基于偏振激光輔助照明的ICCD探測技術研究

劉 宇，李旭東，劉 冰，茹志兵，張安鋒，張曉亮

(1. 微光夜視技術重點實驗室，陜西 西安 710065；2. 西安應用光學研究所，陜西 西安 710065)

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基于偏振激光輔助照明的ICCD探測技術研究

劉 宇1,2，李旭東2，劉 冰2，茹志兵2，張安鋒2，張曉亮2

(1. 微光夜視技術重點實驗室，陜西 西安 710065；2. 西安應用光學研究所，陜西 西安 710065)

為了驗證偏振激光輔助照明ICCD探測目標的可行性，I以偏振成像探測原理為基礎，提出一套基于偏振激光輔助照明的ICCD探測系統。該系統采用808 nm人眼不可見偏振激光輔助照明，ICCD對后向散射激光進行檢偏和光電信息轉換，實現背景中目標的偏振成像探測。通過在野外環(huán)境中對該系統的探測能力進行實驗測試，結果表明，在0°、45°和90°檢偏角下，人造金屬涂漆目標對照射偏振激光退偏小于10%；綠色背景對照射偏振激光退偏度約50%；沙土地面退偏度約30%，人造金屬涂漆目標相對于自然背景隨檢偏角增大圖像對比度也越大。

偏振激光；偏振度；ICCD探測

引言

光波的信息量非常豐富，包括振幅(光強)、頻率(波長)、相位和偏振態(tài)，探測景物光波偏振態(tài)的成像技術就是偏振成像。偏振成像技術是近年來國外發(fā)展很快的一項新的成像技術，具有廣泛的軍用和民用前景[1-5]。偏振探測作為強度探測的有益補充，能夠提供關于目標與背景的更多信息，近年來，國內外多個研究小組開展了偏振成像探測系統的設計研究[6-10]。自然界中的物質可以說都是起偏器，不同物體或同一物體的不同狀態(tài)(例如粗糙度、含水量、構成材料的理化特征等)都會對照射偏振激光產生不同程度的退偏，由于偏振信息是不同于輻射的另一種表征事物的信息，相同輻射的被測物體可能有不同的偏振度，使用偏振手段可以在復雜的輻射背景下檢出有用的信號，以成像方式顯示隱蔽的軍事目標，為此，本文設計了一套基于偏振激光輔助照明的ICCD探測系統對放置在背景中的仿軍事目標體進行了探測。

1 偏振激光輔助照明成像探測原理

偏振激光輔助照明的ICCD探測技術主要基于目標對照射偏振激光的退偏原理。光照射到粗糙物體表面時，會發(fā)生散射現象。對于不同的材料表面，散射光的偏振態(tài)會發(fā)生不同的變化。

一束平面偏振光照射到物體表面上，表面沿后向(背向)產生的散射光不再保持完全的線偏振狀態(tài)，而是產生一定程度的消偏振現象。對于表面粗糙度較大，漫射比較強的非金屬自然材料，消偏振性比較明顯；而對于表面比較規(guī)則的人工目標，消偏振比較弱，其后向散射光仍保持比較明顯的偏振特性。

假定目標及背景由p方向偏振激光照射，經目標及背景消偏的后向散射光的2個偏振分量的光強度Ip和Is，退偏振度Dop定義[11]為

(1)

光的偏振態(tài)的描述通常采用Stokes矢量，探測器接收到的Stokes矢量[6]為

S=[I,Q,U,V]T

(2)

式中：I表示總的光強；Q表示水平線偏振分量與垂直線偏振分量之差；U表示45°線偏振分量與135°線偏振分量之差；V表示右旋圓偏振分量與左旋圓偏振分量之差。在可見光和近紅外波段，非金屬目標對照射輻射的反射光中圓偏振成分很少，可以認為V近似為0。因此，對于目標及背景的后向散射光，要完全確定其偏振狀態(tài)，只需確定Stokes矢量中的I、Q和U 3個參量即可。I、Q 和U分量一般通過測量0°、45°和90° 3個偏振方向的光強后處理得到：

(3)

利用Stokes矢量定義可以計算得到目標及背景表面后向散射的偏振度P和偏振角θ：

(4)

為探測系統設計簡單，成像探測系統中的檢偏器擬選取0°，45°和90°。

2 偏振激光輔助照明成像系統設計與實驗

2.1 系統組成及工作原理

圖1為系統結構示意圖，系統主要由激光輔助照明光源、探測器、供電電源及信息采集與處理器等組成。其中，激光輔助照明光源由808 nm人眼不可見偏振半導體激光器及光束整形器組成，主要功能是發(fā)射光功率密度均勻的照明激光；探測器由檢偏器、光電陰極、微通道板(MCP)、倒像管、熒光屏、光錐及CCD等組成，主要是將激光輔助照明光源照射在圖像場景上的后向散射光進行檢偏和光電信息轉換；供電電源由電池和直流電源分配模塊組成，主要功能是給系統供電；信息采集及處理器主要功能是對探測器輸出的光電轉換信號進行采集和處理，清晰地分辨目標。

圖1 基于偏振激光輔助照明ICCD探測系統結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of ICCD detection system based on polarized laser illumination

