AOTF高光谱探测系统对伪装目标的识别研究_何梓健
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AOTF 是由较低声光衰减的光学材料制成的， 它具 有 良 好 的 光 学 性 能 和 较 高 的 声 光 品 质 因 数［7］。如图 1 所 示，它 是 根 据 声 光 衍 射 原 理 制 成 的 分 光 器 件 ，由 晶 体 和 键 合 在 其 上 的 换 能 器 构 成 。 换能器将电信号转换为在晶体内的超声波振动， 超声波产生 了 空 间 周 期 性 的 调 制，其 作 用 像 一 维 相光栅。当 满 足 布 拉 格 衍 射 条 件 时，入 射 光 照 射 到此光栅后 将 产 生 布 拉 格 衍 射，其 衍 射 光 的 波 长 与驱动电信 号 的 频 率 有 着 一 一 对 应 的 关 系，所 以 只要改变驱 动 电 信 号 的 频 率，即 可 改 变 衍 射 光 的
图 6 给出了实验获得的部分高光谱图像，可以 看出，在 550 ～ 630 nm 波长范围内，图像亮度普遍较 低，目标和背景的对比度较小，基本上是融为一体， 以致于难以区分目标和背景；在 640 ～ 680 nm 波长 范围内，图像亮度逐渐增大，目标的轮廓比较清晰， 可以较容易地分辨出目标和背景，尤其是在 660 nm 处，伪装板和草地的亮度差异较大，特征区别比较明 显，容易识别出伪装目标；在 690 ～ 900 nm 波长范围 内，图像亮度随波长的增大先增大后减小，而目标和 背景的对比度却一直较小，伪装板的伪装效果较好， 从图像中难以区分伪装目标。
3 草地背景中伪装涂层的高光谱特性识别研究 3． 1 浅绿色伪装涂层的光谱特性分析
在可见光和近红外波段，军事目标的伪装主要 依靠伪装涂层，伪装涂层通过背景光谱特性的模拟 实现目标 与 背 景 的“同 色 同 谱 ”。 由 于 林 地 型 地 貌 是我国最为典型的地貌之一，本文以草地背景进行 分析，图 3 给出标准叶绿素的可见光、近红外反射 曲线［9］。
Ｒecognition of camouflaged target by hyperspectral imaging system based on acousto － optic tunable filter
HE Zi － jian1，2 ，SHI Jia － ming1，2 ，WANG Jia － chun1，2 ，ZHAO Da － peng1，2 ，WANG Qi － chao1，2 ，GAN Gui － hua3
本文搭建 了 基 于 声 光 可 调 滤 波 器 （ Acousto － Optic Tunable Filter，AOTF） 的高光谱探测系统，利用 该系统对涂有浅绿色伪装涂层的铝板进行了高光谱 特性的实 验 研 究，并 同 时 获 得 草 地 的 高 光 谱 特 性。 通过目标与背景的高光谱特性的研究分析，能够获 得目标与背景光谱特性差异较大的波段，从而筛选 出有利于揭示伪装的若干波长，在这些波长上更有 针对性地进行常规伪装目标的识别研究，实现对伪 装目标的有效探测。 2 系统构成及工作原理 2． 1 AOTF 工作原理
波长。它的 波 长 调 谐 速 度 通 常 只 有 几 十 微 秒，从 而能实现 快 速、连 续、随 机 地 波 长 选 择［8］，且 其 光 谱 分 辨 率 能 够 达 到 高 光 谱 成 像 的 技 术 要 求 ，因 此 ， 本系统采用 AOTF 作为系统的光谱滤波器件，实现 电调谐高光谱探测。
准直系统将物方入射的光线进行准直，保证入 射光线以很小的发散角进入 AOTF，从而保证 AOTF 的正常工作，后端的成像系统将 AOTF 衍射出来的 光重新成像在 CCD 的焦平面上，获得场景的光谱图 像，最后通过软件计算得到场景的高光谱信息以及 目标与背景的强度对比度。
图 2 高光谱成像系统的原理结构图
第 44 卷 第 7 期 2014 年 7 月
激光与红外 LASEＲ ＆ INFＲAＲED
Vol． 44，No． 7 July，2014
文章编号：1001 － 5078（2014）07 － 0796 － 05
·光电对抗·
AOTF 高光谱探测系统对伪装目标的识别研究
何梓健1，2 ，时家明1，2 ，汪家春1，2 ，赵大鹏1，2 ，王启超1，2 ，甘桂华3
3． The Ｒesearch Department of Electronic Engineering Institute，Hefei 230037，China）
