張 哲， 劉欣悅， 王建立， 姚凱男， 李天賜

(1. 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春 130033；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100039)

1 引 言

作為電磁輻射的一種，紅外輻射存在于周圍各事物中，其包含了偏振特性、輻射強(qiáng)度等重要信息。目前，紅外成像技術(shù)已廣泛應(yīng)用于國防、商業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域。其中在8～12 μm的長波波段，屬于地物(包括人造物)的發(fā)射波譜，在晝夜戰(zhàn)場偵察、人臉識別、高溫目標(biāo)識別等方面有重要意義。但由于長波紅外成像技術(shù)僅利用了輻射強(qiáng)度信息，而長波紅外偏振成像技術(shù)既可以探測到目標(biāo)與背景的輻射強(qiáng)度，又可以探測到代表目標(biāo)景物特性的偏振信息[1-2]，由于不同類型的目標(biāo)具有不同的偏振特性，所以可實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜地物背景下，弱化背景噪聲，提高探測與識別能力。因此國內(nèi)外對此做了很多相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究，近幾十年在我國也逐步受到重視[3-5]。

早在20世紀(jì)，國外就已開始了從可見光波段偏振成像到紅外偏振成像技術(shù)的研究。在國外，2001年，F(xiàn)orssell等開始進(jìn)行長波范圍的地雷探測；2002年，Tan等人對空間物體進(jìn)行長波波段的識別研究；2006年，Tyo等人發(fā)現(xiàn)利用長波紅外偏振探測技術(shù)可以識別出雜亂背景中的車輛。至今，國外的長波紅外偏振成像技術(shù)一直走在前沿。在國內(nèi)，雖然起步較晚，但以安徽光機(jī)所及西北工業(yè)大學(xué)等為代表，已利用長波熱紅外偏振成像探測系統(tǒng)，對自然背景和偽裝目標(biāo)進(jìn)行了相關(guān)偏振成像研究[6-7]；其中，北京理工大學(xué)王霞等人對高溫目標(biāo)進(jìn)行陸地探測，并發(fā)現(xiàn)長波波段對高溫目標(biāo)偏振成像的優(yōu)勢[8]。

紅外偏振成像系統(tǒng)可分為4種類型，有體積較大的分振幅型偏振成像系統(tǒng)；還有體積小，但是離軸系統(tǒng)，光學(xué)設(shè)計(jì)復(fù)雜的分孔徑型偏振成像系統(tǒng)；以及將微偏振元器件集成到探測器像素上但會犧牲空間分辨率的分焦平面型偏振成像系統(tǒng)。本文選取的是裝置結(jié)構(gòu)最簡單緊湊、數(shù)據(jù)容易處理、精度較高以及成本較低的分時(shí)型長波紅外偏振成像系統(tǒng)，但該系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)在同一時(shí)刻對目標(biāo)成像，所以不利于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的探測[9-14]。

為了解決分時(shí)型結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)性較差的問題，本文基于紅外偏振探測原理，在8～12 μm的長波紅外波段，采用超高速高定位精度旋轉(zhuǎn)輪，搭建了分時(shí)型長波紅外高幀頻偏振成像裝置，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行高溫目標(biāo)動(dòng)態(tài)探測實(shí)驗(yàn)。對系統(tǒng)完成選型、搭建，得到目標(biāo)的實(shí)時(shí)偏振度視頻數(shù)據(jù)，并可同時(shí)顯示出目標(biāo)的紅外熱視頻，實(shí)現(xiàn)對比結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，分時(shí)型成像裝置可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)目標(biāo)的準(zhǔn)實(shí)時(shí)偏振探測，并體現(xiàn)出長波紅外偏振成像獨(dú)特的優(yōu)勢與特點(diǎn)。

2 基本原理

2.1 Stokes公式

依據(jù)電磁學(xué)理論，光波屬于橫波，因此會出現(xiàn)偏振現(xiàn)象。偏振光的描述方式主要為兩種，瓊斯矢量和斯托克斯矢量。其中斯托克斯矢量利用4個(gè)光強(qiáng)度的時(shí)間平均值來表示偏振光，可直接被探測測量，表示為：

(1)

其中：s0表示入射光強(qiáng)，s1為水平方向的線偏振分量，s2為45°方向的線偏振分量，s3與圓偏振有關(guān)。

圖1 長波紅外偏振成像過程圖Fig.1 Imaging process diagram of long wave infrared polarization

2.2 測量原理

為了描述出射光的偏振態(tài)變化，在光的傳輸過程中，用4×4的米勒矩陣表示偏振元件的傳輸矩陣。假設(shè)入射輻射斯托克斯矢量為S，出射輻射的斯托克斯矢量為S′，它們之間的數(shù)學(xué)關(guān)系可以寫作：

