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        海面太陽耀光背景下的偏振探測技術(shù)

        2018-04-19 10:48:52張衛(wèi)國
        中國光學(xué) 2018年2期
        關(guān)鍵詞:探測系統(tǒng)探測儀偏振

        張衛(wèi)國

        (91550部隊,遼寧 大連 116021)

        1 引 言

        平靜的海面或者低風(fēng)速情況下的波動海面可以近似看作微鏡的組合。當(dāng)太陽光入射時,在與入射光方向關(guān)于法線對稱的反射光方向上會產(chǎn)生強烈的反射輻射,形成太陽耀光。受太陽耀光影響的中心區(qū)域,輻射強度使得傳感器極易達到飽和,無法實現(xiàn)對海面目標(biāo)的有效探測[1-5]。

        偏振是光的另一個固有屬性,是獨立于強度、波長和相位的光學(xué)信息維度[6-12]。研究表明,太陽耀光具有較明顯的偏振特性[13-14],基于該特性,采用偏振自適應(yīng)濾波探測方法能夠:(1)實現(xiàn)對強背景輻射的有效抑制;(2)不受海面目標(biāo)運動的影響,不受太陽觀測相對方位角、風(fēng)速、風(fēng)向等因素影響,可實時檢測出變化的強散射背景的偏振特性,實現(xiàn)實時的偏振自適應(yīng)濾波。與常規(guī)探測方法相比,該方法能夠顯著提升海面目標(biāo)在強散射背景下的探測能力。

        本文將偏振探測技術(shù)應(yīng)用于太陽耀光背景下的海面目標(biāo)探測領(lǐng)域。詳細介紹了偏振探測系統(tǒng)的功能和組成、偏振探測及背景抑制原理;并給出了該系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計結(jié)果和偏振定標(biāo)方法;利用雙波段自適應(yīng)偏振濾波探測系統(tǒng),針對海上典型目標(biāo),開展了相關(guān)的偏振驗證實驗。

        2 偏振探測系統(tǒng)的功能和組成

        2.1 偏振探測系統(tǒng)的功能

        偏振自適應(yīng)濾波探測系統(tǒng)主要具有以下功能:(1)具備短波紅外波段偏振探測圖像的實時采集及顯示、偏振數(shù)據(jù)區(qū)域選取、數(shù)據(jù)分析及處理功能;(2)具備偏振自適應(yīng)實時濾波功能;(3)具備光強、偏振度及偏振角信息處理功能;(4)具備圖像灰度自動拉伸功能;(5)具備電動調(diào)焦功能。

        2.2 偏振探測系統(tǒng)的組成

        偏振自適應(yīng)濾波探測系統(tǒng)主要由前置光學(xué)分系統(tǒng)、偏振分析儀分系統(tǒng)、轉(zhuǎn)輪控制分系統(tǒng)和偏振探測儀分系統(tǒng)構(gòu)成。前置光學(xué)分系統(tǒng)將目標(biāo)/背景的入射輻射進行光譜分光后,分成兩路,其中可見光波段進入偏振分析儀分系統(tǒng),短波紅外波段進入偏振探測儀分系統(tǒng)。偏振分析儀與偏振探測儀同光軸,視場大小相近。偏振分析儀利用偏振探測器,能夠?qū)崟r對海面耀光的偏振特性進行測量,為偏振探測儀中的偏振片轉(zhuǎn)輪提供有效的背景抑制方向信息。偏振探測儀具有兩種工作模式:(1)當(dāng)耀光背景的偏振特性較強時,采用旋轉(zhuǎn)濾光片型的偏振探測方式,根據(jù)偏振分析儀的測量結(jié)果,利用轉(zhuǎn)輪控制分系統(tǒng)實時控制偏振片旋轉(zhuǎn)角度,改變其透偏方向,使得偏振片的檢偏方向與背景的偏振方向相垂直,從而有效抑制背景輻射,提升觀測目標(biāo)的探測對比度;(2)當(dāng)耀光背景的偏振特性較弱,且強度相對較弱時,偏振片轉(zhuǎn)輪移出光路,采用光強探測方式可最大限度地提升目標(biāo)與背景的探測對比度。轉(zhuǎn)輪控制分系統(tǒng)根據(jù)偏振分析儀測量結(jié)果和預(yù)先設(shè)置的切換閾值,實時控制轉(zhuǎn)輪機構(gòu)旋轉(zhuǎn)/移出/移入光路。整個偏振自適應(yīng)濾波系統(tǒng)的內(nèi)部組成及連接關(guān)系圖如圖1所示。