Abstract：For acquiring more accurate spectral information of the camouflaged target and background in high resolution and solving the problem that the camouflage target's color and character of spectral is close to that of the background，a hyperspectral image system was designed to detect the typical camouflaged target in the woodland background in this paper． Hyperspectral information and intensity contrast curve of the target and background were obtained． The analysis shows that the background and camouflage target's color and character of spectral is hard to being all the same． Consequently，this system can effectively identify the camouflaged target in special wave bands by analyzing the contrast of intensity and hyperspectral information obtained． The results are valuable to the application of the hyperspectral detection system． Key words：hyperspectral imaging；AOTF；camouflaged target；detection and identification
（1． State Key Laboratory of Pulsed Power Laser Technology，Hefei 230037，China； 2． Key Lab of IＲ and Low Temperature Plasma of Anhui，Hefei 230037，China；
（1． 脉冲功率激光技术国家重点实验室，安徽 合肥 230037；2． 红外与低温等离子体安徽省重点实验室，安徽 合肥 230037； 3． 电子工程学院科研部，安徽 合肥 230037）
摘 要：为了获得目标和背景更精细的光谱信息，解决目前伪装目标与背景在一定波长范围内 接近“同色同谱”而造成的目标识别难题，搭建了一套高光谱成像探测系统，并以典型林地背 景中的伪装目标为例，对其进行探测与识别，获得目标和背景的高光谱信息以及强度对比度曲 线。通过分析发现，伪装目标与背景难以实现完全的“同色同谱”，在某些波长上目标的特征 比较明显，强度对比度较大。表明通过筛选特定的波长能对伪装目标实现有效快速的探测与 识别。这些结果对于高光谱探测系统的应用具有指导意义。 关键词：高光谱成像；AOTF；伪装目标；探测识别 中图分类号：TN65；TP751 文献标识码：A DOI：10． 3969 / j． issn． 1001 － 5078． 2014． 07． 019
图 1 AOTF 结构原理图
2． 2 系统构成 探测系统由准直系统、AOTF 及其控制器、光学
系统、CCD、图像采集系统以及控制计算器构成，如 图 2 所示。本系统选用的 AOTF 为美国 Brimrose 公 司生产的型号为 TEAFI10 － 0． 55 － 1． 0 － L － PI 的 声光晶体。其主要性能参数如下：①晶体材料：非共 线氧化碲（ TeO2 ） 晶体；②工作波段：550 ～ 1000 nm； ③通光孔径：10 mm × 10 mm；④光谱分辨率：2． 9 nm （ @ 543 nm） ，9 nm（ @ 792 nm） 。
图 3 标准叶绿素可见光、近红外反射曲线
在草地背景中，浅绿色是伪装的主色调。本实 验采用 的 浅 绿 色 伪 装 涂 层 的 反 射 率 曲 线 如 图 4 所示。
3． 2 伪装涂层与草地背景的高光谱特性分析 本文利用搭建的高光谱探测系统对草地背景中
的浅绿色伪装板进行光谱成像探测，该系统固定于 三角架上，可水平、俯仰调节。实验在阴天条件下进 行，探测角为 45°，以正东方向为 0°，方位角为 180°。 实验在 550 ～ 900 nm 波段范围内，以 10 nm 的光谱 间隔采集高光谱图像。
收稿日期：2013 － 11 － 15；修订日期：2014 － 02 － 25
激 光 与 红 外 No． 7 2014
来自百度文库
何梓健等 AOTF 高光谱探测系统对伪装目标的识别研究