S′=M×S，

(2)

本文采用一個(gè)線偏振片為基礎(chǔ)的線偏振測量系統(tǒng)，其出射光的Stokes矢量可表示為：

S′=Mα×S，

(3)

其中：Mα為理想線偏振片的穆勒矩陣，α表示偏振片透射方向與參考方向之間的角度。

(4)

由于成像探測器只能探測到輻射強(qiáng)度，即總光強(qiáng)的大小，所以只有Stokes的第一個(gè)參量可已被直接探測，經(jīng)過計(jì)算：

(5)

在實(shí)際的探測過程中，圓偏振分量相比于線偏量較小，所以不列入考慮，即令s3=0。從表達(dá)式(5)中得知，有3個(gè)未知量需要求出，為了使計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確，選取測量4個(gè)角度的方法，即只需測量出0°，45°，90°，135° 4個(gè)角度方向的光強(qiáng)，即可計(jì)算出s0、s1和s2，進(jìn)而根據(jù)公式推算出偏振度和偏振角等相關(guān)參數(shù)。

3 長波紅外偏振成像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)選取了裝置結(jié)構(gòu)最簡單緊湊、數(shù)據(jù)容易處理、精度較高的分時(shí)型長波紅外偏振成像系統(tǒng)。為了解決分時(shí)型長波紅外偏振成像結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)性較差的問題，采用高速旋轉(zhuǎn)輪帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)偏振片，通過鏡頭成像在長波非制冷焦平面探測器上，來采集不同角度的偏振光強(qiáng)圖像，進(jìn)而解算出偏振度，實(shí)現(xiàn)線偏振測量。

因此，本文實(shí)驗(yàn)裝置主要由高速旋轉(zhuǎn)輪帶動(dòng)的偏振片、物鏡以及探測器3部分組成。結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 偏振成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Polarization imaging system structure

就本文選取的分時(shí)型長波紅外線偏振成像系統(tǒng)，由于它是在離散時(shí)間下獲取不同偏振方向的圖像，探測時(shí)間較長，如果測量動(dòng)態(tài)目標(biāo)就會帶來偏差信息，因此傳統(tǒng)裝置較適合靜態(tài)測量。為了能夠?qū)崿F(xiàn)本文的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，?zhǔn)確測量運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的偏振度圖像，需要實(shí)現(xiàn)偏振片的準(zhǔn)確定位和穩(wěn)定停頓，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)同步性。因此綜合考慮后，選購了FLI公司的高速旋轉(zhuǎn)輪，如圖3所示，其采用集成電子技術(shù)，可以快速改變光學(xué)元件的取向變化 ，并精確計(jì)時(shí)，所需的變化時(shí)間曲線由圖4給出，技術(shù)參數(shù)由表1給出。

圖3 旋轉(zhuǎn)輪實(shí)物圖Fig.3 Rotating wheel map

圖4 定向變化時(shí)間曲線Fig.4 Orientation change time curve

長波紅外偏振片定制于美國Thorlabs公司，類型為硅基底線柵偏振片，具有高消光比，實(shí)物圖及技術(shù)參數(shù)如圖5和表2所示。

表1 高速旋轉(zhuǎn)輪的主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of high speed rotating wheel

圖5 長波紅外偏振片F(xiàn)ig.5 Long wave infrared polarizer

Tab.2 Main technical parameters of long-wave infrared polarizer

尺寸類型材料消光比?12.5 mm金屬柵硅>10 000

實(shí)驗(yàn)采用非制冷探測方式，且基于動(dòng)態(tài)目標(biāo)探測的目的，選購了可實(shí)時(shí)錄制/傳輸/分析，可實(shí)現(xiàn)60 Hz、16 bit全溫度紅外視頻數(shù)據(jù)，并且專用于高速成像的紅外相機(jī)。紅外相機(jī)各技術(shù)參數(shù)見表3、表4。實(shí)物如圖6所示。

表3 長波紅外偏振探測器的主要技術(shù)參數(shù)

Tab.3 Main technical parameters of long wave infrared polarization detector

探測器類型像素像元間距波長范圍熱靈敏度非晶硅非制冷型焦平面640×48017 μm8～12 μm<80 mK

表4 長波紅外鏡頭的主要技術(shù)參數(shù)

Tab.4 Main technical parameters of long-wave infrared lens

視場焦距F數(shù)最小成像距離24.6°×18.6°25 mm1.00.3 m

圖6 長波紅外相機(jī)Fig.6 Long wave infrared camera

4 實(shí) 驗(yàn)

