粗糙涂層材料的偏振反射特性分析

曹昭斌,黃雁華,楊云濤,龔艷春,史冬冬,楊 軍,武文遠(yuǎn)

(陸軍工程大學(xué),江蘇 南京 211101)

1 引 言

當(dāng)前,隨著偽裝、隱身材料及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,人們可將材料涂敷在人造金屬目標(biāo)表面上實(shí)現(xiàn)偽裝,這使得傳統(tǒng)的目標(biāo)檢測方式難以實(shí)現(xiàn)對偽裝目標(biāo)或隱身目標(biāo)的精準(zhǔn)識別。在復(fù)雜環(huán)境背景下,盡管涂有偽裝涂層的人造目標(biāo)可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度特性或光譜特性的偽裝,但是其偏振特性并不能實(shí)現(xiàn)很好地“偽裝”。人們可以運(yùn)用新型的目標(biāo)檢測手段——偏振技術(shù),通過分析電磁波振動狀態(tài)的變化從而獲取物質(zhì)的組成、類別及性質(zhì)等重要信息,這些信息在偽裝目標(biāo)檢測方面發(fā)揮著重要作用[1-2]。偏振探測技術(shù)是通過采集目標(biāo)的偏振參量實(shí)現(xiàn)精確地探測[3-5],例如偏振度、線偏振度、偏振角等,它不僅可以高效地提高探測的精準(zhǔn)度,而且相較于傳統(tǒng)的探測方式能夠使“強(qiáng)光弱化”,“弱光強(qiáng)化”,可以有效地提高目標(biāo)與背景之間的對比度,在目標(biāo)檢測方面具有更好的效果[6]。

粗糙涂層本身的理化特性(如折射率、含水量、表面粗糙度、涂層厚度、涂層層數(shù)、消光比等)、入射角、探測角、方位角及光的性質(zhì)等因素決定了光與其作用后的偏振特性[7-9]。我們通過探究不同因素對偏振特性的影響,可以篩選最優(yōu)條件下的偏振參量,利用偏振信息可以有效地識別不同的偽裝目標(biāo)。2009年張朝陽等人研究了入射角、觀測方位角對偽裝涂層材料偏振散射特征的影響,有效地識別草地背景中的偽裝目標(biāo)[10]。2013年曹慧等人研究了多因素影響下兩種典型涂層目標(biāo)在微粗糙基底上的光散射偏振特性,分析了波長、入射角、探測角及涂層特性對偏振度的影響,表明光學(xué)厚度為λ/4的涂層目標(biāo)偏振度最大[11]。2016年蘇志強(qiáng)等人在考慮表面粗糙度的條件下,研究了石英玻璃和綠漆涂層的偏振度與探測天頂角間的關(guān)系[12]。2020年柳祎等研究了表面粗糙度和入射角對金屬和非金屬目標(biāo)紅外輻射偏振度的影響,利用紅外偏振圖像有效分辨了金屬與非金屬目標(biāo)[13]。以上研究雖然探究了目標(biāo)在不同因素下線偏振度的變化規(guī)律,但并未討論S偏振光照射粗糙涂層后反射光的線偏振度峰值變化規(guī)律。

本文利用多角度高光譜偏振反射平臺測量了S偏振光照射三種粗糙涂層反射的光強(qiáng)及斯托克斯參數(shù),計(jì)算得到了400～1000 nm范圍內(nèi)涂層表面反射光的線偏振度,從連續(xù)波段中選取555 nm、670 nm及865 nm對應(yīng)的線偏振度進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析,進(jìn)一步地討論了波長、入射角及探測角等因素對涂層材料線偏振度和線偏振度峰值的影響,并提出了針對粗糙涂層目標(biāo)的檢測方法。

2 Stokes矢量表示偏振度

1851年Stokes在其文中引入Stokes矢量[14]S=[I,Q,U,V]T描述光的偏振態(tài),它可以表示包含在部分偏振光中的任意偏振光,在忽略微弱的圓偏振特性下,其各個參量表示為:

(1)

式中,ax、ay及δ分別表示x、y方向上電場的振幅及兩者的相位差;〈〉表示求某一周期內(nèi)參量的時間平均值;I表示光的總強(qiáng)度;Q表示水平方向上線偏振光的強(qiáng)度;U表示45°方向上線偏振光的強(qiáng)度。

當(dāng)目標(biāo)反射光束經(jīng)與透光軸成θ的線偏振器后,探測器接收的光的Stokes參數(shù)變?yōu)?

(2)

分別取偏振片透光軸0°、45°、90°、135°后,只需求得探測器各個角度的光強(qiáng),便可求得目標(biāo)表面反射光束的Stokes參量:

(3)

利用所得的Stokes參量即可表示線偏振度(Degree of Linear Polarization,DoLP):

(4)

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)通過多角度高光譜偏振反射平臺改變?nèi)肷浼疤綔y角度,實(shí)現(xiàn)粗糙涂層偏振反射特性的參數(shù)測定。實(shí)驗(yàn)儀器主要由光源、線偏振片、精密機(jī)械旋轉(zhuǎn)平臺、光譜儀及計(jì)算機(jī)五部分組成,其中光源是鹵素?zé)?波段范圍為350～2500 nm；兩個線偏振片分別安裝在光源及探測器前,可獲取不同偏振態(tài)的光；利用QE Pro光譜儀(波長范圍:350～1100 nm；半峰全寬FWDM:0.7～2 nm；信噪比1000∶1)測得目標(biāo)反射的光強(qiáng)值,實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)測量原理圖Fig.1 Experimental measurement principle diagram

實(shí)驗(yàn)對象為具有同一涂層材料和金屬基底材料的不同粗糙度綠色樣品,涂層材料按照不同粗糙度涂到鐵質(zhì)金屬板表面,分別獲得了G1、G2和G3樣品,每塊樣品大小為150 mm×150 mm,厚度約為20 mm,其中涂層厚度約為40 μm,各樣品的表面粗糙度參數(shù)如表1所示。

表1 涂層樣品的表面粗糙度參數(shù)Tab.1 Surface roughness parameters of coated samples

實(shí)驗(yàn)在暗室室溫25 ℃、相對濕度30 %、入射方位角φi=180°和探測方位角φr=0°不變的情況下進(jìn)行,通過調(diào)整入射光處偏振片透光軸方向使得入射光為S偏振光,其透光軸方向垂直于主平面(圖1的yoz平面)。光源固定在入射角θi轉(zhuǎn)臂上,可手動調(diào)節(jié),精度0.5°,并利用步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動探測器轉(zhuǎn)臂改變探測角θr的大小實(shí)現(xiàn)多角度測量,精度0.05°。在確定角度之后,旋轉(zhuǎn)探測器位置處的線偏振片透光軸方向至0°、45°、90°及135°,并配合光譜儀及計(jì)算機(jī)配置的Oceanview軟件采集各個偏振方向下的光強(qiáng)信息,運(yùn)用公式(3)可計(jì)算求得S光照射涂層表面后的Stokes參數(shù)I、Q及U,并利用公式(4)求得涂層表面反射光的DoLP信息。

3.2 波長對DoLP的影響分析

以S偏振光照射三種涂層,在入射光方位角180°、探測光方位角0°和鏡面反射(即入射角與探測角相同)條件下,研究了400～1000 nm波長范圍內(nèi)的DoLP隨波長的變化關(guān)系,實(shí)驗(yàn)曲線如圖2所示。