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窄光谱数据，以 Δλ ＜ 10 nm 的光谱分辨率更精确地 反映目标和背景的光谱特性，通过对比分析，可以实 现 目 标 的 探 测 和 识 别，具 有 重 要 的 军 事 应 用 价值［2 － 4］。
涂层难以实现目标和背景的光谱达到完全一致这个 特点，通过获取在某个波段范围目标和背景的连续
基金项目：红外与低温等离子体安徽省重点实验室主任基金项 目（ No． 2010A001002D） 资助。
作者简介：何梓健（1989 － ） ，男，硕士研究生，主要从事光谱成像 和伪装研究。E － mail：hellozijian2010@ hotmail． com
美国海 军 研 究 所 （ NＲL） 于 1995 年 利 用 高 光 谱数字图像收集实验仪进行 Forst ＲadianceⅠ实验 和 Desert Ｒadiance Ⅱ 实 验，后 期 数 据 分 析 结 果 表 明 ：高 光 谱 图 像 识 别 伪 装 的 能 力 较 强 ，可 以 分 辨 出 在绿色植被（自然草地等） 背景下的真实目标和诱 饵目标（ 假目标）［5］。2002 年 3 月至 2005 年 2 月， 法国、德国、意 大 利、荷 兰、挪 威、瑞 典 和 英 国 共 同 参与开发了 JP8． 10 系统，其目标在于分析现有的 从可见光至 红 外 波 段 的 光 谱 信 息、分 析 高 光 谱 图 像目标的 识 别 等［5］，利 用 该 系 统 可 清 晰 地 揭 示 伪 装目标。目 前，国 内 也 对 高 光 谱 侦 察 技 术 进 行 了 一定的研究，浙 江 大 学 的 颜 文 俊 等 人 通 过 对 各 种 迷彩伪装目 标 的 高 光 谱 特 性 的 研 究，建 立 训 练 样 本集，通过判 别 函 数 能 实 现 对 迷 彩 伪 装 的 较 好 识 别［6］，但 考 虑 到 诸 多 环 境 因 素 的 影 响 ，算 法 实 现 的 实时性有一定的困难。
1引言 目前，常见的军事目标均采用了各种伪装手段，
其中先进伪装涂料的使用使得目标与背景之间能够 在一定波长 范 围 内 接 近“同 色 同 谱 ”，因 此，利 用 传 统的波段探测手段越来越难以有效识别伪装目标。 高光谱成像技术能够在某个波段范围内获取目标在 连续窄波段（ Δλ ＜ 10 nm） 的图像数据［1］，针对伪装
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激光与红外
第 44 卷
从图中可以看出，在可见光波段叶绿素的反射 率较低，在 400 ～ 500 nm 和 640 nm 处呈低谷，在 550 nm 的绿色波段出现一个小反射峰，一般在 15% 附 近；在 680 ～ 780 nm 的红光波段，反射率从较低的水 平迅速上升；在 780 ～ 1000 nm 的近红外波段，光谱 反射率保持在一个较高的水平，在 50% 附近。
图 6 给出了实验获得的部分高光谱图像，可以 看出，在 550 ～ 630 nm 波长范围内，图像亮度普遍较 低，目标和背景的对比度较小，基本上是融为一体， 以致于难以区分目标和背景；在 640 ～ 680 nm 波长 范围内，图像亮度逐渐增大，目标的轮廓比较清晰， 可以较容易地分辨出目标和背景，尤其是在 660 nm 处，伪装板和草地的亮度差异较大，特征区别比较明 显，容易识别出伪装目标；在 690 ～ 900 nm 波长范围 内，图像亮度随波长的增大先增大后减小，而目标和 背景的对比度却一直较小，伪装板的伪装效果较好， 从图像中难以区分伪装目标。
3 草地背景中伪装涂层的高光谱特性识别研究 3． 1 浅绿色伪装涂层的光谱特性分析
在可见光和近红外波段，军事目标的伪装主要 依靠伪装涂层，伪装涂层通过背景光谱特性的模拟 实现目标 与 背 景 的“同 色 同 谱 ”。 由 于 林 地 型 地 貌 是我国最为典型的地貌之一，本文以草地背景进行 分析，图 3 给出标准叶绿素的可见光、近红外反射 曲线［9］。
Ｒecognition of camouflaged target by hyperspectral imaging system based on acousto － optic tunable filter
HE Zi － jian1，2 ，SHI Jia － ming1，2 ，WANG Jia － chun1，2 ，ZHAO Da － peng1，2 ，WANG Qi － chao1，2 ，GAN Gui － hua3
