偏振成像技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用

高明慧　赫美琳

摘 要：偏振成像技術(shù)是在近些年發(fā)展起來的一種技術(shù)，因其所采用的依靠獲取物體光波偏振態(tài)的成像技術(shù)與原來采用的光強(qiáng)度成像相比更為先進(jìn)，應(yīng)用領(lǐng)域更為廣闊，經(jīng)過這些年的發(fā)展，已經(jīng)在很多的領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。文章將就偏振成像的原理以及其在目標(biāo)探測中的應(yīng)用進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞：激光遙感；偏振成像；目標(biāo)探測

前言

偏振遙感是一種新興的對地探測手段與技術(shù)，其在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、氣象、海洋、生態(tài)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，通過偏振遙感測量得到的是目標(biāo)的偏振態(tài)信息，除能得到常規(guī)遙感測量的輻射量數(shù)據(jù)外，還能得到與目標(biāo)的本征特性有關(guān)的偏振度差異，從而可以在一定程度上把目標(biāo)的本質(zhì)差異“強(qiáng)化”出來，提取常規(guī)遙感方法不易得到的信息，因此可以進(jìn)一步提高目標(biāo)探測和地物識(shí)別的精度。文章將就偏振成像的原理以及其在目標(biāo)探測中的應(yīng)用進(jìn)行闡述。

1 偏振成像簡介

光是一種電磁波，電磁波是橫波。而振動(dòng)方向和光波前進(jìn)方向構(gòu)成的平面叫做振動(dòng)面，光的振動(dòng)面只限于某一固定方向的，叫做平面偏振光或線偏振光。振動(dòng)方向?qū)τ趥鞑シ较虻牟粚ΨQ性叫做偏振，它是橫波區(qū)別于其他縱波的一個(gè)最明顯的標(biāo)志，只有橫波才有偏振現(xiàn)象。偏振光的分類：線偏振光、部分偏振光、橢圓偏振光和圓偏振光。偏振光與目標(biāo)發(fā)生相互作用后的散射光中會(huì)包含由目標(biāo)自身特性所決定的偏振信息，偏振信息是一種獨(dú)特的信息，它與我們傳統(tǒng)探測得到的信息不同，由于這種偏振信息是目標(biāo)自身特性所決定的，因此，我們通過收集偏振光中的信息就可以對所需測量的目標(biāo)信息有著清晰的認(rèn)識(shí)。而以上這一通過收集目標(biāo)光波偏振態(tài)進(jìn)而成像的技術(shù)就是偏振成像。偏振成像以其特有的優(yōu)勢迄今已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。通常情況下，人的視覺系統(tǒng)對光的強(qiáng)度特征和波長特征都比較敏感，但對于同樣是光的基本特征的偏振特征是無法感知的，因此在傳統(tǒng)的圖像處理、分析、理解過程中所使用的技術(shù)都是基于光的強(qiáng)度特征和波長特征所提供的信息，這就使得現(xiàn)用的圖像處理、分析以及理解算法很復(fù)雜，只能進(jìn)行一些初步的判斷，但是對于圖像中目標(biāo)的一些本質(zhì)特性（如目標(biāo)的材質(zhì)、目標(biāo)的細(xì)節(jié)特征等）難以做出正確的理解。但是通過研究偏振光與物質(zhì)的相互作用，找出它們的規(guī)律，就可以以此來檢測物質(zhì)的固有屬性，同時(shí)可以利用對各向均勻的物質(zhì)施加外界作用（電場、磁場、外力等）使之呈現(xiàn)出一定的偏振特性，通過檢測這些偏振特性，以達(dá)到檢測這些外界作用的屬性。由于物質(zhì)的固有屬性，并且這些固有屬性與偏振光相互作用有以下特性：旋光性，晶體、液體和液晶的光電效應(yīng)，光測彈性效應(yīng)等，利用以上這些特性可以實(shí)現(xiàn)偏振探測的具體應(yīng)用。