(a)θi=θr=20°

(b)θi=θr=30°

(c)θi=θr=40°

由圖可知:(1)粗糙涂層的DoLP與波長有較強(qiáng)的依賴關(guān)系,它隨著波長的變化先增大后減小再增大,450 nm附近存在極大值點(diǎn),525 nm附近有極小值；之后DoLP隨著波長先減小后增大再急劇減小,600 nm處存在極小值,670 nm附近有極大值；865 nm后的DoLP不斷減小,幾乎趨近于0。這些規(guī)律表明可見光范圍內(nèi)涂層的線偏振度大于近紅外波段的線偏振度,這是由于S偏振光的反射率與波長密切相關(guān),不同波長下樣品表面反射率影響了各個偏振態(tài)的光強(qiáng)值,繼而改變了線偏振度數(shù)值。(2)相較于波長的影響,粗糙度并不會改變線偏振度極值點(diǎn)的位置,它只會改變線偏振度數(shù)值的大小。其中,G1樣品對應(yīng)的線偏振度值相較于其他樣品最小,但三者的極小值點(diǎn)均在525 nm附近,其他極值點(diǎn)位置與(1)的描述接近一致。

3.3 入射角對DoLP的影響分析

從上述連續(xù)譜線中選取了常見的地物檢測波長555 nm、670 nm及865 nm進(jìn)行目標(biāo)特性分析,在給定波長和探測角的條件下,測量不同入射角下樣品的DoLP值,DoLP隨入射角的變化關(guān)系如圖3～5所示。

圖3 θr=20°時,不同入射角下的DoLP柱狀圖Fig.3 DoLP histograms at different incident angles when

圖4 θr=30°時,不同入射角下的DoLP柱狀圖Fig.4 DoLP histograms at different incident angles

圖5 θr=40°時,不同入射角下的DoLP柱狀圖Fig.5 DoLP histograms at different incident angles

通過分析柱狀圖可得:(1)G1樣品:在入射角θi=30°時,555 nm或670 nm(圖(a)和圖(b))處的DoLP數(shù)值有極小值,而865 nm處(圖(c))的DoLP為極大值；(2)G2樣品:555 nm和670 nm(圖(a)和圖(b))波長下,DoLP在θi=θr=20°時有最大值,而θr=30°、θr=40°不變時,DoLP值在θi=30°時有極小值。G2樣品在865 nm處的DoLP均隨著入射角增大而增大；(3)G3樣品:三個波段下的DoLP值在θi=30°時均為極大值。(4)555 nm和670 nm處的三種樣品的DoLP數(shù)值均在60 %～85 %范圍內(nèi),而865 nm處的DoLP數(shù)值在5 %以下,表明可見光波段的線偏振度強(qiáng)于近紅外波段。結(jié)合菲涅爾公式可知,同一波長下的S偏振光在不同入射角下的反射率不同,這一規(guī)律造成同一樣品在相同波段下的線偏振度隨入射角的變化而不同。而且在相同探測條件下,三種不同粗糙度的涂層材料表面反射光的線偏振度變化有明顯的不同,表明粗糙度會影響樣品表面反射光的偏振特性。

3.4 探測角對DoLP影響分析

在固定其他因素不變情況下,選取三個入射角度(20°、30°、40°),每間隔10°改變探測角,分別測得特定入射角下探測角在0°～60°范圍內(nèi)的DoLP信息,圖6～8分別對應(yīng)G1～G3樣品的DoLP曲線圖,(a)、(b)、(c)分別對應(yīng)三個入射角度。

圖6 不同探測角下G1的DoLP變化曲線圖Fig.6 DoLP change curve of G1 under different detection angles

圖7 不同探測角下G2的DoLP變化曲線圖Fig.7 DoLP change curve of G2 under different detection angles

圖8 不同探測角下G3的DoLP變化曲線圖Fig.8 DoLP change curve of G3 under different detection angles

