摘要

隨著高光譜傳感器的分布和使用不斷增加，對光譜特征應用的普及成為偽裝目標的一大威脅。為了改善偽裝材料，首先需要了解背景的光譜特征，從而調(diào)整和優(yōu)化偽裝材料的光譜反射率。

在一項國際組織活動中，北約組織CSO工作組SCI-295“開發(fā)自然背景光電特征的測量和評估方法”正在開發(fā)一種如何對背景進行這種表征的方法。很明顯，對背景進行光譜表征將是一項相當艱巨的工作。為了在國際上比較和交換數(shù)據(jù)，必須以類似的方式進行測量。

為了測試和進一步改進這種方法，在德國斯托科夫進行了國際現(xiàn)場實驗。在接下來的文章中，我們將介紹從這次實地活動中的收獲和教訓，并展示所測量的數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞:高光譜成像，光譜反射，背景，植被

1.簡介

有相當多的傳感器利用同一光譜波段內(nèi)的光譜特征進行測試。與通常的多光譜傳感器系統(tǒng)相比，它們在同一光譜波段中有2個以上的波段。特別是在短波紅外光譜波段，這些傳感器甚至可以探測植被環(huán)境中偽裝良好的目標。

為了開發(fā)更好的偽裝手段，或者只是更好地理解實際的偽裝系統(tǒng)有多脆弱，需要收集更多關(guān)于不同背景的光譜特征的知識。現(xiàn)有的數(shù)據(jù)大多是在實驗室中測量得來的，由于背景材料光譜反射率的角度依賴性，實驗室數(shù)據(jù)并不能反映真實背景環(huán)境下的測試數(shù)據(jù)。成像傳感器收集來自太陽和大氣的直接反射光，這是一種角度分布式照明。由于光譜反射率的角度依賴性，一個場景可以看起來不同，甚至在白天改變對比度。

1.1 短波紅外光譜范圍內(nèi)的光譜特征

短波紅外成像光譜范圍（1.0μm2.5μm）是很有趣的光譜特性，在過去的幾年中，短波紅外光譜范圍內(nèi)傳感器的發(fā)展極大地提高了傳感器的性能。來自熱成像已知的其他材料（如InSb和CMT（Cd-Mercury-Telluride））的傳感器已擴展到短波紅外光譜區(qū)域，也覆蓋了從1.7μm到2.5μm的光譜范圍，傳統(tǒng)InGaAs傳感器對此不敏感。因此，許多不同類型的傳感器系統(tǒng)可用于短波紅外光譜范圍內(nèi)的成像，并且這些系統(tǒng)也可以在夜間運行。

在1.5μm左右，植被從大氣中吸收的水分（噪聲區(qū)[圖1]左側(cè)的黑色圖形）可被InGaAs傳感器檢測到，該傳感器帶有一個光譜濾波器，其中綠色紡織品的半球面反射率至少是植被反射率的兩倍。此外，在2.0μm和2.5μm之間，良好偽裝紡織品的反射率也是植被反射率的兩倍[圖1，左]。

圖1：背景的示例性光譜（在現(xiàn)場和ASTER光譜庫[4]中測量）和紡織品（左）和具有（深）綠色的紡織品變體，以說明紡織品光譜特征和植被在約1.5μm和2.0μm至2.5μm光譜范圍內(nèi)的不匹配。

當然，人們可以找到與綠色顏料的組合，它們在這兩個光譜區(qū)域的反射率也比植被低。但通常這些材料在近紅外光譜區(qū)（0.75μm 1.0μm）有一個非常低的反射率，因此使用簡單的夜視設備可以很容易地檢測到它們。

圖2：來自高光譜測量的偽彩色短波紅外圖像，說明紡織品可以很容易地與植物背景區(qū)分開來；圖像由Bin Lee提供，澳大利亞

為了說明這些特征可以很容易地利用，使用了SCI-295測量小組的一張合影[圖2]。我們獲得了一個高光譜數(shù)據(jù)立方體，并選擇了三個光譜通道來創(chuàng)建一個偽彩色圖像，突出所有對象的含水量為藍色（植被和裸露的人類皮膚），因此所有的紡織品可以在一個簡單的圖像中識別植物背景。

回憶一下，有9個光譜通道的傳感器，你可以想象，將有很大的變化，如何將三個通道組合在一個偽彩色圖像中，以突出在不同背景的人造物體。這種帶有選擇性（或類似的硬件或軟件功能）的傳感器系統(tǒng)可以由士兵以合理的價格在軍事環(huán)境中操作應用。

