guān)幾何參量如圖3所示。

圖3 淺水區(qū)域光源-水下目標(biāo)-探測(cè)器偏振態(tài)傳輸模型Fig.3 Source-object-detector polarization transmission model in shallow sea region

根據(jù)水下目標(biāo)信息光傳輸?shù)?個(gè)階段，利用菲涅爾公式計(jì)算各階段的折射系數(shù)或反射系數(shù)，得到：

由此解得各階段偏振相關(guān)的菲涅爾折射系數(shù)和反射系數(shù)。本文用穆勒矩陣描述3個(gè)階段的偏振傳輸關(guān)系，透射光的穆勒矩陣Mt和反射光的穆勒矩陣Mr分別［25］為：

式中：θ1為入射角，θ2為折射角；a=θ1-θ2，b=θ1+θ2。

將(θs，θs')代入式（22）得到代入式（23）得到代入式（22）得到由此得到出射光的斯托克斯矢量Sout為：

則未修正的水下目標(biāo)信息光偏振度ρ'T為：

2.5 目標(biāo)透射光偏振度的修正

偏振光在實(shí)際水體的傳輸過(guò)程中，受水體和水體粒子的吸收、散射等影響，其偏振特性會(huì)在一定程度上衰減。因此，需要對(duì)式（25）得到的透射目標(biāo)信息光偏振度進(jìn)行修正。

根據(jù)以色列理工學(xué)院Schechner等［16］提出的被動(dòng)水下成像物理模型，探測(cè)器接收到的光強(qiáng)信號(hào)Itotal主要包含場(chǎng)景的目標(biāo)信息光S和后向散射光B，即：

從2.4節(jié)的分析中可知，水下目標(biāo)反射光為部分偏振光，在未經(jīng)水體粒子吸收和散射時(shí)，其偏振度ρD為：

則可得水下偏振度修正因子χ為：

由式（29）可知，僅需知道無(wú)窮遠(yuǎn)處后向散射光強(qiáng)度和有效目標(biāo)輻射光強(qiáng)度的比值水體衰減系數(shù)c，以及光波在水中傳輸?shù)木嚯xz，即可求得水下偏振度修正因子χ。在水域條件和光照環(huán)境穩(wěn)定的情況下為定值；在無(wú)人機(jī)載水下軍事目標(biāo)探測(cè)中，z值近似于潛海目標(biāo)在水下的深度。

結(jié)合式（25）和式（29），得到修正后的透射目標(biāo)信息光偏振度為：

綜上所述，將偏振相機(jī)采集的多幅非飽和偏振圖像代入式（5）、式（6）可求得最小強(qiáng)度圖像Imin和最大強(qiáng)度圖像Imax；根據(jù)波動(dòng)海面歸一化耀光反射穆勒矩陣模型，將太陽(yáng)天頂角θs、觀測(cè)天頂角θv代入式（8）和式（16），可求得太陽(yáng)耀光偏振度ρR；根據(jù)光源-水下目標(biāo)-探測(cè)器偏振傳輸模型，將太陽(yáng)天頂角θs、觀測(cè)天頂角θv和水下目標(biāo)折射率nobj代入式（17）～式（25），并通過(guò)式（29）得到的水下退偏因子修正，可求得透射目標(biāo)光偏振度ρT；將Imin，Imax，ρR，ρT代入式（3），得到太陽(yáng)耀光反射圖像IR和水下目標(biāo)透射圖像IT，實(shí)現(xiàn)海面太陽(yáng)耀光抑制，算法流程如圖4所示。

圖4 海面太陽(yáng)耀光抑制算法流程Fig.4 Flow chart of sun glint suppression algorithm on sea surface

3 戶外場(chǎng)景實(shí)驗(yàn)和圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)

3.1 戶外場(chǎng)景實(shí)驗(yàn)

無(wú)人機(jī)載光學(xué)遙感器對(duì)水下軍事目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)時(shí)，易遭受強(qiáng)烈的海面反射太陽(yáng)耀光，導(dǎo)致大面積傳感器像元飽和，從而丟失水下軍事目標(biāo)特征信息。為模擬此場(chǎng)景，本文對(duì)天光照明環(huán)境下戶外場(chǎng)景水下遙控潛艇進(jìn)行偏振成像，并利用太陽(yáng)耀光抑制算法進(jìn)行圖像處理，對(duì)強(qiáng)度圖像和耀光抑制圖像進(jìn)行直觀感受和量化對(duì)比。

