趙永強，馬位民，李磊磊

(1. 西北工業(yè)大學 深圳研究院·深圳·518057；2.哈爾濱商業(yè)大學 計算機與信息工程學院·哈爾濱·150028)

0 引 言

傳統(tǒng)的紅外成像探測系統(tǒng)主要是獲取所觀測場景的紅外熱輻射，利用目標與背景的輻射強度差異，將目標從背景中進行區(qū)分,進而實現(xiàn)對目標的檢測、識別與跟蹤[1]。由于紅外探測技術(shù)隱蔽性好、成像距離遠，并且能夠在一定程度上消除大氣的干擾，對于觀測遮蔽物下的目標具有很強的環(huán)境適應性，是現(xiàn)代戰(zhàn)爭中強有力的偵查手段[2]。然而，隨著新型紅外偽裝涂料及相關(guān)紅外隱身設計技術(shù)的發(fā)展，目標表面的熱輻射特征被極大地削弱，降低了目標與背景的熱輻射差異；同時，誘餌、海雜波等大大削弱了目標與背景的紅外輻射差異，使得應用傳統(tǒng)的紅外探測手段很難有效地檢測目標[1,3]。

傳統(tǒng)紅外探測技術(shù)僅僅獲取了目標輻射的強度特征，僅為輻射偏振態(tài)的一個特例。目標輻射的偏振態(tài)變化與其表面狀態(tài)和固有屬性密切相關(guān)，能提供遠比強度特征更為豐富的信息。不同類型的目標具有不同的偏振特性[3]。在紅外成像探測中，利用目標輻射的偏振特征，能有效抑制背景雜波，提高目標與背景的對比度，增加目標物的信息量，有利于目標檢測和識別，能夠提高熱像儀對溫差小或熱對比度低的目標的探測識別能力，可減少紅外偏振特性較弱的背景的干擾[4-5]。在相同的干擾條件下，紅外偏振成像系統(tǒng)的作用距離比傳統(tǒng)紅外強度成像系統(tǒng)的作用距離更大。在同一探測距離下，紅外偏振成像的探測效果更好[6]。

針對紅外偏振成像探測的研究盡管取得了不少成果[1-11]，但至今尚未形成成熟的理論框架，絕大部分研究工作都是針對特定的探測系統(tǒng)或特定的場景展開的。隨著紅外偏振成像優(yōu)勢的逐漸體現(xiàn)，需要對如何利用輻射的偏振特征、在什么情況下利用輻射的偏振特征等方面給出相關(guān)的理論說明。本文基于近年來的工作，結(jié)合國內(nèi)外最新發(fā)展，在本論文的第二部分對紅外偏振成像系統(tǒng)的優(yōu)缺點和未來的發(fā)展方向給出了一些意見和建議。論文的第三部分，對于不同目標的輻射偏振特性進行了理論及實驗分析，詳細分析了影響偏振探測性能的各種因素。論文的第四部分結(jié)合具體的應用，分析了紅外偏振成像探測如何增強目標的可探測性和探測距離，對在什么情況下應利用輻射的偏振特征給出了建議。

1 紅外偏振探測機理

光波是橫波，其電矢量振動面和傳播方向互相垂直，電矢量振動方向相對于傳播方向的不對稱性為偏振(polarzation)。由菲涅爾反射定律可知，當非偏振光從光滑表面反射時會產(chǎn)生部分偏振光[1]。由能量守恒定律和基爾霍夫定律可知，不透明物體的熱輻射同樣具有偏振性[4-7]，這也正是紅外偏振探測的理論依據(jù)。

在光學偏振探測領(lǐng)域，常采用Stokes矢量(S0,S1,S2,S3)來描述物體反射/輻射光的偏振態(tài)。其中，S0表示光的總強度，S1表示水平方向上線偏振光的強度，S2表示45度方向上線偏振光的強度，S3表示圓偏振光的強度[8-9]。檢偏器透光軸在方位角選取0o、45o、90o、135o時，能夠獲得對應的強度值I0、I45、I90、I135，以及通過旋轉(zhuǎn)波片獲取左旋和右旋光的強度Ilc、Irc。利用這些信息，可以計算出目標輻射的Stkoes參數(shù)

(1)

利用Stokes矢量可以計算得到目標輻射的線偏振度(Degree of Linear Polarization, DoLP)、偏振相角(Angle of Polarization, AOP)

(2)

(3)

