茹志兵，劉 冰，李雙全，張曉亮，鄒程帥，張奇賢

（1.西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安710065；2.微光夜視技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710065）

引言

光波是一種電磁波，包含電場(chǎng)分量和磁場(chǎng)分量?jī)刹糠?，光學(xué)中把電場(chǎng)分量稱作光矢量。光在傳播過(guò)程中，光矢量的大小和方向以一定規(guī)律變化，那么這種變化的光則叫做偏振光。偏振性是光的重要特征之一，菲涅爾反射定律表明：非偏振光束遇到光滑表面，反射后將產(chǎn)生部分偏振光。光波經(jīng)物體表面反射后，根據(jù)表面結(jié)構(gòu)、紋理以及入射角度，其偏振狀態(tài)將發(fā)生改變，不同物體或同一物體的不同狀態(tài)（例如粗糙度、空隙度、含水量、構(gòu)成材料的理化特性等）產(chǎn)生不同的偏振，不少物體都有自己獨(dú)特的偏振特征［1－2］。

一般的成像技術(shù)只探測(cè)一定波段的強(qiáng)度，偏振成像獲取的目標(biāo)信息不僅有光強(qiáng)、光譜，還增加了目標(biāo)的偏振度、偏振相角等。采用偏振成像技術(shù)探測(cè)，對(duì)于探測(cè)或識(shí)別偽裝目標(biāo)或處于復(fù)雜自然環(huán)境下的人造目標(biāo)也具有一定的意義。目前，在微光偏振成像領(lǐng)域，國(guó)外研究起步較早，主要有：Taylor最早搭建了一套微光電視系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了偏振光在空域和時(shí)域的測(cè)量；Azzam等利用4個(gè)探測(cè)器光子偏振儀測(cè)量了給定誤差條件下3個(gè)歸一化的斯托克斯矢量的均方誤差，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了入射光束能量變化對(duì)測(cè)得的斯托克斯矢量的準(zhǔn)確度影響；Gamiz研究了微光條件下4通道偏振成像系統(tǒng)的性能，分析了探測(cè)噪音對(duì)兩束正交光強(qiáng)、偏振位相延遲估計(jì)帶來(lái)的影響。Sean Moultrie等基于孔徑分割技術(shù)設(shè)計(jì)了一套可用于微光條件下的可見(jiàn)光偏振成像系統(tǒng)，并給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。Clemenceau搭建了806nm的激光偏振主動(dòng)成像系統(tǒng)［3－4］。國(guó)內(nèi)對(duì)紅外偏振研究較多，西安應(yīng)用光學(xué)研究所、昆明物理研究所、長(zhǎng)春理工大學(xué)、安徽光機(jī)所、解放軍電子工程學(xué)院等，研究了目標(biāo)紅外偏振特性、紅外偏振成像的技術(shù)方案以及應(yīng)用，對(duì)微光偏振成像系統(tǒng)有借鑒作用；南京航空航天大學(xué)研究了利用偏振激光和CCD圖像處理，得到旋光器件旋光角度，北京航空航天大學(xué)研究了大氣的偏振激光后向散射情況，國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究了利用激光照射和物體表面散射光偏振差異的目標(biāo)識(shí)別技術(shù)［5－7］；在微光偏振成像系統(tǒng)方面，北京理工大學(xué)陳振躍等研究了基于高靈敏度CCD的孔徑分割偏振成像系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)表明能夠提高成像對(duì)比度［3］。本文基于分時(shí)型偏振成像原理，設(shè)計(jì)了一套微光偏振成像系統(tǒng)，在微光條件下，對(duì)靜態(tài)場(chǎng)景和目標(biāo)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，對(duì)圖像進(jìn)行了處理，驗(yàn)證了微光偏振成像在復(fù)雜環(huán)境下識(shí)別人造目標(biāo)的優(yōu)勢(shì)。

1 偏振成像原理

為表征偏振光的各種偏振態(tài)，Stokes引入如（1）式所示的4個(gè)向量參數(shù)S＝［I，Q，U，V］T來(lái)描述偏振信息，每個(gè)向量參數(shù)都是光強(qiáng)的時(shí)間平均值（時(shí)間間隔長(zhǎng)到可以測(cè)量），所描述的信息便于用各種成像設(shè)備間接或直接測(cè)量到，并且測(cè)量方式簡(jiǎn)便容易實(shí)現(xiàn)［8］。

式中：I為光波強(qiáng)度；Q 與0°、90°方向的線偏振有關(guān)，可以表示為x與y方向上的光強(qiáng)差；U 與45°、135°方向上的線偏振有關(guān)，可以表示為±π／4兩個(gè)方向上的光強(qiáng)之差；V則與圓偏振中左旋與右旋的方向相關(guān)，可以表示為橢圓偏振。

實(shí)際偏振探測(cè)中往往不用相位延遲器，只靠旋轉(zhuǎn)線偏振片即可得到所求Stokes參量［9］，因此，偏振光的線偏振度DoLP和偏振相角Orient可以簡(jiǎn)化為［8］

