牛繼勇，李范鳴

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空間目標紅外偏振特性分析

牛繼勇，李范鳴

（中國科學院上海技術(shù)物理研究所，中科院紅外探測與成像技術(shù)重點實驗室，上海 200083）

目標紅外輻射包含自發(fā)輻射和反射輻射兩部分，通過理論建模對目標自發(fā)輻射和反射輻射起偏機理進行分析，并得出兩者的疊加將會引入消偏?？臻g目標偏振特性不僅與表面材料、觀測角等因素有關(guān)，由于空間目標處在一個變動的輻射環(huán)境下，在日照區(qū)和陰影區(qū)，反射輻射和自發(fā)輻射的能量分布情況會相差很大，因此空間目標的紅外偏振特性也會有較大的變化。對在不同的輻射環(huán)境下對空間目標的紅外偏振特性進行了建模仿真分析，最后在實驗室條件下，對空間目標常用材料進行紅外偏振探測實驗，并對實驗數(shù)據(jù)進行分析得出結(jié)論。

空間目標；紅外偏振特性；仿真建模

0 引言

光波的偏振參量攜帶區(qū)別于光強、相位、光譜的獨有特征信息，偏振成像技術(shù)與傳統(tǒng)光度學和輻射學探測技術(shù)相比，可以獲取目標光學輻射的偏振強度值、偏振度、偏振角、偏振橢圓率和輻射率等參數(shù)，大大增加了被探測目標的信息量。紅外偏振探測技術(shù)進一步拓展偏振探測的應用范圍，如何將紅外偏振探測技術(shù)應用到對空間目標的探測已經(jīng)引起越來越多的人的關(guān)注。目標紅外偏振特性受到目標表面的狀態(tài)、材料以及觀測角等因素影響[1-2]。

本文分別對目標紅外自發(fā)輻射與反射輻射起偏機理進行了分析，結(jié)合空間目標的運行軌跡對空間目標的輻射環(huán)境進行了定性的分析，并以此為基礎對空間目標在不同的輻射環(huán)境下的偏振特性進行了預期分析。最后在實驗室條件下，對空間目標的一些常用材料進行了紅外偏振特性分析，總結(jié)出一些結(jié)論，為后續(xù)的應用打下基礎。

1 紅外輻射起偏機理分析

光的偏振是指光矢量的振動相對于光傳播方向的不對稱性。對在可見光范圍內(nèi)，被測目標的偏振特性主要是有反射引起，但是在紅外光譜波段，在分析空間目標紅外偏振特性時，目標表現(xiàn)出的紅外偏振特性是目標反射輻射以及自發(fā)輻射疊加的效果。

我們基于菲涅爾公式以及基爾霍夫定律實現(xiàn)對自發(fā)輻射和反射輻射偏振特性進行建模分析：我們通過引入復折射率，并根據(jù)Born和Wolf的理論，推導出光矢量中平行分量以及垂直分量的菲涅爾反射率，通過反射率我們可以得出反射輻射的偏振度表達式；由基爾霍夫定律可知，發(fā)射率等于吸收率，并且吸收率與反射率之和為1，通過發(fā)射率同樣我們可以得出自發(fā)輻射的偏振度表達式。

圖1是對光滑鋁表面的紅外偏振特性的建模分析，圖1(a)為自發(fā)輻射發(fā)射率以及反射輻射反射率與觀測角的關(guān)系曲線，圖1(b)為自發(fā)輻射以及反射輻射偏振度與觀測角的關(guān)系曲線。

圖1 理想光滑鋁偏振特性仿真曲線

由仿真結(jié)果知：對于紅外反射輻射，平行分量反射率p(,,)和垂直分量反射率s(,,)的差異，引起了光的偏振效應；同樣，對于紅外自發(fā)輻射，由于平行分量發(fā)射率p(,,)和垂直分射率s(,,)的差異，引起了光的偏振效應。

在自發(fā)輻射中，由于發(fā)射率的差異，引起光矢量中平行分量強于垂直分量，但是對于反射輻射恰恰相反，因此兩者的疊加就會引起消偏效應。通過偏振度與觀測角的關(guān)系曲線，我們看到自發(fā)輻射偏振度隨發(fā)射角是一個一直增加的過程，反射輻射偏振度隨觀測角是先增加后下降的過程。而目標紅外輻射偏振特性是與兩者的能量分布情況有關(guān)，圖中仿真結(jié)果中的總偏振度是自發(fā)輻射與反射輻射能量相等時的情況[3-4]。