需要指出的是，大多數(shù)目標和背景的圓偏振分量均很小，在紅外偏振成像探測系統(tǒng)中常取S3=0。

1.1 典型的紅外偏振成像技術(shù)

為了獲取目標偏振信息量，目前已發(fā)展了多種偏振成像技術(shù)。根據(jù)獲取I0、I45、I90、I135圖像方式的差異，偏振成像技術(shù)大致可分為如下四類[11-13]：

(1)分時偏振成像裝置。通過機械旋轉(zhuǎn)偏振光學元件或電調(diào)諧液晶原件,實現(xiàn)檢偏器透光軸方位角的調(diào)節(jié)。機械旋轉(zhuǎn)方式簡單直接，但需采用運動部件，因而其體積、質(zhì)量、環(huán)境適應能力限制了它的應用。相比機械旋轉(zhuǎn)方式，液晶原件的體積和質(zhì)量大大減小,但液晶對光的強衰減導致了其探測距離極其有限，圖像噪聲較大。同時，時序型的工作方式使其無法獲得運動目標的偏振圖像，無法在運動載體上實現(xiàn)針對目標的觀測。

(2)分振幅型偏振成像裝置。采用分束器將入射光分為3路或4路，后接相應個數(shù)的探測器。在各個探測器前加置不同透光軸方位角的檢偏器，實現(xiàn)偏振信息的同時獲取。系統(tǒng)采用多光路多探測器的方式工作，體積龐大，結(jié)構(gòu)復雜，需要復雜的校正和標定程序。

(3)分孔徑型偏振成像裝置。利用微透鏡陣列將入射光分為4個部分，通過將1個探測器分為4個區(qū)域，實現(xiàn)同一探測器接收，通過簡單計算實現(xiàn)偏振成像。系統(tǒng)采用多光路單探測器方式工作，而不同檢偏器透光軸方位角對應的圖像存在空間和視角差異，配準、校正和標定程序比較復雜。

(4)分焦平面型成像裝置。直接在探測器焦平面的每個像元前加入微型偏振片，每2×2像素范圍內(nèi)的4個不同透光軸方位角的微偏振單元構(gòu)成1個超像素，以實現(xiàn)實時偏振探測。這種方式能夠?qū)崟r實現(xiàn)偏振成像，確保每次測量均是在相同的光照和輻射條件下進行，克服了分時偏振成像設備的缺點，具有實時性好、體積小、質(zhì)量小、結(jié)構(gòu)緊湊、集成度高等優(yōu)點，可用于快速變化目標的檢測與跟蹤等。西北工業(yè)大學已研制出了長波紅外分焦平面成像裝置，其在眾多機構(gòu)中得到了應用。在該成像方式中，焦平面響應的非線性和偏振片陣列的非一致性相互耦合，對于系統(tǒng)的校正提出了很高的要求。同時，每1個超像素中不同透光軸方位角的微偏振單元存在視場差異，其所產(chǎn)生的瞬時視場誤差很難被消除[14]。

1.2 仿生偏振視覺

在偏振成像過程中執(zhí)行的一次偏振濾波極大削弱了進入探測器的能量，同時由于現(xiàn)有偏振成像技術(shù)的缺陷，使所獲得圖像在時間分辨率、空間分辨率、偏振分辨率、圖像的信噪比等方面存在不足，限制了紅外偏振成像探測技術(shù)進一步的工程應用。另一方面，目標輻射的偏振特征與波長密切相關(guān)，發(fā)展可同時獲取光譜和偏振信息的多光譜偏振成像儀對于進一步提高目標檢測、識別的性能而言具有很大的幫助作用，但這又給現(xiàn)有的偏振成像技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。

近年來,學者研究發(fā)現(xiàn),很多生物具有偏振感知(Polarization Sensitivity)或偏振視覺(Polari-zation Vision)能力，典型的生物包括螳螂蝦、烏賊、水蠆、沙蟻、蜜蜂等[1，15-16]。偏振感知是指對視覺區(qū)域內(nèi)的一個物體或區(qū)域內(nèi)的偏振光敏感(如從水面上反射的光、水底環(huán)境的偏振光、大氣環(huán)境光等)，而偏振視覺是能夠區(qū)別光波的電場方向、進而識別偏振百分比的能力，即能夠察覺到線偏振度。作為多種海洋和陸地生物特有的視覺特性，偏振視覺能夠有效地補充人類感知能力的缺陷，近年來得到了仿生學和機器視覺領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。