因此，有必要增加對背景和材料光譜特征的認識。在處理這一問題的第一個辦法中，北約組織研究小組SCI-295“開發(fā)自然背景光電特征的測量和評估方法”已經(jīng)確立。

2. SCI- 295任務組

北約CSO SCI-295任務組295“開發(fā)測量和評估自然背景光電特征的方法”已經(jīng)建立，以開發(fā)一個程序進行實地實驗，以測量自然背景的光譜反射率。工作組由10個不同的國家組成（AUS， CAN， CHE， DEU， EST， FRA， NOR， SWE， TCH， USA）。主席是來自德國的卡琳·斯坦。

在本文所述的實地實驗中，來自12個組織的9個國家，30多名人員參加了實驗。

為了開發(fā)一種方法來測量自然背景的光譜反射率，必須考慮到，這種方法必須在非常不同的氣候中使用。為了驗證所開發(fā)的方法是否適用并提供預期結(jié)果，SCI-295任務組選擇了以下方法。這個方法先被定義和測試，然后在現(xiàn)場實驗。然后對現(xiàn)場實驗進行評價，改進方法。這些步驟將重復執(zhí)行，直到結(jié)果得到小組的認可。

為了覆蓋背景的空間變化，需要測量大量的光譜數(shù)據(jù)。在合理工作的情況下，這只有在高光譜成像儀用于光譜測量時才有可能。高光譜成像儀必須解決的問題是，在掃描背景（空間和光譜，取決于所使用的高光譜成像儀）期間，照明可能會發(fā)生變化。因此，必須特別注意照度測量和光譜測量校準的參考材料。

3.實驗計劃和準備

3.1 元數(shù)據(jù)與地面實況

如上一節(jié)所述，光譜測量的校準是一個關(guān)鍵問題。為了以后能夠校準光譜測量，進行了大量的工作。7套不同的參考材料分散在測量區(qū)域，所以參考板在幾個距離和不同的觀察角度。

圖3:實驗所用不同參考材料的概述。數(shù)字表示材料的反射率，單位為%

此外，還需要收集其他數(shù)據(jù)來描述測量條件。利用一個普通的氣象站測量了風速和風向、幾個溫度和太陽輻射。為了了解云量，我們使用了瓢蟲全景相機。幾個現(xiàn)場光譜儀已經(jīng)被用來測量局部光譜，以相互評價現(xiàn)場光譜儀，并驗證來自高光譜成像儀的光譜。使用激光雷達掃描儀測量區(qū)域內(nèi)所有物體的距離和幾何排列。

3.2 光譜數(shù)據(jù)測量傳感器

在現(xiàn)場實驗中，不僅使用了高光譜成像儀。也有很多寬帶傳感器系統(tǒng)用于記錄和提供一個基于光譜反射率的圖像是如何形成的概念。這些寬帶傳感器系統(tǒng)對從可見光到熱紅外的不同波長波段都很敏感。特別是在短波紅外光譜波段，已經(jīng)有相當多的傳感器系統(tǒng)在強度和光譜的靈敏度上都有所不同。

圖4:傳感器系統(tǒng)布置概況；高光譜成像儀系統(tǒng)已經(jīng)被放置在塔內(nèi)，卡車上和左邊的帳篷下。

在前面的是氣象站。

為了測量自然背景的光譜反射率，使用了三個高光譜成像儀傳感器系統(tǒng)，每個系統(tǒng)由兩個傳感器系統(tǒng)（可見光-近紅外+短波紅外）組成，覆蓋從0.4μm到2.5μm的光譜范圍。在塔中有來自挪威Norsk Elektro Optikk的高光譜成像儀系統(tǒng)[圖4]。卡車上有一個由德國隊操作的Specim（AISA Hawk+Eagle）系統(tǒng)。最后一個系統(tǒng)是一個來自Tchech Republic（VIS）的Specim傳感器和一個來自澳大利亞的Resonon傳感器的組合（短波紅外只有1.7μm），它們被放置在左邊的帳篷下面。

不同的高光譜成像儀系統(tǒng)放置在不同的高度，導致不同的測量角度。測量角度的差異很小，但是沒有機載傳感器和它們提供的關(guān)于精確定位和視角的問題，這是獲得測量角度變化的唯一適用的解決方案。