本文搭建 了 基 于 声 光 可 调 滤 波 器 （ Acousto － Optic Tunable Filter，AOTF） 的高光谱探测系统，利用 该系统对涂有浅绿色伪装涂层的铝板进行了高光谱 特性的实 验 研 究，并 同 时 获 得 草 地 的 高 光 谱 特 性。 通过目标与背景的高光谱特性的研究分析，能够获 得目标与背景光谱特性差异较大的波段，从而筛选 出有利于揭示伪装的若干波长，在这些波长上更有 针对性地进行常规伪装目标的识别研究，实现对伪 装目标的有效探测。 2 系统构成及工作原理 2． 1 AOTF 工作原理
波长。它的 波 长 调 谐 速 度 通 常 只 有 几 十 微 秒，从 而能实现 快 速、连 续、随 机 地 波 长 选 择［8］，且 其 光 谱 分 辨 率 能 够 达 到 高 光 谱 成 像 的 技 术 要 求 ，因 此 ， 本系统采用 AOTF 作为系统的光谱滤波器件，实现 电调谐高光谱探测。
准直系统将物方入射的光线进行准直，保证入 射光线以很小的发散角进入 AOTF，从而保证 AOTF 的正常工作，后端的成像系统将 AOTF 衍射出来的 光重新成像在 CCD 的焦平面上，获得场景的光谱图 像，最后通过软件计算得到场景的高光谱信息以及 目标与背景的强度对比度。
图 2 高光谱成像系统的原理结构图
第 44 卷 第 7 期 2014 年 7 月
激光与红外 LASEＲ ＆ INFＲAＲED
Vol． 44，No． 7 July，2014
文章编号：1001 － 5078（2014）07 － 0796 － 05
·光电对抗·
AOTF 高光谱探测系统对伪装目标的识别研究
何梓健1，2 ，时家明1，2 ，汪家春1，2 ，赵大鹏1，2 ，王启超1，2 ，甘桂华3
3． The Ｒesearch Department of Electronic Engineering Institute，Hefei 230037，China）
Abstract：For acquiring more accurate spectral information of the camouflaged target and background in high resolution and solving the problem that the camouflage target's color and character of spectral is close to that of the background，a hyperspectral image system was designed to detect the typical camouflaged target in the woodland background in this paper． Hyperspectral information and intensity contrast curve of the target and background were obtained． The analysis shows that the background and camouflage target's color and character of spectral is hard to being all the same． Consequently，this system can effectively identify the camouflaged target in special wave bands by analyzing the contrast of intensity and hyperspectral information obtained． The results are valuable to the application of the hyperspectral detection system． Key words：hyperspectral imaging；AOTF；camouflaged target；detection and identification
（1． State Key Laboratory of Pulsed Power Laser Technology，Hefei 230037，China； 2． Key Lab of IＲ and Low Temperature Plasma of Anhui，Hefei 230037，China；
（1． 脉冲功率激光技术国家重点实验室，安徽 合肥 230037；2． 红外与低温等离子体安徽省重点实验室，安徽 合肥 230037； 3． 电子工程学院科研部，安徽 合肥 230037）
摘 要：为了获得目标和背景更精细的光谱信息，解决目前伪装目标与背景在一定波长范围内 接近“同色同谱”而造成的目标识别难题，搭建了一套高光谱成像探测系统，并以典型林地背 景中的伪装目标为例，对其进行探测与识别，获得目标和背景的高光谱信息以及强度对比度曲 线。通过分析发现，伪装目标与背景难以实现完全的“同色同谱”，在某些波长上目标的特征 比较明显，强度对比度较大。表明通过筛选特定的波长能对伪装目标实现有效快速的探测与 识别。这些结果对于高光谱探测系统的应用具有指导意义。 关键词：高光谱成像；AOTF；伪装目标；探测识别 中图分类号：TN65；TP751 文献标识码：A DOI：10． 3969 / j． issn． 1001 － 5078． 2014． 07． 019