大量的研究表明[16-17]，螳螂蝦、烏賊、水蠆等水生生物具有對環(huán)境中的偏振光敏感的獨特結(jié)構(gòu)，并能分析光的偏振特性。螳螂蝦以此來檢驗和識別其所感興趣的目標；陸地昆蟲或遷徙鳥類能感知環(huán)境中偏振光的強度和方向的分布模式，并利用其來實現(xiàn)導航定位。通過對螳螂蝦、水蠆等水生生物的復眼中的單眼視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)進行研究發(fā)現(xiàn)，其視網(wǎng)膜中的多個感桿束(Rhabdom)、網(wǎng)狀細胞(Retinular Cell)的光譜響應特性范圍為300nm～700nm，帶寬范圍為30nm～60nm，同時不同類型的感桿束具有不同的偏振敏感特性，通過調(diào)節(jié)微絨毛可以感知任意振動方向的偏振光。螳螂蝦、水蠆等水生生物的視神經(jīng)系統(tǒng)還具有特殊的偏振編碼能力，使得其能感知到高分辨率的多波段偏振信息[18-19]。水蠆的單眼組織結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水蠆的單眼組織結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Dobson monocular organizational structure

在生物多波段偏振視覺的啟示下，通過研究生物偏振視覺感知單元的結(jié)構(gòu)及信息處理機制并結(jié)合人類視覺感知的特點，研制新一代的多波段偏振成像設備已成為了重要的研究方向之一。西北工業(yè)大學首次在該領(lǐng)域做出了嘗試，并研制出了仿生多波段偏振視覺系統(tǒng)，如圖2所示。該系統(tǒng)在所獲取偏振圖像的空間分辨率、時間分辨率、偏振分辨率、視場角等方面均具有以上4種偏振成像方式所無法比擬的優(yōu)勢。通過引入生物復眼光路和壓縮傳感技術(shù)，可以在降低數(shù)據(jù)率的同時大幅度提高探測視角、增強檢測的實時性，以使得多波段偏振成像技術(shù)可被更好地應用于高速運動平臺上。

圖2 仿生多波段偏振視覺系統(tǒng)Fig.2 Bionic multiband polarimetric vision system

2 目標紅外偏振特性分析

目標反射、輻射的偏振態(tài)與其表面狀態(tài)和固有理化屬性密切相關(guān)，不同類型的目標具有不同的偏振特性。地球表面和大氣中的目標，在輻射電磁波的過程中，都會產(chǎn)生由目標物本身構(gòu)成材料的理化特征、粗糙度、含水量等決定的偏振特征。實驗結(jié)果表明，不同材質(zhì)物體的熱輻射偏振特性存在較大差異。在自然環(huán)境中，地物的紅外偏振度一般小于1.5%，只有水體的偏振度較強，可達8%～10%。軍事目標等人工目標一般有較強的熱輻射偏振特性，如飛機坦克的偏振度達到了2%～7%。人工建筑的偏振度在1.5%以上[20-21]。這一特性表明，紅外偏振探測系統(tǒng)可在復雜自然景物背景中區(qū)分有用的信息，探測人造軍事目標，以達到目標探測和識別的效果，有助于提高人類對目標進行探測識別的能力。

2.1 目標紅外偏振特性分析

根據(jù)菲涅爾定律和基爾霍夫熱輻射定律，熱輻射也會表現(xiàn)出偏振效應[7-8,10]。物質(zhì)紅外熱輻射在2個正交的偏振方向的理論表達式如下[10]

Ip(θ)=εp(n,θ)P(Tm,8,14)+ρp(n,θ)P(Tbgd,8,14)
Is(θ)=εs(n,θ)P(Tm,8,14)+ρs(n,θ)P(Tbgd,8,14)

(4)

IP(θ)和IS(θ)分別為從物體輻射來的在水平和垂直方向上的總能量，P(Tm,8,14)為物體輻射在8μm～14μm熱紅外波段的能量和，它與物體的自身溫度Tm有關(guān)。P(Tbdg,8,14)為物體反射的在這一波長區(qū)間內(nèi)的背景的輻射能量和。εS(n,θ)為水平方向的輻射率，εp(n,θ)為垂直方向的輻射率，ρS(n,θ)為水平方向的反射率，ρp(n,θ)為垂直方向的反射率。

針對紅外偏振的自發(fā)輻射，根據(jù)偏振度的定義，自發(fā)輻射的偏振度可以表示為

(5)

