馬利祥，李范鳴，牛繼勇

(中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上海200083)

1 引言

傳統(tǒng)的紅外系統(tǒng)在進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)和識(shí)別時(shí)，遇到兩方面的困難，一是背景較為復(fù)雜、目標(biāo)較弱時(shí)，難以從溫度層級(jí)多的背景中有效提取出待測(cè)目標(biāo);二是目標(biāo)經(jīng)過(guò)紅外偽裝或采用遮障時(shí)，因偽裝采用“同譜同色”原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，目標(biāo)和背景溫度相近，也會(huì)使得紅外系統(tǒng)失靈。

近年來(lái)，偏振成像探測(cè)技術(shù)作為一種重要的探測(cè)手段，引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛重視，并逐步應(yīng)用到遙感探測(cè)、軍事目標(biāo)探測(cè)中去。研究表明，地球表面和大氣中的目標(biāo)在反射紅外輻射時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生部分偏振光。根據(jù)基爾霍夫理論，目標(biāo)的自發(fā)輻射中也包含偏振信息［1－2］。偏振探測(cè)的優(yōu)勢(shì)在于，目標(biāo)偏振特性不由目標(biāo)溫度決定，而由目標(biāo)表面的粗糙度、材料、觀測(cè)角度等因素決定，因此，目標(biāo)偏振特性影響因素的研究便成為偏振成像探測(cè)的重要內(nèi)容。

本文首先介紹了偏振成像的基本理論，給出偏振測(cè)量的基本公式，構(gòu)成偏振探測(cè)的理論基礎(chǔ);然后介紹了實(shí)驗(yàn)中搭建的中波紅外偏振成像系統(tǒng);制作了不同粗糙度、不同材料的實(shí)驗(yàn)樣板，在不同的觀測(cè)角下，從實(shí)驗(yàn)的角度，分別研究了粗糙度、目標(biāo)材料和觀測(cè)角對(duì)目標(biāo)偏振特性的影響。最后給出了結(jié)論。

2 偏振探測(cè)的基本理論

2.1 偏振光的表示方法

偏振成像系統(tǒng)與傳統(tǒng)紅外系統(tǒng)在紅外輻射的表示方法上，也完全不同。在傳統(tǒng)紅外系統(tǒng)中，紅外輻射用輻射強(qiáng)度來(lái)表示。在偏振成像系統(tǒng)中，紅外輻射用斯托克斯矢量來(lái)表示。斯托克斯矢量定義為［3］:

其中，S0表示紅外輻射強(qiáng)度，因而總是正的;S1表示X方向與Y方向上的線偏振光的強(qiáng)度差，根據(jù)X方向占優(yōu)勢(shì)、Y方向占優(yōu)勢(shì)或者兩者相等，分別取值為正、為負(fù)或?yàn)榱?。S2表示方向與方向上的線偏振光的強(qiáng)度差，根據(jù)方向占優(yōu)勢(shì)方向占優(yōu)勢(shì)或者兩者相等，分別取值為正、為負(fù)或?yàn)榱?。S3表示右旋圓偏振分量還是左旋圓偏振分量占優(yōu)勢(shì)，根據(jù)右旋方向占優(yōu)勢(shì)、左旋方向占優(yōu)勢(shì)或是一樣，S3取值為正、負(fù)或零。

在成像顯示時(shí)，常選用的偏振量有偏振度、偏振角或者某個(gè)特征方向的偏振圖像。本文實(shí)驗(yàn)中選用最常用的偏振度作為成像的偏振量。

2.2 偏振測(cè)量方法

由于偏振探測(cè)中，圓偏振分量與線偏振分量相比很小，可以不考慮圓偏振分量。此時(shí)偏振度稱為線偏振度LDoP，線偏振度的公式也隨之簡(jiǎn)化為:

紅外偏振測(cè)量需要借助包含紅外偏振器件的偏振成像系統(tǒng)。在與X軸的夾角為α的方向上，觀測(cè)到的光強(qiáng)為［4］:

由式(3)可以看出，公式中包含三個(gè)變量S0，S1和S2。求解這三個(gè)斯托克斯參量，需要三個(gè)方程，因此需要選取三個(gè)α的方向，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行三次偏振測(cè)量。

實(shí)驗(yàn)中選取的是 0°、45°和 90°，將這三個(gè)角度代入公式(3)中，可以得到斯托克斯參量的求解公式為:

這樣便可以計(jì)算得到斯托克斯矢量，將斯托克斯矢量代入式(2)中，便可以得到偏振度，進(jìn)而成像顯示即可實(shí)現(xiàn)偏振成像。

3 中波紅外偏振成像系統(tǒng)

