易 瑔 嚴志強 唐湘燕 楊建昌

(1.西安交通大學電子與信息工程學院，西安 710049; 2.裝甲兵工程學院控制工程系,北京 100072 ; 3.中國兵器裝備研究院,北京 100089)

0 引言

熱紅外成像是一種透過煙塵能力強、可晝夜工作的被動成像技術，在民用和軍用上均得到了廣泛應用[1-3]。其工作原理為測量物體的熱輻射強度，通過目標與背景的輻射強度差別來發(fā)現(xiàn)目標。當目標與背景的輻射強度差很小時，目標與背景信噪比很低，就無法有效將目標區(qū)分出來。隨著紅外偽裝技術的廣泛使用，目標與背景的輻射特性發(fā)生改變，目標的熱紅外特征發(fā)生歪曲，進入探測系統(tǒng)的能量大幅衰減，導致目標背景輻射對比度降低，嚴重削弱了熱紅外成像系統(tǒng)對目標的探測能力。

研究表明，自然界中的地物(水除外)偏振度往往較低，而人造目標由于表面的規(guī)則性和光滑性等因素，偏振度較強[3]。由于偏振度反應的是不同方向上能量的相對大小，而與進入探測器的能量大小關系不大，因此能在低熱對比度的場景中有效提高探測性能?；诩t外偏振成像技術是近十年來國外發(fā)展迅速的新型成像技術，其不僅利用目標景物的輻射強度信息 而且利用目標景物輻射的偏振度信息提高成像系統(tǒng)在復雜背景下目標的探測，具有廣闊的軍用和民用前景。

本文利用熱紅外成像儀前加裝可旋轉線偏振片的方法，考察了8～14μm波段下目標與背景的紅外偏振特性，并對偏振信息進行了融合處理，發(fā)現(xiàn)融合圖像較原始紅外圖像對比度增加，且較好保留了細節(jié)信息。

1 紅外偏振產(chǎn)生的機理

光波經(jīng)過均勻介質(zhì)分界面時，根據(jù)邊界條件，入射光、反射光和折射光的傳播方向由反射定律和折射定律確定，振幅和相位之間的關系由菲涅爾公式確定。由于任一偏振態(tài)的光均可分解為兩個相互垂直的量[5]，一般將其分解成在入射面內(nèi)的分量(平行分量或稱P分量)和垂直于入射面的分量(垂直分量或稱S分量)。而平面電磁波在反射和折射時這兩個分量是相互獨立的，即平行分量在折射和反射時只產(chǎn)生平行分量，垂直分量在折射和反射時只產(chǎn)生垂直分量，因此可以分別討論這兩個分量。

定義平行分量反射率Rp和垂直分量反射率Rs如下，根據(jù)菲涅爾公式，

(1)

嚴格意義上，上式僅對光滑表面成立，但通常我們將粗糙表面看成光滑微平面的一種統(tǒng)計近似[7]。

熱紅外偏振是輻射和反射共同作用的結果。如果不考慮散射等其它形式的能量損耗，入射光不被吸收即被反射[6]。根據(jù)熱平衡原理可以知道，透射率與輻射率相同，這樣輻射光的偏振可以像反射光的偏振那樣通過菲涅爾系數(shù)直接計算出來。因此，介質(zhì)表面輻射率為

Es,p=1-Rs,p

(2)

上式表明，入射光總能量在反射光和輻射光中按照反射率和輻射率進行重新分配。

圖1 反射率(輻射率)與入射角(觀察角)的關系示意圖

圖1 所示為當介質(zhì)折射率n1=1，n2=1.8時，反射率、輻射率與入射角(觀察角)的關系示意圖。當入射角為布儒斯特角時，反射光平行分量為零，此時反射光只有垂直分量。

反射光線偏振度和輻射光線偏振度可根據(jù)以下公式計算

(3)

從圖2可以看出：

基于現(xiàn)代木結構技術的鄉(xiāng)鎮(zhèn)民居設計探討——以宜興市張渚鎮(zhèn)茶亭村示范農(nóng)房建設為例 符 飛 楊曉林2018/06 29

1)反射光線偏振度為正，輻射光線偏振度為負；

2)反射光線偏振度在布儒斯特角處取得極大值，輻射光線偏振度隨觀察角單調(diào)遞增；

3)一般地，反射光線偏振度比輻射光線偏振度大。

圖2 DOLP隨入射角(觀察角)的變化關系圖

2 偏振測量原理

光波是橫電磁波，電矢量和磁矢量相伴而行，振動方向與傳播方向垂直。電場矢量大小和方向隨時間變化的方式成為光的偏振，通常用電矢量軌跡描述。光的宏觀狀態(tài)有自然光、部分偏振光及完全偏振光。其中完全偏振光有橢圓偏振光、圓偏振光及線偏振光。

2.1 偏振光的描述

描述偏振光有三角函數(shù)表示法、瓊斯(Jones)矢量法、斯托克斯(Stocks)矢量法和邦加(H.Pioncare)球法[5]。其中三角函數(shù)表示法、瓊斯矢量法只能描述完全偏振光，邦加球法是表示任一偏振態(tài)的圖示法。Stocks矢量法用四個參量(均為光強的時間平均值)描述光波的強度和偏振態(tài)，可以描述完全偏振光、部分偏振光和自然光，可以是單色光也可以是非單色光。Stocks矢量表示式為

