李艷華

（武漢輕工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北武漢 430048）

當(dāng)前，大多數(shù)成像探測(cè)系統(tǒng)是通過(guò)利用光的強(qiáng)度和光譜信息實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)。偏振成像探測(cè)是通過(guò)在成像系統(tǒng)上增加的偏振檢測(cè)裝置測(cè)試并獲取光線不同方向的偏振狀態(tài)信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)。目標(biāo)輻射的偏振態(tài)變化與其固有屬性密切相關(guān)，通過(guò)對(duì)目標(biāo)偏振信息圖像的分析計(jì)算，獲取其偏振度、偏振角等參數(shù)，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)形狀、粗糙度、介質(zhì)特性等特征的深入分析。此外，通過(guò)將目標(biāo)的偏振信息和強(qiáng)度信息融合，提供更多維度的目標(biāo)信息，可大幅提升成像探測(cè)系統(tǒng)對(duì)隱身、偽裝目標(biāo)的遠(yuǎn)距離探測(cè)識(shí)別能力。

1 偏振成像探測(cè)基本原理

根據(jù)電磁學(xué)理論，光波作為一種電磁波，除了具有波長(zhǎng)、頻率、振幅等基本屬性外，光的偏振是由其橫波特性決定的一種重要屬性。光的傳播方向與其電矢量、磁矢量相互正交，光的偏振是指電矢量的振動(dòng)相對(duì)于光傳播方向的不對(duì)稱性，可分為非偏振、部分偏振及完全偏振3種狀態(tài)。其中，自然光屬于非偏振光。

根據(jù)菲涅爾定律和基爾霍夫定律，目標(biāo)的偏振信息主要包括兩部分，即目標(biāo)表面反射輻射的偏振信息和自身熱輻射的偏振信息。

在偏振成像領(lǐng)域，一般采用斯托克斯矢量法（Stokes 矢量法）來(lái)表征反射光和輻射光的偏振信息。光的斯托克斯矢量與S 波分量振幅Ep、P 波分量振幅Es以及兩者相位差δ的關(guān)系如下：

式中，S0為光的總強(qiáng)度，S1為水平方向線偏振光強(qiáng)度，S2為45°方向線偏振光強(qiáng)度，S3為圓偏振光強(qiáng)度，I0、I45、I90、I135分別為檢偏器透光軸在方位角選取0°、45°、90°、135°時(shí)獲得的強(qiáng)度值，Irc和Ilc分別為左旋光和右旋光強(qiáng)度。

研究表明，圓偏振分量S3一般較小，實(shí)際工程應(yīng)用中可忽略不計(jì)。利用Stokes 矢量法可以計(jì)算得到目標(biāo)輻射的線偏振度DoLP（Degree of Linear Polarization）和偏振角AoP（Angle of Polarization）。

偏振成像原理如圖1所示，目標(biāo)偏振信息主要受目標(biāo)材料、表面粗糙度及觀測(cè)角等因素影響。

圖1 偏振成像原理

2 紅外偏振成像技術(shù)

紅外偏振成像系統(tǒng)的整體工作過(guò)程如圖2所示。即：計(jì)算機(jī)發(fā)送指令給控制模塊，控制模塊帶動(dòng)紅外偏振器件旋轉(zhuǎn)到指定位置，目標(biāo)場(chǎng)景光信號(hào)經(jīng)過(guò)前端光學(xué)系統(tǒng)、偏振器件等聚焦到焦平面探測(cè)器（FPA）上。紅外偏振成像儀分別對(duì)4個(gè)不同偏振態(tài)進(jìn)行成像，并將采集到的圖像信息傳輸給計(jì)算機(jī)，通過(guò)數(shù)字圖像處理解算出目標(biāo)的偏振信息，提取目標(biāo)的紅外輻射特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外場(chǎng)景目標(biāo)的偏振成像探測(cè)。上述過(guò)程涉及的關(guān)鍵點(diǎn)主要是：紅外偏振成像儀的裝配、偏振定標(biāo)、非均勻性校正及紅外偏振成像信息融合。