通過優(yōu)化長波紅外相機(jī)的操作界面功能，將高速旋轉(zhuǎn)輪與長波紅外相機(jī)進(jìn)行同步，完成同步圖像采集與處理過程，實(shí)現(xiàn)了15幀/s的目標(biāo)偏振度視頻數(shù)據(jù)采集。實(shí)驗(yàn)平臺及長波紅外相機(jī)的操作界面如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)平臺Fig.7 Experiment platform

圖8 長波紅外相機(jī)成像操作界面Fig.8 Operation interface of long wave infrared camera imaging

圖9 探測目標(biāo)區(qū)域Fig.9 Area of detection target

由于目前實(shí)驗(yàn)設(shè)備性能限制，以及長波紅外偏振極易受環(huán)境影響，因此選擇在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

首先，目標(biāo)選取高溫金屬罩暖爐，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，將暖爐預(yù)熱完畢后，關(guān)閉電源，對暖爐由熱至冷的變化過程進(jìn)行偏振度動(dòng)態(tài)探測。圖9矩形框內(nèi)為高溫測量區(qū)域，圖10為在6 s時(shí)間內(nèi)采集的90幅偏振度圖像中，其偏振度最大值的變化擬合曲線。可以看出，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了15幀/s的動(dòng)態(tài)偏振度探測，且在這個(gè)動(dòng)態(tài)過程中，隨著溫度的驟變，偏振度也會有所減小。

接著，目標(biāo)依舊選取高溫金屬罩暖爐，保持溫度不變，針對目標(biāo)實(shí)現(xiàn)紅外強(qiáng)度圖像與偏振度圖像的對比顯示。圖11為該目標(biāo)長波紅外強(qiáng)度與偏振度的視頻截圖圖像。

圖10 偏振度最大值變化擬合曲線Fig.10 Curve of variation of maximum polarization degree

由于暖爐具有較高溫度，熱輻射能量高于背景環(huán)境，與背景的對比度很高。強(qiáng)度圖像雖然可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的探測，但由于觀察的目標(biāo)區(qū)域溫差很小，使得細(xì)節(jié)模糊，很難實(shí)現(xiàn)識別功能，細(xì)節(jié)部分沒有很好顯現(xiàn)。而偏振度圖像相比紅外強(qiáng)度圖像，細(xì)節(jié)更加突出，有效提高了人造物和背景的對比度。爐身的金屬外罩的輪廓清晰可見，加熱管內(nèi)部的加熱絲以及邊緣細(xì)節(jié)信息也可明顯看出(圓圈圈出)。這進(jìn)一步證實(shí)長波紅外偏振成像技術(shù)可對高溫目標(biāo)進(jìn)行探測與識別，與紅外成像相比，紅外偏振成像提供了更多目標(biāo)的細(xì)節(jié)，證明了偏振成像在高溫目標(biāo)成像上較強(qiáng)度成像有一定的優(yōu)勢，有利于對長波紅外偏振成像應(yīng)用的進(jìn)一步探究。

(a)無偏強(qiáng)度圖像(a) Intensity image

(b)偏振度圖像(b) Polarization image圖11 金屬外罩暖爐的長波紅外偏振成像Fig.11 Long-wave infrared polarization imaging of metal cover heater

圖12 融合結(jié)果Fig.12 Fusion result

此外，通過融合算法，將紅外強(qiáng)度圖像和偏振度圖像融合，發(fā)現(xiàn)相比于融合之前的圖像，其信噪比有所提高，細(xì)節(jié)信息并沒有損失，說明通過偏振圖像的融合處理，能使偏振具有更好的成像效果，這為我們今后的偏振圖像處理提供了思路與方法。

5 結(jié) 論

本文解決了傳統(tǒng)分時(shí)型長波紅外偏振成像裝置難以高幀頻探測的問題。通過實(shí)驗(yàn)證明，針對分時(shí)型長波紅外偏振成像裝置，可以實(shí)現(xiàn)探測動(dòng)態(tài)高溫運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的偏振度圖像，并完成15幀/s的目標(biāo)偏振度探測。并進(jìn)一步證實(shí)，長波紅外偏振成像在高溫目標(biāo)識別上具有優(yōu)勢，不僅能識別目標(biāo)，而且可以提供更豐富的細(xì)節(jié)信息，抑制背景，提高目標(biāo)與背景的對比度，有利于我們對目標(biāo)場景的觀察與理解?？梢缘贸?，長波紅外偏振成像技術(shù)是對傳統(tǒng)紅外成像的一種有效的補(bǔ)充和發(fā)展，其研究對于目標(biāo)探測和識別有著重要的意義。