由基爾霍夫定律，在同一溫度下目標的光譜發(fā)射率等于吸收率α(T,λ,φ)，即有

εp(T,λ,φ)=αp(T,λ,φ)

(6)

εs(T,λ,φ)=αs(T,λ,φ)

(7)

由能量守恒定律

αp(T,λ,φ)=1-ρp(φ,n,k)

(8)

αs(T,λ,φ)=1-ρs(φ,n,k)

(9)

可得偏振度為

(10)

其中，ρs(φ,n,k)、ρp(φ,n,k)分表代表s方向和p方向的菲涅爾反射系數(shù)。由菲涅爾公式[1]可知

(11)

(12)

(13)

(14)

其中，n和k為目標的輻射率的實部和虛部，φ為輻射角。圖3所示分別為金屬鋁、玻璃的自發(fā)輻射在s方向和p方向的發(fā)射率ρs(φ,n,k)和ρp(φ,n,k)隨觀測角的變化曲線。

(a)鋁

(b)玻璃圖3 理想光滑表面自發(fā)輻射的發(fā)射率與觀測角的關(guān)系Fig.3 Relationship between emissivity and observation angle for ideal smooth surface

從圖3可以看出，金屬鋁和玻璃在s方向和p方向上的發(fā)射率存在差異，在兩個方向上光的振幅存在差異，這造成了紅外輻射的偏振效應。在不同的觀測角下，紅外輻射的偏振度有所不同。在同一觀測角下，金屬鋁在s方向和p方向上的發(fā)射率的差異大于玻璃在s方向和p方向上的發(fā)射率的差異。因此，金屬鋁比玻璃的偏振度更大[22]。

2.2 影響目標紅外偏振特性的因素

多年來，人們在偏振成像探測技術(shù)研究方面開展了大量的理論和試驗研究，取得了很大進展。研究結(jié)果表明，目標的反射輻射和自發(fā)輻射都含有偏振信息，其中觀測角、目標表面粗糙度、目標材料等對目標偏振探測有很大影響。

(1)觀測角：Goldstein[23]、Wolff[24]、Gurton[25]等通過對不同物質(zhì)在各種條件下進行實驗觀測，說明了當觀測角增加時，目標的偏振度也會增加；當反射率降低時，目標的偏振度也會增加。圖4所示為鋁在紅外波段(波長為3μm)時偏振度隨觀測角的變化曲線。

圖4 在波長為3μm時金屬鋁和玻璃紅外輻射偏振度隨觀測角的變化 Fig.4 Relationship between emissivity and observation angle for aluminum on 3μm

(2)目標材料：Jordan[26]等對不同粗糙度的鋁板和鈉鈣玻璃的紅外發(fā)射輻射偏振度做出了測量，結(jié)果表明兩種樣品的偏振度隨觀測角的增加而有所增加，隨樣品粗糙度的增加而迅速降低；同時，Jordan等也發(fā)現(xiàn)這兩種材料在相同條件下的偏振態(tài)也有很大差別。Gurton[25]等利用傅里葉變換紅外偏振光譜儀，測量了不同粗糙度表面的復折射率材料的熱紅外偏振參數(shù)。實驗結(jié)果表明，不同粗糙度的材料樣品的紅外光譜偏振度有所差異；隨著觀測角的增加，樣品的紅外光譜偏振度增大；不同材料的紅外偏振特性各不相同。圖4所示為金屬鋁和玻璃在紅外波段(波長為3μm時)偏振度隨觀測角變化的曲線[22]。

(3)目標表面粗糙度：Wolff[24]對金屬和塑料的偏振特性進行了實驗研究，使用偏振成像的方法消除了背景的影響。研究發(fā)現(xiàn)，目標的表面粗糙度是決定目標偏振特性的重要因素。Wolff指出，由粗糙度表面發(fā)射的是部分偏振輻射，其發(fā)射的偏振度也是較大的。在具有相同粗糙度的表面，不同材料的長波紅外偏振特性各不相同。

(4)綜合因素：Zhao[1]等通過理論和實驗研究，得出了絕緣體和金屬材料的偏振度和偏振相角隨觀測角的變化規(guī)律，同時通過圖像融合，有效地檢測出了目標。

3 紅外偏振成像的應用

3.1 偏振特征對提升探測性能的作用

相關(guān)實驗研究結(jié)果證明，偏振成像技術(shù)能夠有效抑制背景噪聲，提高目標與背景的對比度，減小紅外偏振特性較弱背景的干擾，從而在雜亂的背景中增強對目標的識別效果[1]；針對小溫差或低熱對比度目標的探測識別，目標與背景紅外偏振特性的差別將導致偏振對比度的明顯差異，利用紅外偏振成像技術(shù)能夠增加對物體的識別距離[4-6]。