數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2022年12月6日，15時(shí)15分；地點(diǎn)北緯29°52′43″，東經(jīng)121°39′47″；天氣情況多云轉(zhuǎn)晴；環(huán)境溫度為12 ℃，北風(fēng)1級(jí)；潛艇尺寸為350 mm（長(zhǎng)）×50 mm（寬）；拍攝距離為3 m。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景如圖5所示，分焦平面偏振相機(jī)采集偏振圖像（型號(hào)：FLIR BFS-PGE-51S5P-C），內(nèi)置Sony IMX250MZR單色偏振傳感器，波段為400～900 nm。

圖5 戶外實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景Fig.5 Scene of outdoor experiments

使用偏振相機(jī)采集分焦平面偏振圖像，并插值重構(gòu)出0°，45°，90°，135°的偏振圖像，由于0°偏振方向接近垂直偏振方向，容易導(dǎo)致像元飽和失真，因此僅將45°，90°，135°偏振圖像代入式（5），解算出斯托克斯參量圖像S0，S1，S2，進(jìn)而由式（6）求得最大光強(qiáng)圖像Imax和最小光強(qiáng)圖像Imin。當(dāng)天日出時(shí)間為6：36，日落時(shí)間為16：54，因此太陽(yáng)天頂角約為64.89°，在太陽(yáng)入射主平面內(nèi)放置相機(jī)，即相對(duì)方位角φ為180°，調(diào)整相機(jī)觀測(cè)天頂角為55°，可得太陽(yáng)耀光的偏振度ρR為0.927 5。水體折射率nsea為1.33，潛艇模型材質(zhì)為ABS塑料，其可見(jiàn)光波段的平均折射率nobj為1.57［27］，計(jì)算得未修正的潛艇信息光偏振度ρ'T為0.815 6。參考淺水湖泊的吸收與散射系數(shù)［28］，小風(fēng)速條件下可見(jiàn)光波段的水體衰減系數(shù)c≈3.20 m-1；估計(jì)，可得水下偏振度修正因子χ為0.913 8，故修正后的信息光偏振度ρT為0.681 1?？紤]到本文模型僅適用于處理被太陽(yáng)耀光遮掩的水體表面，因此對(duì)強(qiáng)度圖像過(guò)曝部分創(chuàng)建耀光掩膜；耀光掩膜區(qū)域應(yīng)用本文第2節(jié)所述的算法流程進(jìn)行處理；非耀光掩膜區(qū)域保留最小光強(qiáng)圖像Imin中對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)；對(duì)融合圖像采用對(duì)比度受限的自適應(yīng)直方圖均衡化方法。

戶外波動(dòng)水面太陽(yáng)耀光遮掩下的水下潛艇場(chǎng)景如圖6所示。圖6（a）為強(qiáng)度圖像及其直方圖和累積百分比，可見(jiàn)其強(qiáng)度圖像的飽和像素點(diǎn)占比達(dá)到26%，遙控潛艇完全被太陽(yáng)耀光覆蓋；圖6（b）為90°偏振圖像及其直方圖和累積百分比，盡管偏振濾光方式可消除場(chǎng)景中大部分區(qū)域的太陽(yáng)耀光，仍難以識(shí)別檢測(cè)水下遙控潛艇目標(biāo)，其中80%的圖像像素灰度值小于30；圖6（c）為耀光抑制圖像及其直方圖和累積百分比，可見(jiàn)耀光抑制圖像能顯著消除水面耀光，并克服偏振濾光模式固有的場(chǎng)景輻射能量損失難題，有效增強(qiáng)目標(biāo)紋理特征和區(qū)域細(xì)節(jié)信息。

圖6 戶外波動(dòng)水面太陽(yáng)耀光遮掩水下潛艇場(chǎng)景Fig.6 Outdoor scenes of submarine under glint-contaminated waves

3.2 圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)

為定量評(píng)估太陽(yáng)耀光抑制算法的有效性，采用區(qū)域?qū)Ρ榷群蛨D像信噪比指標(biāo)對(duì)圖像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。區(qū)域?qū)Ρ榷菴描述圖像目標(biāo)區(qū)域和耀光區(qū)域像素平均值的對(duì)比程度，圖像信噪比R衡量圖像中目標(biāo)信號(hào)與背景噪聲之間的強(qiáng)度關(guān)系，其大小與目標(biāo)的顯著性水平呈正相關(guān)關(guān)系，即：

式中：μT為目標(biāo)區(qū)域的平均像素值；μG為耀光區(qū)域的平均像素值；σG為耀光區(qū)域的像素值標(biāo)準(zhǔn)差。室內(nèi)平靜水面場(chǎng)景、室內(nèi)波動(dòng)水面場(chǎng)景和戶外波動(dòng)水面場(chǎng)景下選取的目標(biāo)區(qū)域和耀光區(qū)域如圖7所示。