式中：線偏振度DoLP是指線偏振光占全部光的比例；偏振相角Orient是指偏振方向與入射面之間的夾角，是一個(gè)由物體本身固有屬性決定的特征信息，可以用它來(lái)表征目標(biāo)及其背景的狀態(tài)特征［10］。

線偏振度DoLP和偏振相角Orient的圖像都是重要的偏振信息源。測(cè)量并分析它們的圖像特征可以得到重要的特征數(shù)據(jù)。同時(shí)，還可以將DoLP、Orient、I、Q、U 等圖像進(jìn)行組合、融合及偽彩色增強(qiáng)，以便進(jìn)一步提高識(shí)別概率。

2 設(shè)計(jì)思想

微光偏振成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包含3個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)：1）對(duì)景物光波的偏振態(tài)分解、掃描、角度編碼，從探測(cè)器的光強(qiáng)響應(yīng)中解算出景物光波的偏振信息；2）把景物光波的偏振信息進(jìn)行可視化顯示；3）提取目標(biāo)特征［11］。偏振成像實(shí)現(xiàn)方法，按照同一像素偏振分享獲取方式劃分，主要有分孔徑偏振成像、分振幅偏振成像、分時(shí)偏振成像和分焦面偏振成像［12］。

微光偏振成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于夜天光下照度較低，并且偏振片的透過(guò)率為43%左右，到達(dá)像增強(qiáng)器靶面的照度只有原來(lái)的43%左右，需增加半導(dǎo)體激光輔助照明，提高微光像管接收到的光強(qiáng)。

微光偏振成像系統(tǒng)采用主動(dòng)式分時(shí)偏振成像模式設(shè)計(jì)，如圖1所示，在微光電視之前放置偏振片，利用偏振片進(jìn)行多次采集，求取斯托克斯矢量的各參數(shù)。采集時(shí)，改變連續(xù)偏振片輸入光的透射方向，偏振片的轉(zhuǎn)動(dòng)角為0°、45°、90°和135°，那么通過(guò)偏振片的4個(gè)不同角度偏振光，求取斯托克斯矢量I、Q和U3個(gè)參數(shù)，此時(shí)認(rèn)為V為0，所以不需要線形延遲器。

圖1 微光偏振成像系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 Diagram of LLL polarization imaging system

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

探測(cè)器選用國(guó)產(chǎn)三代像增強(qiáng)器，其靈敏度：1 700μA／lm；分辨力：48lp／mm；增益：10 000；等效背景照度：2.2×10－7lx；信噪比：28。CCD選用DMM 22BUC03－ML，其分辨力：744像素×480像素；像素大?。?.0μm×6.0μm；靶面尺寸：1／3″；幀率：30fps；最低照度：0.02lx。

3.1 物鏡設(shè)計(jì)

微光偏振成像系統(tǒng)為微弱光成像，設(shè)計(jì)了大口徑微光物鏡（圖2），焦距：102.4mm；視場(chǎng)：±5°；F 數(shù)：1.7；有效口徑：60.5mm。

圖2 大口徑微光物鏡示意圖Fig.2 Schematic of objective lens with 60.5 mm aperture

物鏡設(shè)計(jì)時(shí)考慮了三代像增強(qiáng)器的光譜響應(yīng)范圍主要在500nm～1 000nm，采用Petzval物鏡結(jié)構(gòu)，玻璃材料采用了 H－BaK6、H－ZF6、H－ZK7等。根據(jù)像增強(qiáng)器的響應(yīng)曲線，選取546.1nm、706.5nm、852.1nm 波長(zhǎng)作為消像差譜線，物鏡中的2個(gè)膠合物鏡均為正光焦度，材料分別為HBaK6／H－ZF6和 H－ZF6／H－ZK7，正透鏡用冕牌玻璃，負(fù)透鏡用火石玻璃，2種玻璃的阿貝數(shù)相差較大，前組阿貝數(shù)相差33.2，后組阿貝數(shù)相差33，有利于消色差，且2組膠合透鏡分開(kāi)一定距離，有利于校正球差、彗差、像散，在靠近像面的地方加入負(fù)場(chǎng)鏡，用來(lái)校正場(chǎng)曲和畸變。物鏡調(diào)制函數(shù)（MTF）如圖3所示。典型空間分辨力下的MTF值如表1所示。

圖3 物鏡的MTF特性曲線Fig.3 MTF curve of objective lens

表1 物鏡典型的MTF值Table 1 Typical MTF values of objective lens

3.2 中繼透鏡設(shè)計(jì)

中繼透鏡主要實(shí)現(xiàn)微光像增強(qiáng)器與數(shù)字CCD的光學(xué)耦合，如圖4所示，焦距：26.3mm；F 數(shù)：1.98；物距：36.8mm；像距：8.64mm；總長(zhǎng)：72.7mm。

