本發(fā)明涉及淺海水下目標(biāo)高光譜參數(shù)化特征提取方法。

背景技術(shù)：

淺海目標(biāo)探測與識別對于海洋監(jiān)測、海洋資源開發(fā)以及海上搜救等具有重要意義，但淺海環(huán)境水下目標(biāo)探測目前是個難題。傳統(tǒng)的探測設(shè)備，如雷達(dá)與聲吶，在探測淺海水下目標(biāo)時受到很多限制：雷達(dá)雖然可以對目標(biāo)形成很高的空間分辨力，但電磁波無法穿透水層；聲吶可以利用聲波共振識別不同材質(zhì)的水下目標(biāo)，但受淺海強(qiáng)烈的界面混響的影響，其探測性能大打折扣。除了這些原因，隨著材料、推進(jìn)與信息技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代水下目標(biāo)都具備一定的電磁隱身與聲隱身能力，這又進(jìn)一步提高了水下目標(biāo)探測的難度。因此，發(fā)展光學(xué)探測手段，尤其是高光譜技術(shù)，成為目前淺海環(huán)境水下目標(biāo)探測新的解決途徑。

目前高光譜技術(shù)由于水下目標(biāo)探測面臨的主要問題有：1)海洋背景輻射光譜易受海洋環(huán)境因素影響而發(fā)生變化；2)光線在水層中雙程傳播，目標(biāo)散射光譜會產(chǎn)生不確定的畸變，目標(biāo)與海洋背景的輻射率絕對值差異較小。這些問題導(dǎo)致采用全光譜或單一波段的反射率作為特征區(qū)分水下目標(biāo)離水輻射與海洋背景輻射時缺乏穩(wěn)定性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有技術(shù)直接采用全光譜或單一波長反射率作為特征時缺乏穩(wěn)定性的問題，而提出的一種淺海水下目標(biāo)高光譜參數(shù)化特征提取方法。

一種淺海水下目標(biāo)高光譜參數(shù)化特征提取方法按以下步驟實現(xiàn)：

步驟一：建立水下目標(biāo)離水輻射率仿真模型；

步驟二：確定使目標(biāo)離水輻射率仿真值與實際測量值誤差最小的水下目標(biāo)離水輻射率仿真模型輸入?yún)?shù)；

步驟三：將步驟二確定的輸入?yún)?shù)中的目標(biāo)估計深度與反射率作為目標(biāo)的高光譜遙感特征。

發(fā)明效果：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出通過光譜儀接收信號估計與水下目標(biāo)屬性有關(guān)的深度和反射率作為特征，使目標(biāo)特征具有物理意義的同時提高了特征的穩(wěn)定性，提高水下目標(biāo)高光譜探測能力，解決了直接采用全光譜或單一波長反射率作為特征時缺乏穩(wěn)定性的問題。

附圖說明

圖1為離水輻射仿真模型技術(shù)方案圖；

圖2為水下目標(biāo)離水輻射參數(shù)化特征提取方案圖；

圖3為仿真水下目標(biāo)高光譜探測在530nm的反射率圖像；

圖4為仿真水下目標(biāo)樣本與海洋背景樣本在二維特征空間中的分布圖。

具體實施方式

具體實施方式一：一種淺海水下目標(biāo)高光譜參數(shù)化特征提取方法包括以下步驟：

步驟一：建立水下目標(biāo)離水輻射率仿真模型；

步驟二：確定使目標(biāo)離水輻射率仿真值與實際測量值誤差最小的水下目標(biāo)離水輻射率仿真模型輸入?yún)?shù)；

步驟三：將步驟二確定的輸入?yún)?shù)中的目標(biāo)估計深度與反射率作為目標(biāo)的高光譜遙感特征。

水下目標(biāo)離水輻射仿真模型的技術(shù)方案如圖1所示，海面離水輻射率由海水吸收率、海水反射率以及海底反射率決定，海水吸收率由水中浮游植物葉綠素濃度、水中溶解有機(jī)物吸收率以及純海水吸收率決定，海水反射率由水中懸浮顆粒反射率和純海水反射率決定，海底反射率由海底沉積層材質(zhì)決定；計算海面離水輻射率仿真值與實際測量值的誤差，根據(jù)海水的光譜窗口將全光譜分為兩個波段范圍，分別是400-600nm與600-715nm，引入平衡參數(shù)均衡兩個波段范圍的輻射率絕對值差異；搜索使水下目標(biāo)離水輻射率仿真值與實際測量值誤差最小的輸入?yún)?shù)，提取反射率與目標(biāo)深度作為水下目標(biāo)的高光譜遙感特征。