图 1 AOTF 结构原理图
2． 2 系统构成 探测系统由准直系统、AOTF 及其控制器、光学
系统、CCD、图像采集系统以及控制计算器构成，如 图 2 所示。本系统选用的 AOTF 为美国 Brimrose 公 司生产的型号为 TEAFI10 － 0． 55 － 1． 0 － L － PI 的 声光晶体。其主要性能参数如下：①晶体材料：非共 线氧化碲（ TeO2 ） 晶体；②工作波段：550 ～ 1000 nm； ③通光孔径：10 mm × 10 mm；④光谱分辨率：2． 9 nm （ @ 543 nm） ，9 nm（ @ 792 nm） 。
图 3 标准叶绿素可见光、近红外反射曲线
在草地背景中，浅绿色是伪装的主色调。本实 验采用 的 浅 绿 色 伪 装 涂 层 的 反 射 率 曲 线 如 图 4 所示。
3． 2 伪装涂层与草地背景的高光谱特性分析 本文利用搭建的高光谱探测系统对草地背景中
的浅绿色伪装板进行光谱成像探测，该系统固定于 三角架上，可水平、俯仰调节。实验在阴天条件下进 行，探测角为 45°，以正东方向为 0°，方位角为 180°。 实验在 550 ～ 900 nm 波段范围内，以 10 nm 的光谱 间隔采集高光谱图像。
收稿日期：2013 － 11 － 15；修订日期：2014 － 02 － 25
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何梓健等 AOTF 高光谱探测系统对伪装目标的识别研究
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窄光谱数据，以 Δλ ＜ 10 nm 的光谱分辨率更精确地 反映目标和背景的光谱特性，通过对比分析，可以实 现 目 标 的 探 测 和 识 别，具 有 重 要 的 军 事 应 用 价值［2 － 4］。
涂层难以实现目标和背景的光谱达到完全一致这个 特点，通过获取在某个波段范围目标和背景的连续
基金项目：红外与低温等离子体安徽省重点实验室主任基金项 目（ No． 2010A001002D） 资助。
作者简介：何梓健（1989 － ） ，男，硕士研究生，主要从事光谱成像 和伪装研究。E － mail：hellozijian2010@ hotmail． com
美国海 军 研 究 所 （ NＲL） 于 1995 年 利 用 高 光 谱数字图像收集实验仪进行 Forst ＲadianceⅠ实验 和 Desert Ｒadiance Ⅱ 实 验，后 期 数 据 分 析 结 果 表 明 ：高 光 谱 图 像 识 别 伪 装 的 能 力 较 强 ，可 以 分 辨 出 在绿色植被（自然草地等） 背景下的真实目标和诱 饵目标（ 假目标）［5］。2002 年 3 月至 2005 年 2 月， 法国、德国、意 大 利、荷 兰、挪 威、瑞 典 和 英 国 共 同 参与开发了 JP8． 10 系统，其目标在于分析现有的 从可见光至 红 外 波 段 的 光 谱 信 息、分 析 高 光 谱 图 像目标的 识 别 等［5］，利 用 该 系 统 可 清 晰 地 揭 示 伪 装目标。目 前，国 内 也 对 高 光 谱 侦 察 技 术 进 行 了 一定的研究，浙 江 大 学 的 颜 文 俊 等 人 通 过 对 各 种 迷彩伪装目 标 的 高 光 谱 特 性 的 研 究，建 立 训 练 样 本集，通过判 别 函 数 能 实 现 对 迷 彩 伪 装 的 较 好 识 别［6］，但 考 虑 到 诸 多 环 境 因 素 的 影 响 ，算 法 实 现 的 实时性有一定的困难。
1引言 目前，常见的军事目标均采用了各种伪装手段，
其中先进伪装涂料的使用使得目标与背景之间能够 在一定波长 范 围 内 接 近“同 色 同 谱 ”，因 此，利 用 传 统的波段探测手段越来越难以有效识别伪装目标。 高光谱成像技术能够在某个波段范围内获取目标在 连续窄波段（ Δλ ＜ 10 nm） 的图像数据［1］，针对伪装
798
激光与红外
第 44 卷
从图中可以看出，在可见光波段叶绿素的反射 率较低，在 400 ～ 500 nm 和 640 nm 处呈低谷，在 550 nm 的绿色波段出现一个小反射峰，一般在 15% 附 近；在 680 ～ 780 nm 的红光波段，反射率从较低的水 平迅速上升；在 780 ～ 1000 nm 的近红外波段，光谱 反射率保持在一个较高的水平，在 50% 附近。