3.2 紅外偏振成像應用

根據(jù)已有的紅外偏振成像探測的應用領(lǐng)域及實驗分析可以獲悉，在如下三種情況下，應用紅外偏振成像可大幅度提高所獲取圖像的信雜比/信背比，相關(guān)數(shù)據(jù)均由西北工業(yè)大學所研制的長波紅外分焦平面成像裝置采集[22]，成像裝置如圖5所示。

圖5 分焦平面偏振成像系統(tǒng)Fig.5 DFP polarimetric imaging system

3.2.1 處于雜亂自然背景中的目標檢測

自然背景(如草叢、樹木等)具有非常弱的偏振特性，而車及其他人造目標通常具有較強的偏振特性。在無偏圖像中，對于樹木后面的車這個檢測目標而言，由于其距離較遠，目標在圖中并不明顯。通過紅外偏振濾波能夠弱化自然背景的亮度，進而凸顯出目標。因此，對于處于雜亂背景中的目標，利用偏振紅外成像技術(shù)能夠有效地提高信雜比，提高目標檢測的可靠性[22]。

如圖6所示，在高溫天氣下，人和背景樹的溫度差異很小，處于樹林中的車在無偏紅外圖像圖6(a)中很難被辨別。但是，由于車與樹的熱輻射在偏振特性方面具有較大差異，通過紅外偏振成像圖6(b)可以有效地辨別出目標。

3.2.2 水面目標檢測

水面小目標在紅外成像過程中，往往會受到水雜波的影響。同時，在紅外波段，太陽耀光依然對水體的發(fā)射輻射有影響，而這種影響主要是在鏡面反射中體現(xiàn)的，進而產(chǎn)生由水面特征決定的偏振光。偏振成像可以有效抑制水體雜波，準確區(qū)分海天線。如圖7所示，由于雜波的影響及目標與水體溫度相近，很難從無偏紅外圖像中判別出目標。水體的紅外偏振特性與目標的紅外偏振特性有很大的差異，體現(xiàn)在紅外偏振圖像中，表現(xiàn)為目標與背景的信背比很高，目標很容易被辨別。

(a) S0圖像

(b) 偏振偽彩色融合圖像圖6 處于自然背景中的目標紅外偏振圖像Fig.6 Polarimetric infrared image for the target in clutter

(a) S0圖像

(b)偏振偽彩色融合圖像圖7 水面目標的紅外偏振圖像Fig.7 Polarimetric infrared image for the target in water

3.2.3 道路檢測

在道路檢測過程中，道路周邊的草叢、樹木等自然場景具有非常弱的偏振特性，但是道路為人造目標，其表面光滑平整，表現(xiàn)出了很強的偏振特性。利用不同物體對輻射偏振特征影響的差別，可以凸顯出偏振特性明顯的目標。如圖8所示，由于道路周邊環(huán)境的影響及道路與路邊草叢溫度接近，從圖8(a)紅外強度圖像中很難區(qū)分出道路與周圍草叢。但是，草叢的紅外偏振特性與道路的紅外偏振特性存在很大差異，通過圖8(b)的紅外偏振圖像，可以很容易辨別出道路。

(a) S0圖像

(b)偏振偽彩色融合圖像圖8 道路的紅外偏振圖像Fig.8 Polarimetric infrared image for the target in road

4 結(jié) 論

作為一種新型的光電探測技術(shù)，紅外偏振成像探測在軍事和民用領(lǐng)域中均展現(xiàn)出了廣闊的應用前景，受到了國內(nèi)外眾多學者和有關(guān)部門的高度關(guān)注。本文對近幾年紅外偏振成像探測技術(shù)的理論、系統(tǒng)、應用等方面進行了總結(jié)，通過實驗仿真和實際拍攝的紅外偏振圖像對紅外偏振成像探測技術(shù)的發(fā)展動向、存在問題和解決思路給出了系統(tǒng)的綜述。盡管紅外偏振成像技術(shù)已被成功應用于多個領(lǐng)域，但其目前在理論上尚未形成統(tǒng)一的框架，而在實際系統(tǒng)設計中則缺乏有效的指導原則。