3.3 實驗準備

不同的參考材料被放置在測量區(qū)域各處[圖5]。最左邊和最右邊的參考材料標記了測量區(qū)域的邊界。

測量區(qū)域被完全掃描。由于背景物體的距離不同，空間分辨率也不同。背景材料包括針葉樹、樺樹、灌木、青草和沙土。場景中放置了一些示例性材料，以最大程度地利用實驗，即使數(shù)據(jù)與任務組的目標無關(guān)。

圖5:測量區(qū)域概況；詳細的圖像從左到右顯示:示例材料樣本；不同含水量的非生物植被；

設置瓢蟲天空成像傳感器。

實驗于2017年6月20日至22日在德國斯托科夫的技術(shù)中心進行。第一天測量是在白天進行的。第二天測量時間是中午到午夜。第三天，只在上午測量了一次，因為下午有一場雷雨。

測量每30分鐘進行一次，掃描持續(xù)約4分鐘（取決于傳感器）。日落時分，由于光照的快速變化，測量間隔縮短到15分鐘。

4. 實驗結(jié)果

比較穿不同迷彩服的人的圖像顯示，在2.0μm至2.5μm的光譜范圍內(nèi)，標準InGaAs傳感器和傳感器敏感度之間的偽裝效果存在差異[圖6]。圖像是在早晨用直接照明測量的。

我們可以看到不同的材料在兩個光譜波段上的不同表現(xiàn)。以后會做更詳細的分析。對于該方法，必須考慮到2.5μm的光譜范圍的假設已經(jīng)被證明是合理的。

圖6不同光譜靈敏度的短波紅外傳感器對比。左列使用InGaAs傳感器（1.7 1.0μmμm）；

右列使用InSb傳感器光譜濾波器（2.0μm 2.5μm）。

兩個傳感器的視場是不同的，但對這兩個傳感器來說，人及其周圍都是可見的。在上面的圖像中，人在兩個光譜波段都清晰可見；在較低的圖像中，人只是在右邊的圖像中，容易與當?shù)乇尘皡^(qū)分開來。

4.1 寬帶傳感器

比較不同的寬帶傳感器[圖7，圖8]。可以看到不同傳感器的強度靈敏度是不同的。此外，還證明了標準的短波紅外傳感器也可以在夜間工作，這是由于夜晚的月光、星光和來自遙遠城市的反射光的照明。

圖7：21：45，不同傳感器的比較；從左上角到右下角：傳感器無限短波紅外 InGaAs傳感器；Goldeneye 短波紅外 InGaAs傳感器；場景的可見光圖像。

圖8：23：00不同傳感器的比較，新月提前四天；從左上角到右下角：傳感器無限短波紅外 InGaAs傳感器；Goldeneye短波紅外 InGaAs傳感器；場景的可見光圖像。

4.2 測量場景照度

在前面的章節(jié)中提到，當光譜成像器掃描對象時，很難精確測量空間和時間點的照度。這個問題如圖9所示。具有不同視角和距離的物體的強度和標準差在序列的測量期間都是變化的。此外，這種變化在時間上是移動的。該效果是由于繞過云而導致的，云會顯著改變場景中的照明。圖9中提出的情況是測量活動期間出現(xiàn)的最壞情況。大部分時間照明條件是穩(wěn)定的圖10。

在研究方法中必須解決照明變化的問題。在高頻下測量照度可以解決照度隨時間變化的問題。通過在整個測量區(qū)域放置不同的參照物，可以減少照度的空間變化問題。如果此解決方案足夠，將在未來使用高光譜成像儀數(shù)據(jù)進行分析。

圖9：評價具有25 Hz圖像頻率的短波紅外相機序列；場景中幾個物體的強度有很強的時間變化。

圖10：評估具有25 Hz圖像頻率的短波紅外相機序列；左圖顯示日落后照度的減少；右圖顯示如果照明條件恒定，強度相當穩(wěn)定。

5.結(jié)論與展望

由SCI-295任務組開發(fā)的用于測量背景光譜反射率的方法適用于林地夏季場景。作為第一個結(jié)果，現(xiàn)場實驗表明，該小組必須討論光照在時間和空間上的巨大變化問題。此外，2.0μm至2.5μm光譜波段內(nèi)的圖像是由發(fā)射還是反射主導的問題必須進一步研究。

SCI-295任務組的下一步是改進測量概念，并在冬季的同一地點進行現(xiàn)場實驗。基于這一經(jīng)驗，研究方法將進一步完善。目前看來，SCI-295似乎將在未來幾年提出一項指導方針，指導如何進行實地實驗來測量光譜反射率。遵循這些準則，將有許多機會共享和交換不同背景的光譜數(shù)據(jù)。

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