具體實施方式二：本實施方式與具體實施方式一不同的是：所述步驟一中建立水下目標(biāo)離水輻射率仿真模型的具體過程為：

海面離水輻射率由海水吸收率、海水反射率以及海底反射率決定，光線透射過海水-空氣界面時會受到影響，界面上表面的離水輻射率R_rs與下表面的上行輻射率r_rs有以下關(guān)系：

其中r_rs的半解析模型為：

其中a為總吸收率，b_b為總反向反射率，θ_w為太陽的天頂角，H是深度，ρ是海底反射率，B是550nm處的海底反射率，是以B作為參考值進(jìn)行歸一化得到的海底反射率曲線；

海水的總吸收率由純海水的吸收、浮游植物所含葉綠素的吸收以及水中溶解有機(jī)物的吸收三者共同決定，即：

a＝a_w+a_φ+a_g (3)

其中a_w為純海水的吸收率，通過查表獲得；a_φ為浮游植物葉綠素的吸收率，a_g為水中溶解有機(jī)物的吸收率，計算方法分別為：

a_φ(λ)＝[a₀(λ)+a₁(λ)ln(P)]P (4)

P＝a_φ(440)＝0.06[chl-a]^0.65 (5)

a_g(λ)＝Gexp[-0.015(λ-440)] (6)

其中λ代表波長，G＝a_g(440)，即波長440nm處的水中溶解有機(jī)物吸收率；

海水的總反射率b_b由兩純海水的反向散射率以及水中懸浮顆粒的反向散射率，即：

b_b＝b_bw+b_bp (7)

其中b_bw為純海水的反射率，通過查表獲得；b_bp是水中懸浮微粒的反向散射率，計算公式為：

b_bp(λ)＝[chl‐a]^0.62550/λ (8)。

其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一相同。

具體實施方式三：本實施方式與具體實施方式一或二不同的是：所述步驟二中確定使目標(biāo)離水輻射率仿真值與實際測量值誤差最小的水下目標(biāo)離水輻射率仿真模型輸入?yún)?shù)的具體過程為：

圖2是水下目標(biāo)離水輻射參數(shù)化特征提取方案示意圖。根據(jù)離水輻射率仿真模型，純海水的吸收率a_w與反射率b_bw是確定的，海洋浮游植物吸收率a_φ、水中懸浮顆粒反射率b_bp與水中葉綠素密度chl-a有關(guān)，水中溶解有機(jī)物吸收率a_g與其在440nm處的參考吸收率G有關(guān)，海底反射率ρ與其在550nm處的參考反射率B有關(guān)。離水輻射率仿真模型共有四個輸入?yún)?shù)，即：

R_rs(λ)＝F(a_w(λ),b_bw(λ),chl-a,G,B,H) (9)

將不同的參數(shù)帶入海面離水輻射的半解析模型得到海面離水輻射率的仿真結(jié)果，通過計算仿真結(jié)果與實際測量結(jié)果的誤差，得到誤差最小時對應(yīng)的參數(shù)值；海面離水輻射率的仿真結(jié)果與實際測量結(jié)果的誤差如式(10)所示：

其中，R_rs(λ)是海面離水輻射率的實際測量結(jié)果，是海面離水輻射率的仿真結(jié)果；代表對波段λ₁-λ₂范圍內(nèi)的輻射率取平均，參數(shù)ω是為了平衡離水輻射率在λ₁-λ₂與λ₃-λ₄范圍內(nèi)的強(qiáng)度差異；

搜索使式(11)最小的離水輻射率仿真模型輸入?yún)?shù)，將其中的550nm處的海底反射率B以及深度H作為目標(biāo)特征。

其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一或二相同。

具體實施方式四：本實施方式與具體實施方式一至三之一不同的是：所述為400-600nm，λ₃-λ₄為600-710nm。

其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一至三之一相同。

實施例一：

圖3是仿真水下目標(biāo)高光譜探測在530nm的反射率圖像，從海洋背景輻射區(qū)域與水下目標(biāo)所在區(qū)域各隨機(jī)選擇50個像素作為海洋背景樣本以及水下目標(biāo)樣本，通過上述流程提取每個像素的估計反射率與估計深度作為該像素對應(yīng)的特征，圖4是水下目標(biāo)樣本與海洋背景樣本在估計反射率與估計深度組成的二維特征空間中的分布，水下目標(biāo)的估計反射率與估計深度均大于海洋背景樣本，二者在特征空間中有不同且各自相對穩(wěn)定的分布區(qū)域，從而實現(xiàn)水下目標(biāo)穩(wěn)定的高光譜遙感特征提取，達(dá)到了本發(fā)明的目的。