圖7 目標(biāo)區(qū)域和耀光區(qū)域的選取Fig. 7 Selection of object region and glint region

戶外場(chǎng)景圖像的區(qū)域?qū)Ρ榷群蛨D像信噪比如表1所示。對(duì)于戶外真實(shí)波動(dòng)水面場(chǎng)景，耀光抑制圖像的區(qū)域?qū)Ρ榷认噍^于強(qiáng)度圖像和90°偏振圖像分別提升1 100.7%和25.3%，圖像信噪比相較90°偏振圖像提升78.4%。需要注意的是，戶外真實(shí)場(chǎng)景強(qiáng)度圖像的信噪比為負(fù)數(shù)，說(shuō)明該圖像信號(hào)強(qiáng)度弱于雜波強(qiáng)度。

表1 戶外場(chǎng)景圖像的區(qū)域?qū)Ρ榷群蛨D像信噪比Tab.1 Region contrast and image SNR of outdoor real scene（dB）

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本文提出的耀光抑制算法相較于強(qiáng)度成像和偏振濾光等直接成像方式具有更好的耀光抑制特性。然而，抑制圖像中仍殘留部分耀光像素，這是由于太陽(yáng)耀光偏振度和水下目標(biāo)信息光偏振度均是空域變化量，如圖8（a）所示，與算法中兩者偏振度全局一致的假定存在偏差，因此無(wú)法消除理論預(yù)測(cè)偏振度與實(shí)際偏振度偏差較大的像素點(diǎn)耀光。此外，實(shí)際實(shí)驗(yàn)天氣狀況為多云轉(zhuǎn)晴，無(wú)法忽略具有偏振特性的大氣散射光，難以滿足第2節(jié)太陽(yáng)耀光抑制模型中光源無(wú)偏假定的理想情況。

圖8 戶外波動(dòng)水面場(chǎng)景的線偏振度和線偏振角圖像Fig.8 DoLP and AoLP images of outdoor scenes of submarine under glint-contaminated wavy water surface

在物理模型推導(dǎo)過(guò)程中，假定水下目標(biāo)信息光和太陽(yáng)耀光的偏振方位一致，從戶外場(chǎng)景的偏振角圖8（b）中可以看出，該假定基本符合實(shí)際情況。

4 結(jié) 論

為解決傳統(tǒng)機(jī)載遙感探測(cè)方式因受太陽(yáng)耀光干擾而丟失水下目標(biāo)關(guān)鍵信息的難題，本文根據(jù)水面反射太陽(yáng)耀光和透射目標(biāo)信息光的偏振傳輸特性建立太陽(yáng)耀光抑制物理模型，選取非飽和偏振圖像解算最大和最小光強(qiáng)圖像，基于穆勒矩陣形式的太陽(yáng)耀光歸一化反射率求解耀光的偏振態(tài)空間分布，提出光源-水下目標(biāo)-探測(cè)器偏振態(tài)傳輸模型，求解水下透射目標(biāo)信息光的偏振度，并根據(jù)被動(dòng)水下成像物理模型，引入水體衰減系數(shù)進(jìn)行偏振度修正。戶外實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，耀光抑制圖像相較于90°偏振圖像的區(qū)域?qū)Ρ榷忍嵘?5.3%，圖像信噪比提升78.4%，可有效抑制太陽(yáng)耀光，突顯水下目標(biāo)物體，當(dāng)太陽(yáng)耀光偏振度遠(yuǎn)大于目標(biāo)信息光偏振度時(shí)，本文方法的效果較佳。因此在實(shí)際遙感探測(cè)的過(guò)程中，建議調(diào)整遙感器姿態(tài)使觀測(cè)天頂角和太陽(yáng)天頂角之和為106°［29］。

盡管所提水面反射太陽(yáng)耀光抑制方法在絕大多數(shù)場(chǎng)景中都有成效，但物理模型中光源僅考慮無(wú)偏直射太陽(yáng)光，這與實(shí)際情況不符，尤其是在清晨、傍晚或多云天氣，太陽(yáng)直射光受大氣粒子瑞利散射的影響，其偏振特性不能忽略；且實(shí)際海洋環(huán)境更為復(fù)雜，需考慮水體粒子對(duì)偏振光的前向散射效應(yīng)。近年來(lái)，基于大氣矢量輻射傳輸模型的天空光偏振特性［30-31］和水下偏振光傳輸模型［32-33］的研究為本文算法的優(yōu)化提供了思路。在未來(lái)，為適應(yīng)環(huán)境復(fù)雜時(shí)變、信息流龐大的智慧海洋場(chǎng)景，還需精準(zhǔn)度更高、適應(yīng)性更強(qiáng)的太陽(yáng)耀光抑制方法。