自發(fā)輻射與反射輻射偏振特性的疊加會引起消偏，消偏程度還要結(jié)合具體的光照條件以及目標溫度等因素來考慮分析。在分析空間目標紅外偏振特性時，應該結(jié)合反射輻射和自發(fā)輻射兩方面進行考慮，由于空間目標所處的輻射環(huán)境是一個變動的環(huán)境，這也增加了對空間目標紅外偏振特性分析的難度。在第2部分將做一些簡單的分析。

2 空間目標輻射環(huán)境分析

通過前面的起偏機理分析，我們發(fā)現(xiàn)紅外自發(fā)輻射以及反射輻射都會引起光的偏振現(xiàn)象，并且兩者的疊加效果會引起消偏，因此空間目標總偏振特性就要歸結(jié)到兩種輻射在目標紅外輻射中的分布情況，這與空間目標所處的輻射環(huán)境具有密切的關(guān)系。

空間目標的自發(fā)輻射強度主要取決于目標表面本身的溫度，對空間目標表面加熱的熱源包括內(nèi)、外熱源2大部分。內(nèi)熱源是指目標表殼內(nèi)對目標加熱的，外熱源也就是外界的紅外輻射，主要是指地球和太陽，以及宇宙空間其他星體對空間目標的輻射，加熱方式主要有太陽直接輻射、地球熱輻射、地球反射輻射以及月亮星體輻射等[5-6]。

反射輻射的強度與外界輻射的輻射強度有密切的關(guān)系，即與外熱源有直接的關(guān)系。圖2是空間目標表面與空間目標輻射環(huán)境的關(guān)系。

圖2 空間目標與空間目標輻射環(huán)境

月亮星體的影響較小，我們可以忽略，在日照區(qū)，衛(wèi)星的表面輻射狀態(tài)與太陽、地球和衛(wèi)星三者之間的位置密切相關(guān)，太陽輻射、地球紅外輻射是空間目標主要的外部熱源，它們對空間目標的輻射分布的影響較大，衛(wèi)星反射的太陽輻射和地球紅外輻射的輻照度大于空間目標自身的紅外輻射輻照度[7]，故此時在對空間目標偏振特性進行分析時，反射輻射的偏振特性是我們著重考慮的。圖3左圖是我們以自發(fā)輻射與反射輻射的比重系數(shù)為0.3時的仿真曲線，此時空間目標是自發(fā)輻射偏振特性占據(jù)主導地位，但是反射輻射的消偏作用，偏振度與觀測角的變化趨勢有一定改變。

在地球陰影區(qū)，衛(wèi)星接收的太陽輻射為零，對衛(wèi)星表面溫度有影響的只有地球自身的紅外輻射，在空間目標紅外輻射特性中占主要因素的不是這部分輻射，而是空間目標自身的加熱而產(chǎn)生的紅外輻射[6]。故此時在對空間目標偏振特性進行分析時，自發(fā)輻射的偏振特性是我們著重考慮的。圖3右圖是我們以反射輻射與自發(fā)輻射的比重系數(shù)為0.3時的仿真曲線，此時空間目標是反射輻射偏振特性占據(jù)主導地位，但是自發(fā)輻射的消偏作用，偏振度與觀測角的變化趨勢有一定改變。

3 空間目標紅外偏振特性的分析

我們選取了4種空間目標樣品材料：銀色鍍鋁聚酯薄膜、黃色鍍鋁聚酰亞胺薄膜、聚酰亞胺黑色薄膜以及衛(wèi)星太陽能電池板，如圖4所示。通過上述輻射環(huán)境對偏振特性的影響因素分析，我們知道目標的紅外偏振特性是由自發(fā)輻射以及反射輻射偏振特性的疊加，在進行空間目標常用材料的紅外偏振特性測量時，我們設定了如下測試條件：實驗背景溫度為29℃；探測距離為0.7m；衛(wèi)星材料目標樣板加熱到65℃。

如圖5所示是制作的探測目標，將4種空間目標材料貼敷于一加熱片上，采用中波紅外分時偏振探測系統(tǒng)對其進行紅外偏振成像，觀測角度為55°。在目標灰度圖中，由于聚酰亞胺黑色薄膜發(fā)射率高，因此灰度值明顯偏高，并且很難與加熱片進行區(qū)分，太陽能電池板次之，黃色以及黑色薄膜難以分辨；在目標偏振度圖中，黑色聚酰亞胺膜偏振度較高，并且黃色以及黑色薄膜也有較好的區(qū)分，3種薄膜材料的偏振度從大到小依次為：黑色聚酰亞胺膜、銀色鍍鋁聚酯薄膜、黃色鍍鋁聚酰亞胺薄膜。