S=[S0S1S2S3]T

(4)

式中，S0為光波的總強度；S1為光波在 0°、90°方向的線偏振光強度之差；S2為光波在45°、135°方向的線偏振光強度之差；S3與左右旋的圓偏振有關。通常情況下目標的反射光或目標自身的輻射都是線偏振分量占主要部分，V分量可近似為0，因此只需提取目標的線偏振特征。

2.2 偏振測量

Sout=M·Sin

(5)

式中，M為該光學器件的穆勒(Muller)矩陣；Sin、Sout分別為入射光、出射光的Stocks矢量。

當入射光通過理想線偏振片時，根據(jù)上式可算出出射光強為

I(θ)=0.5(S0+S1cos2θ+S2sin2θ)

(6)

式中，θ為偏振片的方位，即透光軸與參考面X軸夾角。由式(6)知，任意測出3個不同的方位(本實驗選擇0°、60°、120°)上的出射光強圖，聯(lián)立方程就可以解出S0、S1、S2，見式(7)。另一方面，當已知S0、S1、S2時，代入式(6)就能算出任意方位上的出射光強度圖。

(7)

偏振度P(degree of polarization)作為整個強度中完全偏振光的比例，P=0時入射光為自然光，P=1時入射光為完全偏振光，0

(8)

偏振方位角(angle of polarization)微觀上描述了入射光的偏振方向與參考面X軸夾角，宏觀上則表示能量最大的偏振方向與X軸夾角，其表達式為

(9)

3 熱紅外偏振系統(tǒng)與實驗

3.1 實驗系統(tǒng)組成

實驗中圖像采集系統(tǒng)由紅外熱像儀加可旋轉的線偏振片構成。紅外熱像儀探測器為非制冷焦平面陣列(FPA)，工作波段范圍為8～14μm，有效像素為640×480，位深度為8。線偏振片為ZnSe金屬線偏振片，消光比為300。

為了消除冷反射效應，線偏振片光軸與紅外成像系統(tǒng)光軸之間存在一定的角度。這樣偏振片旋轉到不同的角度得到的圖像之間會產(chǎn)生微小的位移，從而影響偏振信息的正確計算。因此在將測得的圖像帶入到式(7)中計算Stocks參量之前，應先對測得的圖像進行配準。

3.2 實驗條件

本實驗對樹林、高壓輸電線鐵塔進行紅外圖像和紅外偏振圖像的采集，背景為天空，偏振片旋轉的角度為0°、60°、120°，距離約為300m。時間為2012年10月17日上午10點，天氣晴朗，溫度約20℃。

3.3 實驗數(shù)據(jù)與分析

圖3給出了紅外圖像采集系統(tǒng)采集到的圖像，可以看出：原始紅外圖像比紅外偏振圖像亮度大，這是因為偏振片對入射光能量有衰減；并且紅外偏振圖像比原始紅外圖像細節(jié)更豐富。

圖3 原始紅外圖與偏振圖

圖4給出了根據(jù)式(8)和式(9)計算得到的偏振度圖和方位角圖，可以看出：

1)輸電鐵塔、電線的偏振度較大，天空、樹林的偏振度幾乎為零。這是因為表面特性是影響物體偏振度的重要因素，輸電鐵塔、電線等人造目標一般是由規(guī)則光滑的表面組成，且各個面的線偏振度分布相似，因此整體上表現(xiàn)出較強的偏振特性；而自然背景局部光滑，但是各個表面取向是雜亂無章的，整體無規(guī)則，因此每一次反射或散射偏振都不具有一致性，光經(jīng)過多次的反射和散射后偏振度降低。

2)樹林邊緣偏振度很大，使得樹林輪廓顯現(xiàn)出來；從偏振圖就能大致判斷出目標的外形。從整幅圖像看偏振度圖較好保留了圖像的細節(jié)。

3)從方位角圖可判斷出圖像的內(nèi)容，但存在著較大干擾。

圖4 目標與背景的偏振度圖和方位角圖

4 基于HSI色彩變換法的偏振圖像融合

偏振度圖像和方位角圖像描述了場景的不同信息，為方便有效的利用這兩種信息、提高圖像質(zhì)量，本文運用基于HSI色彩變換法將偏振度圖像、方位角圖像和輻射強度圖融合成一幅圖像。用輻射強度圖S0作為亮度(Intensity)圖、偏振度圖作為飽和度(Saturation)圖、方位角圖作為色度(Hue)圖，得到的HSI融合圖像如圖5a所示。通過融合圖像和原始紅外圖像(圖5b)的對比，可以看出，融合圖像比原始紅外圖像清晰、對比度增加、輪廓鮮明，且較好保留了細節(jié)信息。這表明將偏振圖像進行HIS色彩融合可有效反映場景的強度和偏振信息，提高了圖像質(zhì)量和場景中目標的可識別性。

圖5 HSI融合圖像與原始紅外圖像

5 結論

本文首先介紹了熱紅外偏振探測目標的機理，然后利用熱紅外偏振成像系統(tǒng)采集了典型場景的偏振圖像，并對圖像中的偏振信息進行提取，最后采用基于HSI色彩變換的方法對偏振信息和強度信息進行了融合。結果表明：利用偏振信息可以獲取場景中的細節(jié)，提高了目標的可探測性；將偏振信息和強度信息融合成一幅圖像，有利于提高成像質(zhì)量及遠距離目標的探測與識別。

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