圖2 紅外偏振成像系統(tǒng)工作流程

與傳統(tǒng)紅外成像系統(tǒng)相比，紅外偏振成像是在其光學(xué)系統(tǒng)與焦平面探測(cè)器之間增加了紅外偏振器件，以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)偏振信息的獲取，主要獲取4個(gè)不同偏振方向下的I0、I45、I90、I135值。目前，紅外偏振成像方式主要分為分時(shí)型偏振成像（DoT）、實(shí)時(shí)型偏振成像。其中，實(shí)時(shí)型偏振成像方式根據(jù)其應(yīng)用偏振裝置的不同又可細(xì)分為分振幅型（DoAM）、分孔徑型（DoAP）、分焦平面型（DoFP）等（圖3）。其各自的工作原理及特點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 不同偏振成像系統(tǒng)工作原理及特點(diǎn)

圖3 紅外偏振成像系統(tǒng)

紅外偏振成像系統(tǒng)中，偏振器件的單元尺寸與紅外焦平面探測(cè)器的像元尺寸匹配一致，兩者裝配時(shí)需要保證精確對(duì)準(zhǔn)。然而，紅外焦平面探測(cè)器需要在深冷條件下工作，如何在常溫裝配過(guò)程中保證其低溫工作的對(duì)準(zhǔn)精度是關(guān)鍵，需要考慮材料的膨脹系數(shù)及裝配工藝等因素。同時(shí)，偏振器件與探測(cè)器焦面裝配后存在一定間距，導(dǎo)致相鄰像素間出現(xiàn)串?dāng)_，消光比下降，增加了偏振態(tài)測(cè)量的不確定性。例如，國(guó)外研究表明，對(duì)于30 μm×30 μm 的中波紅外偏振器件，當(dāng)偏振器件與探測(cè)器焦面的距離從0.5 μm 增加到1.0 μm時(shí)，消光比下降約30%[1]。像素尺寸越小，偏振器件消光比下降越顯著，串?dāng)_問(wèn)題越難解決。

偏振成像系統(tǒng)內(nèi)部的光學(xué)表面會(huì)改變?nèi)肷涔獾钠駪B(tài)，嚴(yán)重影響偏振探測(cè)精度，在偏振成像實(shí)際應(yīng)用中，必須對(duì)其進(jìn)行高精度的偏振定標(biāo)。偏振定標(biāo)相較于傳統(tǒng)輻射標(biāo)定要復(fù)雜、困難，其通過(guò)標(biāo)定成像系統(tǒng)中影響矢量輻射傳輸?shù)奈锢韰?shù)以獲取系統(tǒng)的測(cè)量矩陣。從定標(biāo)源及定標(biāo)算法的角度分類，偏振定標(biāo)可分為四點(diǎn)法和Equator-Poles（E-P）法。其中，E-P 法的定標(biāo)源偏振態(tài)更理想，可獲取更高的定標(biāo)精度。例如，Tao F 等[2]基于E-P 法設(shè)計(jì)了一種利用標(biāo)準(zhǔn)線偏振光源與圓偏振光源的定標(biāo)方法，定標(biāo)后偏振測(cè)量精度優(yōu)于1%。

紅外偏振成像系統(tǒng)的非均勻性對(duì)探測(cè)效果影響嚴(yán)重，實(shí)際應(yīng)用中需要進(jìn)行非均勻性校正。紅外偏振成像的非均勻性主要由探測(cè)器、偏振器件及光學(xué)系統(tǒng)的非均勻性耦合產(chǎn)生，尤其是偏振器件的透過(guò)率和消光比非均勻性耦合，使得偏振成像的非均勻性校正比傳統(tǒng)強(qiáng)度成像復(fù)雜。目前，針對(duì)紅外偏振成像的非均勻性校正問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外主要采用矩陣校正法。例如利用穆勒矩陣可以很好描述偏振特性的特點(diǎn)，Zhang J C等[3]提出了一種基于標(biāo)定的偏振圖像非均勻性校正方法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)非均勻噪聲圖像的較好校正。