2 偏振遙感的優(yōu)勢

利用偏振光來照射被測物質(zhì)，經(jīng)被測物質(zhì)與偏振光的相互作用后偏振光的偏振信息將按規(guī)律產(chǎn)生相應(yīng)的變化，通過檢測這種偏振信息的變化來實(shí)現(xiàn)測量該被測物的屬性，是偏振探測的物理基礎(chǔ)。相較與可見光和近紅外遙感技術(shù)以及雷達(dá)遙感技術(shù)經(jīng)過了幾十年的應(yīng)用，偏振遙感在應(yīng)用方面只是剛學(xué)步的嬰兒，但是其所代表則是在未來空間遙感技術(shù)遙感探測的發(fā)展趨勢。像可見光和近紅外遙感技術(shù)以及雷達(dá)遙感技術(shù)一般是通過收集目標(biāo)對于發(fā)出電磁波的反射輻射或者是目標(biāo)自身所發(fā)出的輻射強(qiáng)度來對目標(biāo)進(jìn)行探測，而對收集來的偏振信號(hào)則作為雜波進(jìn)行清除。偏振遙感相較于可見光和近紅外遙感技術(shù)以及雷達(dá)遙感技術(shù)等傳統(tǒng)技術(shù)，可以測量一些普通光度學(xué)無法測量的一些數(shù)據(jù)。其對于目標(biāo)的偏振測量精度可以達(dá)到很高的測量精度，同時(shí)，在得到偏振測量結(jié)果的同時(shí)，還可以得到地物輻射測量數(shù)據(jù)。偏振測量可以給出來自目標(biāo)的光波偏振度、偏振角、偏振橢率和輻射率的測量值。偏振測量的準(zhǔn)確度比輻射率測量的準(zhǔn)確度要高偏振遙感已經(jīng)受到人們的極大關(guān)注。

偏振遙感技術(shù)具有以下特性：（1）偏振測量除能得到常規(guī)遙感測量的輻射量數(shù)據(jù)外，還能得到與目標(biāo)的本征特性有關(guān)的偏振度差異，從而可以在一定程度上把目標(biāo)的本質(zhì)差異“強(qiáng)化”出來，提取常規(guī)遙感方法不易得到的信息，因此可以進(jìn)一步提高目標(biāo)探測和地物識(shí)別的精度。（2）實(shí)現(xiàn)簡單，花費(fèi)低。在常規(guī)遙感探測設(shè)備上加裝偏振組件即可實(shí)現(xiàn)偏振測量，儀器研制周期短。

在機(jī)器視覺的應(yīng)用上，偏振成像具有其獨(dú)特性。其系統(tǒng)主要組成包括三個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)，偏振成像系統(tǒng)主要有三個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)組成，具體有對光波偏振態(tài)進(jìn)行分解、掃描、編碼（角度）。繼而在獲取圖像后進(jìn)行處理增強(qiáng)，并進(jìn)一步處理、融合，形成可視化圖像。最后從獲得圖像中獲取需要了解的信息，對被測目標(biāo)進(jìn)行了解。

受到環(huán)境因素影響，光強(qiáng)強(qiáng)度成像精度會(huì)受到影響，若環(huán)境惡劣，或者光強(qiáng)度過于弱，成像就會(huì)具有一定的困難度。而偏振成像技術(shù)卻可以在惡劣的環(huán)境下進(jìn)行遠(yuǎn)距離的圖像獲取操作，在抑制背景噪聲、提高探測距離、細(xì)節(jié)特征獲取以及目標(biāo)偽裝識(shí)別等方面具有絕對優(yōu)勢。因此，其具有非常廣泛的應(yīng)用，例如：可探測隱藏或偽裝的目標(biāo)；可實(shí)現(xiàn)海面以及水下目標(biāo)的探測和識(shí)別；可實(shí)現(xiàn)煙霧氣候環(huán)境條件下的導(dǎo)航；有效區(qū)分金屬和絕緣體或是從引誘物中區(qū)分真實(shí)目標(biāo)；可進(jìn)行癌癥、燒傷等醫(yī)學(xué)診斷；可對物體特征（如指紋等）進(jìn)行識(shí)別；可實(shí)現(xiàn)星載或機(jī)載遙感；可與其它技術(shù)相結(jié)合，如多光譜偏振紅外成像、超光譜偏振紅外成像等。