圖4 中繼鏡頭示意圖Fig.4 Schematic of relay lens

考慮到系統(tǒng)對(duì)比度傳遞特性和分辨力參數(shù)對(duì)ICCD的性能影響重大，設(shè)計(jì)選擇中繼鏡頭的耦合途徑，重點(diǎn)考慮MTF指標(biāo)，其設(shè)計(jì)性能曲線如圖5所示，典型視場(chǎng)下的MTF值如表2所示。

圖5 中繼鏡頭的MTF性能曲線Fig.5 MTF curve of relay lens

表2 中繼鏡頭的MTF計(jì)算值Table 2 Typical MTF values of relay lens

3.3 圖像采集與處理

計(jì)算機(jī)采集目標(biāo)不同偏振態(tài)圖像后，將I（0°，0）、I（45°，0）、I（90°，0）、I（135°，0）的圖像灰度值代入（1）式，通過(guò)Matlab得到Stokes參數(shù)I、Q、U，并根據(jù)（2）式得出線偏振度DoLP和偏振相角Orient，并合成偏振度圖像，偏振度圖像中每個(gè)像點(diǎn)的灰度值僅與該像點(diǎn)的偏振度有關(guān)［13］，不同材料表面、不同探測(cè)角的偏振度圖像有顯著的差異，表現(xiàn)為各個(gè)像點(diǎn)亮度的不同，計(jì)算流程［14－15］如圖6所示。

圖6 計(jì)算流程Fig.6 Flow chart of calculation

4 系統(tǒng)及性能實(shí)驗(yàn)

4.1 設(shè)計(jì)結(jié)果

通過(guò)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、光學(xué)設(shè)計(jì)和圖像處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，完成的微光像增強(qiáng)器的偏振成像系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 微光偏振成像系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.7 Schematic of LLL polarization imaging system

4.2 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

在室內(nèi)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，具體步驟為：1）在暗室內(nèi)，把綠色植物和某型光電儀器放置在大口徑準(zhǔn)直透鏡的焦面處，微光偏振成像系統(tǒng)放置在透鏡后方；2）對(duì)目標(biāo)進(jìn)行輔助照明，調(diào)節(jié)激光器功率，使獲得圖像清晰；3）旋轉(zhuǎn)偏振片，獲得不同相位的偏振圖像，存至計(jì)算機(jī)；4）進(jìn)行圖像處理，獲得目標(biāo)偏振度和偏振相角。采集圖像如圖8，經(jīng)過(guò)Stokes公式計(jì)算得到圖9。

圖8 實(shí)驗(yàn)室采集圖像Fig.8 Images captured in lab

圖9 實(shí)驗(yàn)室Stokes參數(shù)圖像Fig.9 Stokes parameter image in Lab

在無(wú)月星空下，對(duì)涂綠漆的金屬罩子、迷彩頭盔／迷彩服進(jìn)行了微光偏振成像試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)步驟同室內(nèi)實(shí)驗(yàn)步驟的2～4，圖10為試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，圖11為野外采集圖像，圖12為Stokes參數(shù)圖像。

圖10 野外實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)Fig.10 Testing target in field

圖11 野外試驗(yàn)采集圖像Fig.11 Images captured in field

圖12 野外試驗(yàn)Stokes參數(shù)圖像Fig.12 Stokes parameter image in field

采集的圖像經(jīng)過(guò)計(jì)算后，有光滑表面的目標(biāo)的普通圖像，在圖11中I（0°，0）圖像目標(biāo)灰度均值（歸一化）為0.27，背景灰度均值（歸一化）為0.20，灰度值之比為1.35，圖12中Dolp圖像目標(biāo)灰度均值（歸一化）為0.36，背景灰度值（歸一化）為0.16，灰度值之比為2.25。參數(shù)I（強(qiáng)度）圖像比原圖像對(duì)比度加強(qiáng)，且線偏振度DoLP圖像和偏振相角Orient圖像都表現(xiàn)為有光滑表面的金屬目標(biāo)較亮，而自然背景相對(duì)較暗，這給目標(biāo)檢測(cè)帶來(lái)了極大的便利。

5 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用激光照明、微光偏振成像方式能夠提高人造目標(biāo)和自然背景的對(duì)比度，使人造目標(biāo)能夠輕松識(shí)別出來(lái)，提供了識(shí)別雜亂自然背景中人造目標(biāo)的手段，比簡(jiǎn)單使用光強(qiáng)識(shí)別目標(biāo)的方法有更高的效率。這一特性使之可以應(yīng)用在夜間搜救方面，或者對(duì)隱藏的、偽裝的軍事目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)識(shí)別。

為了能夠?qū)ψ兓膱?chǎng)景或移動(dòng)的目標(biāo)進(jìn)行偏振成像，下一步需進(jìn)行分孔徑、分振幅、分焦面的微光偏振成像研究，并且進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，使Stokes參數(shù)圖像、線偏振度DoLP圖像和偏振相角Orient圖像實(shí)時(shí)顯示，從而實(shí)時(shí)地獲取更多的目標(biāo)信息。

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