2.2節(jié)中提到偏振測(cè)量需要借助偏振系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)中，設(shè)計(jì)了一套中波紅外偏振成像系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行偏振測(cè)量和偏振度成像顯示。

系統(tǒng)采用320×256 HgCdTe的中波紅外面陣探測(cè)器，紅外偏振片為ZnSe襯底的金屬線柵偏振片，波長(zhǎng)為3 μm時(shí)，消光比為100。紅外偏振片安裝在一個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)上，由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。

電機(jī)控制程序中，設(shè)置電機(jī)的轉(zhuǎn)速為10°/s，轉(zhuǎn)到0°、45°和 90°時(shí)，電機(jī)停穩(wěn) 1s之后，開(kāi)始存儲(chǔ)圖像，得到三個(gè)不同方向的圖像。為防止圖像之間因系統(tǒng)震動(dòng)等因素引起的像素對(duì)不準(zhǔn)的情況［5］，我們對(duì)圖像進(jìn)行了配準(zhǔn)，盡可能地保證偏振測(cè)量的準(zhǔn)確程度。在此基礎(chǔ)上，在主機(jī)上用Matlab開(kāi)發(fā)了偏振測(cè)量算法，應(yīng)用式(4)和式(2)計(jì)算得到偏振度，進(jìn)而成像顯示。

4 目標(biāo)偏振特性影響因素實(shí)驗(yàn)

使用第3節(jié)設(shè)計(jì)的中波紅外偏振成像系統(tǒng)開(kāi)展偏振成像實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中選擇不同材料、不同粗糙度的樣板，在不同的觀測(cè)角進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分析粗糙度、材料和觀測(cè)角對(duì)目標(biāo)偏振特性的影響。

4.1 粗糙度實(shí)驗(yàn)

粗糙度實(shí)驗(yàn)中，選擇不同粗糙度的鋼板、鋁板和鐵板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分析粗糙度對(duì)目標(biāo)偏振特性的影響。實(shí)驗(yàn)對(duì)比組為光滑的鋼板和粗糙的鋼板，光滑的鋁板和粗糙的鋁板，光滑的鐵板和粗糙的鐵板。實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，樣板的直徑為30 mm，樣板到系統(tǒng)的距離為4 m，觀測(cè)角為60°。

以鋼板為例，光滑鋼板和粗糙鋼板的灰度、偏振度對(duì)比實(shí)驗(yàn)如圖1所示。

圖1 目標(biāo)粗糙度對(duì)偏振特性的影響Fig.1 effect of roughness on polarization characteristics

圖1(a)顯示的是光滑鋼板和粗糙鋼板的灰度圖像，從圖中可以看出光滑鋼板的灰度值小于粗糙鋼板，數(shù)據(jù)分析顯示，光滑鋼板的平均灰度約為粗糙鋼板的97%。

圖1(b)顯示的是光滑鋼板和粗糙鋼板的偏振度圖像，從圖中可以看出光滑鋼板的偏振度明顯大于粗糙鋼板。數(shù)據(jù)分析顯示，光滑鋼板的平均偏振度約為粗糙鋼板的1.3倍。由此說(shuō)明，物體表面越光滑，物體的偏振性質(zhì)越明顯。粗糙度是影響物體表面偏振性質(zhì)的重要因素。

從這組實(shí)驗(yàn)中可以看出，在常規(guī)的灰度圖像中，粗糙的樣板由于漫反射，在同等條件下，灰度值會(huì)比光滑樣板稍大，但差別并不大。因此在復(fù)雜場(chǎng)景中，人造目標(biāo)非常容易偽裝。但是在偏振度圖像中，光滑樣板的偏振度明顯大于粗糙樣板，在復(fù)雜場(chǎng)景中，目標(biāo)與背景的對(duì)比度會(huì)大幅提高，凸顯目標(biāo)，降低目標(biāo)探測(cè)虛警率。

4.2 材料實(shí)驗(yàn)

材料實(shí)驗(yàn)中，選擇不同材料的樣板進(jìn)行偏振實(shí)驗(yàn)，分析目標(biāo)材料對(duì)目標(biāo)偏振特性的影響。實(shí)驗(yàn)對(duì)比組為光滑的鋼板、太陽(yáng)能電池板和光滑的鐵板，粗糙的鋼板、太陽(yáng)能電池板和粗糙的鐵板。實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，樣板到系統(tǒng)的距離為4 m，觀測(cè)角為60°。

粗糙的鋼板、太陽(yáng)能電池板和粗糙的鐵板的對(duì)比實(shí)驗(yàn)如圖2所示。

圖2 材料對(duì)目標(biāo)偏振特性的影響Fig.2 effect of material on polarization characteristics