        圖1 偏振自適應(yīng)濾波系統(tǒng)的組成及內(nèi)部連接關(guān)系 Fig.1 Internal composition and connection in polarization adaptive filtering system

        3 偏振探測及背景抑制原理

        太陽耀光的入射輻射能量可以表示為斯托克斯矢量形式S=(S0,S1,S2,S3)T,其中,分量S0表示光強,分量S1和S2表示線偏振分量,分量S3表示圓偏振分量。光學(xué)元件或系統(tǒng)對入射光偏振態(tài)的改變可用4×4穆勒矩陣M描述,假設(shè)第i次探測時,偏振成像探測系統(tǒng)的穆勒矩陣為:

        (1)

        則探測器獲得的光強為:

        Ii=Mi10S0+Mi11S1+Mi12S2+Mi13S3,

        (2)

        若采用具有不同偏振傳輸特性的成像通道進行N次(N次分時探測或N通道探測)成像探測,獲得的光強為:

        I=(I1,I2,…,IN)T.

        (3)

        將N次探測過程表示為矩陣形式:

        (4)

        其中,W為偏振探測系統(tǒng)的探測矩陣,通過求解W的逆矩陣W-1即可獲得入射光的斯托克斯矢量:

        S=W-1I.

        (5)

        根據(jù)斯托克斯矢量中前三項S0、S1、S2因子,即可得到目標(biāo)圖像的偏振度DoLP和偏振角AoP信息,表示如下:

        (6)

        (7)

        根據(jù)偏振度DoLP分析結(jié)果,控制偏振轉(zhuǎn)輪移入/移出光路。移入時,將旋轉(zhuǎn)偏振片角度調(diào)整到AoP+90°方向,即可實現(xiàn)對海面太陽耀光的有效抑制。

        4 光學(xué)設(shè)計結(jié)果

        偏振自適應(yīng)濾波探測系統(tǒng)中,全部鏡片均采用球面鏡設(shè)計,最終設(shè)計結(jié)果如圖2所示。

        圖2 偏振系統(tǒng)光路示意圖 Fig.2 Optical path schematic of polarization system

        系統(tǒng)主口鏡為150 mm,入射光線經(jīng)過主鏡、次鏡、三鏡和四鏡反射后,經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡,平行入射至分色鏡表面,將光路分成0.5~0.85 μm和0.9~1.7 μm兩個波段。每組光路又分別經(jīng)過各自的成像鏡組進行成像探測。

        圖3 偏振分析儀點列圖 Fig.3 Spot diagram of polarization analyzer

        圖4 偏振探測儀點列圖 Fig.4 Spot diagram of polarization detector

        圖5 偏振分析儀MTF曲線圖 Fig.5 MTF of polarization analyzer

        采用系統(tǒng)不同波長處的點列圖和MTF(調(diào)制傳遞函數(shù))對系統(tǒng)成像質(zhì)量進行評價。圖3為偏振分析儀在0.5、0.6和0.7 μm對應(yīng)的點列圖。圖4為偏振探測儀在0.9、1.3和1.7 μm對應(yīng)的點列圖。圖5和圖6分別為偏振分析儀和偏振探測儀的MTF曲線圖。由圖5、圖6可知,在滿足各自探測器奈奎斯特采樣頻率的條件下,MTF平均值(子午面和弧矢面MTF的平均值)均大于0.45,滿足應(yīng)用要求,表明光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量良好。偏振分析儀和偏振探測儀所對應(yīng)的探測視場分別為0.8°和0.5°。