圖3 不同輻射環(huán)境下，空間目標偏振度與觀測角的關(guān)系曲線

圖4 空間目標樣品材料

Fig.4 Space target samples

圖5 空間目標樣品成像實驗

Fig.5 The images of space target samples

我們在不同的觀測角度下，進行了測試實驗，圖6是4種衛(wèi)星材料偏振度與觀測角的關(guān)系曲線。

圖6 空間目標樣品偏振度與觀測角的關(guān)系曲線圖

在實驗室條件下，對空間目標常用材料進行了定量的測量分析，我們發(fā)現(xiàn)：在小觀測角度下，4種材料的偏振度都較小，不易區(qū)分；觀測角逐步增大，聚酰亞胺黑色薄膜、太陽能電池板以及黃色鍍鋁聚酰亞胺薄膜偏振度都有增加的趨勢，其中黑色聚酰亞胺薄膜偏振度增幅明顯；銀色鍍鋁薄膜偏振度隨觀測角先增加后減小，偏振度值一直維持在較小的范圍內(nèi)。通過圖6的實驗數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)與理論建模分析的數(shù)值有一定的差異，初步分析原因可能有如下幾點：首先，目標材料的實際折射率與建模所帶入的值并不一致；其次，建模是對理想光滑表面的分析，而實際目標材料顯然不是理想光滑的；第三，目標的總紅外偏振特性是與自發(fā)輻射和反射輻射共同決定的，它們在總輻射能量中權(quán)重我們很難確定；最后，測量誤差的存在。

4 結(jié)論

紅外偏振探測作為強度探測的有力補充，越來越引起人們的關(guān)注。與可見光不同，由于紅外輻射包括反射輻射和自發(fā)輻射，而且兩者的疊加效果會引起消偏，因此目標紅外偏振特性不僅與目標材料觀測角以及表面狀態(tài)有關(guān)，還與輻射中反射輻射與自發(fā)輻射的能量分布有關(guān)。

通過實驗數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)不同空間目標常用材料之間偏振特性存在較為明顯差異性，并且隨觀測角有規(guī)律性的變化，即目標偏振特性是由觀測角以及材料本身的性質(zhì)決定。這種不同材料之間偏振特性的差異性，為后續(xù)空間目標的區(qū)分識別提供依據(jù)，并且衛(wèi)星太陽能電池板的角度隨衛(wèi)星姿態(tài)變化明顯，因此通過太陽能電池板偏振度估算衛(wèi)星姿態(tài)具有一定的可行性。

[1] 牛繼勇, 李范鳴, 馬利祥. 目標紅外偏振探測原理及特性分析[J].紅外技術(shù), 2014, 36(3): 215-220.

[2] 趙勁松. 偏振成像技術(shù)的進展[J]. 紅外技術(shù), 2013, 35(12): 743-750.

[3] Oscar Sandus. A Review of Emission Polarization[J].(S0003-6935) , 1965, 4(12):1634-1642.

[4] Lawrence B.Woff, Andrew Lundberg, Renjie Tang. Image understanding from thermal emission polarization[C]//,,, Jun 23-25 1998: 625-631.

[5] 韓玉閣, 宣益民. 衛(wèi)星的紅外輻射特征研究[J]. 紅外與激光工程, 2005, 34(1): 34-37.

[6] SUN Cheng-ming, YUAN Yan,. ZHANG Xiu-bao. Application of BRDF for modeling on the optical scattering characteristics of space target[J]., 2009, 7383:738338. doi: 10.1117/12.835569.

[7] 李鳴, 杜小平. 空間目標紅外輻射特性分析[J]. 飛行設計, 2011, 31(1): 67-70.

Analysis to Infrared Polarization Characteristics of Space Targets

NIU Ji-yong，LI Fan-ming

（，，200083，）

The infrared radiation of targets includes spontaneous radiation and reflected radiation. We analyzed the infrared polarization mechanism based on some theoretical simulation models of spontaneous and reflected radiation, and found the superposition of them leading to depolarization effect. The infrared polarization characteristics of space targets is influenced by materials and view angle, due to the radiation environment of space target is varying with the time. And in the sunshine and shadow regions, the energy distribution between spontaneous and reflected radiation varies greatly, so the infrared polarization characteristics of space targets will have great changes. We created an experimental environment of low temperature and reflected radiation to simulate the environment of shadow regions, and carried out experimental validation and analysis.

space targets，infrared polarization characteristics，modeling and simulation

TN219

A

1001-8891(2015)03-0200-04

2014-08-29；

2014-09-29.

牛繼勇(1989-)，男，山東臨朐人，博士研究生，主要從事紅外偏振探測技術(shù)研究。E-mail：njy123@mail.ustc.edu.cn。

國家十二五國防預研項目，編號：41101050501；中國科學院上海技術(shù)物理研究所創(chuàng)新專項基金，編號：Q-ZY-85。