數(shù)據(jù)分析顯示，粗糙度相近的鋼板、太陽(yáng)能電池板和鐵板的平均灰度值很接近，I(鋼板)＞I(太陽(yáng)能電池板)＞I(鐵板)，差別很小。在偏振度圖像中，太陽(yáng)能電池板的偏振度最大，鐵板次之，鋼板的偏振度最小。

不同材料的偏振實(shí)驗(yàn)表明，除粗糙度外，不同材料導(dǎo)致的不同發(fā)射率，不同的表面理化特征也會(huì)導(dǎo)致不同的偏振特性，體現(xiàn)在偏振度上，便是偏振度存在差異。這與文獻(xiàn)中研究的結(jié)果一致。

4.3 觀測(cè)角實(shí)驗(yàn)

在觀測(cè)角實(shí)驗(yàn)中，對(duì)觀測(cè)角的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在平行光管中，對(duì)光滑鋼板、粗糙鋼板、光滑鐵板、粗糙鐵板、光滑鋁板與粗糙鋁板分別進(jìn)行偏振測(cè)量，觀測(cè)角度為0°;在不同的觀測(cè)角度，對(duì)兩塊太陽(yáng)能電池板進(jìn)行偏振成像實(shí)驗(yàn)。

圖3給出兩塊太陽(yáng)能電池板在0°和60°觀測(cè)角時(shí)的灰度圖像和偏振度圖像。

圖3 觀測(cè)角對(duì)目標(biāo)偏振特性的影響Fig.3 effect of angle on polarization characteristics

圖3(a)中的太陽(yáng)能電池板觀測(cè)角度約為0°，右邊的太陽(yáng)能電池板的觀測(cè)角度約為60°。從灰度圖像圖3(a)中可以看到，兩塊太陽(yáng)能電池板的灰度差別很小，因此灰度與觀測(cè)角無(wú)關(guān);從偏振度圖像圖3(b)中可以看出，觀測(cè)角為0°時(shí)，偏振度幾乎為0;觀測(cè)角為60°時(shí)，偏振度較大。這與文獻(xiàn)結(jié)果一致。實(shí)驗(yàn)表明，觀測(cè)角是影響目標(biāo)偏振特性測(cè)量結(jié)果的重要因素。

一系列的樣板實(shí)驗(yàn)初步證明，粗糙度、目標(biāo)材料和觀測(cè)角均是影響目標(biāo)偏振特性的重要因素，目標(biāo)表面越光滑，偏振度越大;觀測(cè)角度越大，偏振度越大。0°和90°時(shí)偏振度為0。

5 結(jié)論

本文從實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的角度，搭建中波紅外偏振成像系統(tǒng)樣機(jī)，初步驗(yàn)證分析了粗糙度、目標(biāo)材料和觀測(cè)角對(duì)目標(biāo)偏振特性的影響。研究表明，表面光滑的人造目標(biāo)偏振特性明顯，表面粗糙的自然背景偏振特性很弱。進(jìn)行偏振探測(cè)時(shí)，增加觀測(cè)角，可以得到更好的偏振特性。目標(biāo)偏振特性還與大氣傳輸特性、系統(tǒng)自身干擾等因素有關(guān)，下一步我們將重點(diǎn)研究。目標(biāo)偏振特性影響因素的研究將為目標(biāo)偏振探測(cè)的應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)，值得我們花大力氣去發(fā)展。

［1］Zhang Chuntao，Wang Xia，Jin Weiqi，et al．The development of infrared polarization imaging technology［J］．Laser＆ Infrared，2006，36(12):1096 －1098．(in Chinese)

張春濤，王霞，金偉其，等．紅外偏振成像技術(shù)進(jìn)展［J］．激光與紅外，2006，36(12):1096 －1098．

［2］Nie Jinsong，Wang Zhen．Summary of infrared polarization imaging detection technology［J］．Infrared Technology，2006，28(2):63 －67．(in Chinese)

聶勁松，汪震．紅外偏振成像探測(cè)技術(shù)綜述［J］．紅外技術(shù)，2006，28(2):63 －67．

［3］Sun Wei，Liu Zhengkai．Manmade objects recognition with polarization information［J］．Optical Technique，2004，30(3):267 －269．(in Chinese)

孫瑋，劉政凱．利用偏振技術(shù)識(shí)別人造目標(biāo)［J］．光學(xué)技術(shù)，2004，30(3):267 －269．

［4］Frank Cremer，Piet B W．Infrared polarization measurements of targets and backgrounds in a marine environment［J］．Proceedings of SPIE，2001，4370:169 －180．

［5］Forssell G，Hallberg T．Calibrated sensitive polarization measurement methods in the regions 3－5 um and 8－12 um，corrected for contributions to the detector signal from the polarizer［J］．Proceedings of SPIE，Polarization Analysis and Measurement IV，2002，4481:257 －269．