3 偏振成像技術(shù)的應(yīng)用及展望

偏振成像遙感在現(xiàn)今很多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，例如：農(nóng)業(yè)：不同種類農(nóng)作物種植面積監(jiān)測、作物長勢監(jiān)測、大面積農(nóng)作物病蟲害監(jiān)測等。林業(yè)：林業(yè)資源規(guī)劃調(diào)查、森林病蟲害監(jiān)測、森林長勢監(jiān)測、森林覆蓋率監(jiān)測、森林火災(zāi)監(jiān)測等。氣象：洪澇災(zāi)害監(jiān)測（洪水面積、成災(zāi)面積、作物絕收面積）、冰雹災(zāi)害監(jiān)測、云和氣溶膠探測等。海洋：海洋赤潮監(jiān)測（面積、赤潮的消長趨勢）、近海海域污染物的監(jiān)測等。生態(tài)：土地利用現(xiàn)狀監(jiān)測、土壤沙漠化監(jiān)測、土壤侵蝕監(jiān)測、水質(zhì)污染動(dòng)態(tài)監(jiān)測等。偏振成像的應(yīng)用與展望如下：目前，超光譜空間分辨率的偏振成像儀也已開始研制，并已經(jīng)取得了階段性的成果：（1）應(yīng)用偏振成像技術(shù)可以對地球表面進(jìn)行精確地探測，從偏振探測的原理及大量實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)表面，地球上的不同種類、不同地物在偏振成像中都會(huì)有其特殊的圖像，從地表中普遍存在的巖石、礦物、土壤等甚至是生長其上的植物都會(huì)由于其葉莖對于偏振波產(chǎn)生的不同的回波信號(hào)而在偏振圖像中有所反應(yīng)，因此，偏振遙感技術(shù)在地物的探測中能夠準(zhǔn)確地識(shí)別和區(qū)分地形的類型。（2）偏振成像技術(shù)在導(dǎo)彈的飛行安全保障中發(fā)揮著重要的作用，通過對導(dǎo)彈在著彈區(qū)域內(nèi)卷云和其他云層進(jìn)行探測，先出合適的發(fā)射路徑避開卷云和其他云層等容易對導(dǎo)彈飛行安全造成影響的區(qū)域，保障導(dǎo)彈和其他飛行器的飛行安全。（3）偏振成像技術(shù)在導(dǎo)彈制導(dǎo)方面也可發(fā)揮著重要作用，通過采用偏振成像技術(shù)可以避免大氣氣溶膠對于傳統(tǒng)的光電探測系統(tǒng)的影響，進(jìn)而在導(dǎo)彈制導(dǎo)，保障導(dǎo)彈的精確性方面發(fā)揮重要作用。（4）原有的探測技術(shù)在探測渾濁介質(zhì)中探測目標(biāo)是一項(xiàng)比較困難的事情，由于渾濁介質(zhì)通過吸收和散射導(dǎo)致光的穿透力明顯下降，進(jìn)而對于傳統(tǒng)的光探測的探測距離會(huì)產(chǎn)生重要的影響。而通過偏振成像技術(shù)則可以很好地規(guī)避這些問題。

4 結(jié)束語

文章對偏振成像的原理及其在各項(xiàng)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了介紹，著重突出了偏振成像技術(shù)在遙感領(lǐng)域中的應(yīng)用。

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