紅外偏振成像信息融合是通過(guò)將目標(biāo)場(chǎng)景的紅外輻射強(qiáng)度圖像和其偏振圖像進(jìn)行信息融合，獲得具有豐富信息的紅外偏振圖像。該技術(shù)的核心是圖像信息融合算法，如何有效地將多幅圖像的信息進(jìn)行提取整合，從而獲得比源圖像更豐富、更有價(jià)值的信息是關(guān)鍵。根據(jù)融合目的和數(shù)據(jù)源的不同，圖像融合算法大致可分為傳統(tǒng)圖像融合法、多分辨率融合法及人工智能融合法。鑒于傳統(tǒng)圖像融合方法存在一定的缺陷（例如重要局部特征的丟失），人工智能方法尚不成熟，針對(duì)紅外偏振圖像的信息融合多采用多分辨率融合算法。圖4為離散小波變換的偏振圖像融合過(guò)程。

圖4 離散小波變換的偏振圖像融合過(guò)程

3 紅外偏振技術(shù)在成像探測(cè)中的典型應(yīng)用

對(duì)空目標(biāo)偏振成像探測(cè)方面，美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展了對(duì)小型遙控飛機(jī)在不同背景（包含天空、樹(shù)林、跑道、草地）下長(zhǎng)波紅外偏振成像實(shí)驗(yàn)，如圖5所示，在雜亂背景下長(zhǎng)波紅外偏振成像更能凸顯目標(biāo)，與傳統(tǒng)的長(zhǎng)波紅外圖像相比，其最大虛警率由0.52降為0.01，信雜比提升了3.4～35.6倍[4]。

圖5 低空小型無(wú)人機(jī)長(zhǎng)波紅外偏振成像探測(cè)實(shí)驗(yàn)

對(duì)紅外小目標(biāo)探測(cè)方面，基于人造目標(biāo)與自然背景的紅外偏振特性差異，采用基于偏振信息的小目標(biāo)檢測(cè)方法，利用紅外的偏振度信息和偏振角信息能有效地抑制背景雜波和噪聲，突出目標(biāo)信息，可解決受雜波干擾的問(wèn)題，如圖6和圖7所示[5]。

圖6 紅外強(qiáng)度圖像與偏振信息

圖7 偏振信息處理

針對(duì)紅外強(qiáng)度圖像受到復(fù)雜環(huán)境及背景影響導(dǎo)致目標(biāo)背景對(duì)比度下降而無(wú)法有效檢測(cè)目標(biāo)的問(wèn)題，研究提出了一種基于紅外偏振圖像的艦船目標(biāo)檢測(cè)方法[6]。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，共采集了86組實(shí)驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)，艦船目標(biāo)309個(gè)，紅外偏振圖像能夠有效提高目標(biāo)與背景局部對(duì)比度，有效抑制海雜波對(duì)紅外偏振圖像檢測(cè)艦船目標(biāo)帶來(lái)的不良影響，準(zhǔn)確地檢測(cè)出艦船目標(biāo)，在紅外圖像對(duì)比度低的場(chǎng)景下準(zhǔn)確率和查全率分別達(dá)到93.2%和95.7%。

針對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)，利用分時(shí)型偏振技術(shù)，以900 r/min 速度電機(jī)驅(qū)動(dòng)金屬線柵型偏振片旋轉(zhuǎn)，從而快速有效地采集目標(biāo)場(chǎng)景不同偏振方向的紅外強(qiáng)度圖像。利用該系統(tǒng)對(duì)天空中飛行的客機(jī)進(jìn)行紅外偏振成像測(cè)量，能夠穩(wěn)定獲取目標(biāo)的紅外偏振度和偏振角圖像。測(cè)試結(jié)果表明，相對(duì)于強(qiáng)度圖像，紅外偏振度和偏振角圖像的飛機(jī)輪廓更加清晰、邊緣特征更為明顯[7]。

4 結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)紅外成像探測(cè)技術(shù)主要是通過(guò)獲取所觀測(cè)場(chǎng)景的熱輻射，利用目標(biāo)與背景的輻射強(qiáng)度差異，將目標(biāo)從背景中進(jìn)行區(qū)分，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)、識(shí)別與跟蹤。作為一種新型光電探測(cè)技術(shù)，紅外偏振成像技術(shù)是對(duì)傳統(tǒng)強(qiáng)度成像的補(bǔ)充和發(fā)展，其將目標(biāo)的偏振信息和強(qiáng)度信息融合，豐富目標(biāo)更多維度的信息，可有效提升對(duì)目標(biāo)的探測(cè)與識(shí)別性能，具有廣闊的應(yīng)用前景。