高光谱偏振成像信息在伪装网识别中应用的研究

《Photonics》：Research on the Application of Hyperspectral Polarimetric Imaging Information for Camouflage Net Recognition

　　

偏振–光谱成像信息在伪装网识别中具有理论优势。然而针对特定观测目标，工程应用中至关重要的有效光谱波段与偏振参数选取仍不明确。研究人员利用新研制的高光谱偏振成像原型机，在多个观测角度与不同时段对置于绿草之上的草地伪装网开展系统性户外观测。在评估并确认该网具伪装效能后，分析了网与背景在不同观测与太阳高度角下的偏振参数光谱图像。采用费舍尔准则（Fisher criterion）甄别具判别力的偏振参数与光谱区间。确定有效波段为：S1于675–696 nm、S2于673–677 nm、S3于607–616 nm及625–700 nm、偏振度（DoP）于676–700 nm、线偏振度（DoLP）于668–680 nm。上述波段灰度图进一步验证了伪装网与草地的可分离性。结果为偏振–光谱成像用于伪装网探测的工程应用提供了实验证据与波长–参数参考。

研究背景方面，伪装内涵已由单一视觉隐匿演进为多维度特征隐藏，目标需在颜色、纹理、光谱响应、热辐射与偏振散射等多维空间与背景趋同。现有可见光成像、红外热成像、高光谱成像与偏振成像等方法各有局限：可见光依赖强度与颜色差异，红外受环境温度制约，高光谱在光谱维被模仿时失效，深度学习亦受限于输入特征可分离性。偏振信息可反映表面粗糙度、折射率及镜面与漫反射比等散射属性，能在强度与光谱差异微弱时补充判别特征。但工程化受限于成像能力、光谱分辨率、全斯托克斯（full-Stokes）参数完备性与野外稳定性，尤其圆偏振分量S₃宽带测量困难。为此，研究人员使用自研推扫式高光谱全偏振成像装置，在天然光照下对草地伪装网开展多时段多方位实验，旨在明确有效偏振参数与波段。

关键技术方法上，研究人员采用自研内置推扫成像光谱仪与偏振–光谱强度调制技术装置，在500–700 nm以约4 nm光谱分辨率获取全斯托克斯参数S₀、S₁、S₂、S₃及衍生DoP、DoLP；样本为1.5 m×1.5 m草地伪装网覆于自然绿草，于2025年4月3日约北纬39°东经116°处设0°、90°、180°、270°方位及7个时段（10:00–17:00）观测，距离10 m、高1.6 m；数据处理用C++结合FFTW与OpenCV解调重构，先用相对反射率、光谱角制图（SAM）、相关系数（CC）、标准差（StDev）评伪装效度，再以费舍尔线性判别准则（Fisher criterion）筛各参数在≥6时段高判别值连续波段。

研究结果如下。

4.1 实验数据处理流程：经解调重构全偏振高光谱数据，确认伪装网S₀相对反射率近1，SAM低、CC近1、StDev小，光谱伪装优。

4.2 不同观测角与时段的伪装效应评估：S₀相对反射率在各方位时段围绕1波动，500 nm边界有解调制误差；SAM<0.1 rad、CC>0.9、StDev<0.05为主，证草地伪装网在强度谱维伪装良好。

4.3 不同时段与角度有效偏振波段分析：相对响应显示S₁–S₃、DoP、DoLP较S₀波动强；费舍尔判别提取稳定波段——0°方位S₁ 667–700 nm、S₂ 668–682 nm、S₃ 607–616与625–700 nm、DoP 675–700 nm、DoLP 665–680 nm；90°方位S₁ 670–696 nm、S₂ 670–679 nm、S₃同前两段、DoP 676–700 nm、DoLP 668–681 nm；180°方位S₁ 671–696 nm、S₂ 673–678 nm、S₃ 605–617与625–700 nm、DoP 670–700 nm、DoLP 668–680 nm；270°方位S₁ 675–698 nm、S₂ 672–677 nm、S₃同0°两段、DoP 671–700 nm、DoLP 664–683 nm。

4.4 综合分析及视觉验证：综合四方位取交集得S₁ 675–696 nm、S₂ 673–677 nm、S₃ 607–616与625–700 nm、DoP 676–700 nm、DoLP 668–680 nm；独立日期数据重构灰度图显示全色图难分网草，而有效波段偏振图边界清晰，费舍尔值均高于同波S₀。

讨论部分指出，既有研究多限线性偏振与固定通道，本文获连续可见波段全斯托克斯信息，证S₃、DoP等潜力；方位角主要改偏振响应强度而非波段位置，因材料与散射机制稳。局限含推扫速度受限，未来可探多通道并行成像。

结论部分翻译：基于自研高光谱偏振成像原型机，研究人员系统实验分析某类伪装网识别的偏振敏感波段与参数。定量验证网光谱伪装良效后，用费舍尔准则析网与背景可分离性，筛出高稳有效识别波段：S₁约675–696 nm、S₂ 673–677 nm、S₃ 607–616 nm与625–700 nm、DoP 676–700 nm、DoLP 668–680 nm。这些波段在多次时段与方位具良可分离性，可作类似草地背景伪装网偏振识别候选波段。红光合植被红边区偏振响应差或源于草叶叶绿素吸收减弱致表面反射与内组织散射贡献变，而伪装网人工基底与涂层折射率、微结构异于真叶，据菲涅耳反射与微面元偏振散射理论，界面属性差致偏振分量比异，成670–700 nm偏振对比增强因素之一。

该研究发表于《Photonics》，为偏振–光谱成像工程化提供波段–参数基准与实验范式。