分析曲線可知:(1)粗糙涂層的線偏振度與探測角有密切聯(lián)系,555 nm和670 nm對應(yīng)曲線的變化趨勢一致,即隨著探測角增大,DoLP數(shù)值先增大后減小且小探測角處670nm的線偏振度均大于555 nm處的線偏振度,而865 nm的DoLP大體與探測角正相關(guān),即隨著探測角增大而增大；(2)555 nm及670 nm時,DoLP峰值大多會出現(xiàn)在鏡面反射角附近,其中最小粗糙度的G3樣品的現(xiàn)象最為明顯,如圖8所示:θi=20°時,(a)圖DoLP峰值對應(yīng)的探測角為20°；θi=30°時,(b)圖峰值DoLP對應(yīng)的探測角為30°；θi=40°時,(c)圖DoLP峰值對應(yīng)的探測角為40°,表明小粗糙度下,涂層表面反射光的線偏振度在鏡面反射處最大。

3.5 影響DoLP的綜合因素分析

上述討論了單因素條件下涂層DoLP特性的變化規(guī)律,進(jìn)一步地發(fā)現(xiàn),波長、入射角和探測角的綜合作用下,DoLP峰值呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律:

(1)555 nm和670 nm波長下,DoLP峰值位置與入射光角度正相關(guān),即入射角增大時,DoLP峰值位置向大探測角方向移動,如圖6～8所示,這一現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于鏡面反射角附近的線偏振度最大,隨著入射角的增大,鏡面反射角同時變大,DoLP峰值位置向鏡面反射角附近移動。

(2)粗糙涂層的線偏振度峰值在特定入射角及波長下存在極大值,如圖6～8所示,在入射角小于30°時,670 nm峰值的線偏振度大于555 nm峰值的線偏振度,相反入射角大于30°時,670 nm峰值處的線偏振度小于555 nm的線偏振度。其中,圖(a)入射角20°、670 nm的DoLP峰值明顯大于555 nm,圖(b)30°入射時兩者近似相等,圖(c)40°入射時670 nm的DoLP峰值小于555 nm。因此選取合適入射角和波長可獲得較高的線偏振度。

結(jié)合上述規(guī)律,本文提出針對該粗糙涂層的檢測方法:在S偏振光的入射角小于30°時,探測器在鏡面反射角附近選取670 nm波長進(jìn)行線偏振度檢測,大于30°時選取555 nm波長可有效提高檢測偽裝涂層的精準(zhǔn)度。同時,在確定波長、入射角及探測角的最優(yōu)條件后,我們可進(jìn)一步根據(jù)峰值處線偏振度值的大小,區(qū)分涂有同一涂層的粗糙的綠色偽裝目標(biāo)。

4 結(jié) 論

本文對三種不同粗糙度的綠色涂層材料的線偏振度進(jìn)行測量,獲得了S偏振光照射粗糙涂層表面后反射光的線偏振度變化規(guī)律,分析了波長、入射角及探測角等因素對線偏振度的影響:

(1)線偏振度與波長關(guān)系:粗糙涂層在小入射角度下,可見波段的線偏振度明顯大于近紅外波段,這一規(guī)律與涂層自身特性密切相關(guān)；(2)線偏振度與探測角關(guān)系:555 nm和670 nm處涂層表面反射光的線偏振度隨著探測角增大先增大后減小,865 nm波長的線偏振度與探測角正相關(guān)；(3)線偏振度與粗糙度關(guān)系:粗糙度只會改變線偏振度數(shù)值大小,而不會改變線偏振度極值點(diǎn)的位置；(4)線偏振度峰值與影響因素關(guān)系:當(dāng)探測角位于鏡面反射角附近時,小粗糙度涂層表面的線偏振度出現(xiàn)峰值,其峰值位置與入射角正相關(guān),并且線偏振度峰值大小與波長密切相關(guān)。

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)論證明線偏振度可以作為檢測粗糙綠色涂層的指標(biāo),同時合理地選取波長及探測條件可獲取涂層的最大線偏振度,利用峰值處的線偏振度可有效提高檢測的精準(zhǔn)度,這對復(fù)雜背景下的偏振檢測具有重要的應(yīng)用價值。