        圖6 偏振探測儀MTF曲線圖 Fig.6 MTF curves of polarization detector

        5 試驗結(jié)果及分析

        利用偏振自適應(yīng)濾波探測系統(tǒng),搭載望遠鏡跟蹤試驗平臺,針對海上靜止和運動目標(biāo),分別開展了抑制太陽耀光的偏振驗證實驗。實驗中采用C++高級程序語言,對相機采集程序和轉(zhuǎn)輪控制程序進行二次開發(fā)。利用偏振分析儀的探測矩陣,實時解算目標(biāo)偏振特性信息,并利用偏振探測儀的探測矩陣,解算偏振片旋轉(zhuǎn)角度,進而完成對太陽耀光的抑制及抑制圖像的采集。

        針對海面靜止目標(biāo),典型結(jié)果如圖7所示。可見,經(jīng)過偏振分析儀的探測,背景海面耀光的偏振度約為0.4。對比圖7(a)和圖7(b)發(fā)現(xiàn),通過改變偏振片角度,能夠?qū)μ栆獾墓鈴娺M行調(diào)制和抑制;在降低太陽耀光的情況下,目標(biāo)船的細節(jié)特征能夠有效凸顯。

        圖7 靜止目標(biāo)抑制效果比對圖 Fig.7 Comparison of suppression effects for static target

        海面運動目標(biāo)從非耀光區(qū)進入耀光區(qū),由于目標(biāo)運動速度快,觀測時間短,探測過程中通常采用固定積分時間。本文考察了使用固定積分時間,利用非偏探測手段與非偏和偏振手段相結(jié)合的效果對比。結(jié)果分別如圖8和圖9所示。數(shù)據(jù)分析結(jié)果見表1。由表1可見,在整個目標(biāo)觀測區(qū)域內(nèi),采用偏振探測手段能夠顯著抑制太陽耀光,提升目標(biāo)探測對比度;從非耀光區(qū)到耀光區(qū),采用偏振技術(shù)能夠?qū)Ρ榷缺3衷谝粋€合理的范圍,能夠有效解決固定積分時間下,不同觀測區(qū)域成像對比度差異大的問題,以及非耀光區(qū)對比度不明顯或耀光區(qū)背景飽和的問題。

        圖8 采用非偏探測時運動目標(biāo)非耀光區(qū)和耀光區(qū)非偏效果比對圖 Fig.8 Comparison of moving target on the non-glare zone and glare zone(non-polarized) by using non-polarization detection

        圖9 采用非偏探測與偏振探測相結(jié)合時運動目標(biāo)非耀光區(qū)和耀光區(qū)偏振效果比對圖 Fig.9 Comparison of moving target on the non-glare zone and glare zone(polarized) by combining non-polarizaion and polarization detection technology

        表1 數(shù)據(jù)分析結(jié)果

        實驗過程中,儀器對太陽耀光的觀測俯仰角約為-2°,根據(jù)不同的觀測方位角,利用偏振分析儀測得的太陽耀光偏振度變化區(qū)間為0.2~0.3。針對動目標(biāo)的實驗過程中,由于太陽耀光偏振特性的連續(xù)變化,且變化量較小,所以控制偏振片旋轉(zhuǎn)角度的響應(yīng)時間近似為實時。

        6 結(jié) 論

        本文針對海面目標(biāo)探測時對太陽耀光背景的抑制需求,設(shè)計并構(gòu)建了一套雙波段自適應(yīng)偏振濾波探測系統(tǒng)。將該系統(tǒng)搭載于望遠鏡跟蹤試驗平臺,以海上典型目標(biāo)為對象,開展了相關(guān)的偏振驗證實驗。實驗結(jié)果表明:海面太陽耀光存在比較明顯的偏振特性,在精確測得耀光偏振度和偏振角的基礎(chǔ)上,能夠利用偏振探測技術(shù)有效抑制太陽耀光的影響,可確保耀光區(qū)內(nèi)的靜止目標(biāo)及運動目標(biāo)在觀測區(qū)域內(nèi)的有效探測。

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