分振幅式偏振探测系统的图像配准研究

摘要

伴随着偏振光学探测研究的深入，应用偏振特性的目标探测成为了研究热点，期间，多种类型的偏振探测装置被开发出来，并应用于军事目标探测、大气探测等诸多领域。其中，分振幅式偏振探测系统具有多光路结构，获取目标的偏振信息时，要求系统运用同时获取的多幅图像进行计算，才能输出结果，在此要求下，多幅图像间应该达到良好的配准关系，这样才能输出准确的偏振信息。图像配准方法的性能直接关系到偏振探测系统的探测精度，因此设计一种配准精度高、良好适应偏振探测系统多光路图像特点的图像配准方法至关重要。 偏振探测系统的运用场景中，在目标特征不明显、图像特征难以提取、各分光路图像间灰度变化较大的情况下，常用的图像配准方法无法很好地完成配准工作。本文针对以上情况，提出适用于分振幅式偏振探测系统的各分光路图像的相似性度量函数，并在此基础上，结合优化搜索算法，完成了各分光路图像间的配准工作。 首先，根据图像间的位置误差会造成偏振信息图像中出现信息异常区域的现象，提出了基于偏振信息的相似性度量函数的提取算法，并依据对图像特点的分析，调整算法中的多项参数，使得相似性度量函数能够准确地衡量图像间的配准程度。 然后，依据提出的相似性度量函数，设计分振幅式偏振探测系统的图像配准模块的工作流程，保证相似性度量函数唯一地衡量基准图像与待配准图像间的位置误差。另外，根据探测系统的装配结构，以及目标在各分光路末端的成像特点，分析图像间存在的位置误差形式，进而选择合适的图像几何变换方式，确定图像间的几何变换参数，以及图像重采样技术，以满足配准算法的要求。并以遗传算法作为几何变换参数的优化搜索算法，通过多代迭代过程，以提出的基于偏振信息的相似性度量函数作为目标函数，搜索得到最优的几何变换参数，完成整个图像配准算法的设计。 最后，分别利用构造的多光路仿真图像和偏振探测系统实际采集的多光路图像，对配准算法进行了验证，并以图像间互信息（MI）值衡量图像配准的精度。实验结果表明：两幅仿真图像配准后的互信息值SMI最高达2.6925，高于常用的特征配准方法的实现精度；实际拍摄图像配准后的SMI达1.8493，同样高于特征配准方法的实现精度。 根据以上配准算法对多光路图像配准之后，再计算目标的偏振信息，可以得到较为准确的偏振信息，证明配准算法的实现精度基本满足偏振探测系统的图像配准需求。

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