光束整形器將偏振半導體激光器向外輻射的人眼不可見紅外激光均勻照射在場景上，由于場景中目標特性的不同，其對偏振照明激光的退偏程度也不盡相同。目標退偏后的后向散射激光經過檢偏器檢偏，被探測器中的光學系統聚焦照射在光電陰極上，光電陰極將接收到的光子圖像變換為相應時空分布的光電子圖像，MCP將光電子圖像進行電子倍增，再經倒像管的倒像轟擊熒光屏，此時，熒光屏顯示圖像即為目標或場景對照明激光退偏后的后向散射光圖像，CCD接收熒光屏上的光信息，并被信息采集及處理器處理，形成可供人眼觀察的目標及場景圖像。

2.2 探測系統及實驗結果

為驗證探測方法的正確性，使用表1所示組件研制了圖2所示的基于偏振激光輔助照明ICCD探測系統，選用圖2所示的涂有軍用綠漆的金屬罩作為目標，在50 m的探測距離下，對檢偏器旋轉角分別為0°、45°和90°時進行野外探測試驗。

表1 偏振激光輔助照明ICCD探測系統各部件主要參數

圖2 基于偏振激光輔助照明ICCD探測系統野外探測實驗Fig.2 Detecting experiment for polarization laser assistant illumination ICCD detection system in field

圖3 檢偏器分別旋轉0°、45°和90°時探測器采集圖像Fig.3 Detector output imaging at 0°、45° and 90° polarization angle respectively

從圖3中可看出，涂敷軍用綠漆的金屬罩在0°和90°檢偏角下光亮度變化明顯，對照射激光幾乎不退偏；綠色樹葉背景在0°、45°和90°檢偏角下光亮度幾乎不變化，對照射激光退偏度達50%左右；沙土地面在0°、45°和90°檢偏角下有些許變化，退偏度介于金屬罩和綠色背景之間。

計算機采集到0°、45°和90°時的偏振態(tài)圖像后，經過灰度變換，將其圖像灰度值代入公式(3)，通過Matlab，得到如圖4所示的(I，Q，U)參數圖像。根據公式(4)得出θ偏振相位圖像，偏振度圖像中每個像點的灰度值僅與該像點的偏振度有關，不同材料表面、不同探測角的偏振度圖像有明顯的差異。

圖4 解算Stokes參數圖像Fig.4 Stokes parameter image by calculating

從圖4中可以看出，采集的圖像經過計算后，參數I、Q和U圖像對比度比原圖像對比度加強，自然目標和人造目標相比，退偏度明顯，完全可對戰(zhàn)場中的人造目標進行探測。

3 應用前景分析

從探測系統理論分析和實驗結果可知，典型戰(zhàn)場人工目標與自然背景所表現出來的對照射偏振激光退偏度不同的差別，說明目標偏振成像能夠提高微光系統探測信噪比，識別一些偽裝目標，可在偵察、監(jiān)視和特種探測領域廣泛應用，如：1) 探測隱藏或偽裝的人工目標；2) 海面目標的探測和識別；3) 水下目標的探測和識別；4) 區(qū)分金屬和絕緣體，或從引誘物中區(qū)分真實目標；5) 醫(yī)學診斷，如癌癥和燒傷診斷；6) 物體特征識別，如指紋識別；7) 檢測材料的物理特性；8) 可與其他技術結合，如多光譜偏振成像。

4 結束語

本文對基于偏振激光輔助照明的ICCD探測系統的理論可行性進行了分析，為驗證探測理論的可行性，研制了一套基于偏振激光輔助照明的ICCD探測原理性實驗裝置，在野外選取涂覆軍用綠漆的人造目標、沙土道路，樹木等目標進行了實驗，實驗結果表明：人造目標與自然目標(沙土或綠色植被)相比，人造目標對偏振照明激光退偏度小于10%，自然目標對偏振照明激光退偏度達50%左右，因此，采用偏振激光輔助照明ICCD探測成像技術能夠提高人造目標和自然背景的對比度，使人造目標能夠從自然背景中識別出來。這一特性使之可以應用在夜間搜救方面，或者對隱藏的、偽裝的軍事目標進行探測識別。

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ICCD detection technology based on polarization laser assistant illumination

Liu Yu1,2, Li Xudong2, Liu Bing2, Ru Zhibing2, Zhang Anfeng2, Zhang Xiaoliang2

(1.Key Lab of Science and Technology on Low-Light-Level Night Vision Laboratoy, Xi’an 710065, China;2. Xi’an Institude of Applied Optics, Xi’an 710065, China)

In order to validate the feasibility that the intensified charge-coupled device (ICCD) detect target by polarization laser assistant illumination, a polarization laser assistant illumination ICCD detection system was manufactured by polarization imaging detection technology. The system adopted an 808 nm semiconductor laser as illumination source to illuminate target, which wasn’t detected by human-eye, and the ICCD polarization detection system was used as electric-optic conversion module to detect target, and finally achieved the target detection on background. An experiment was designed to validate the result of the polarization imaging detection in the field environment. The result shows that the man-made-metal-target depolarization is almost 10%, and the green-background-target depolarization is 50%, and the sand-target depolarization is almost 30% 0° at 45°, and 90° polarization angle. The imaging contrast for the man-made target and the natural background is improved as the polarization angle enlarging.

polarization laser; polarization degree; ICCD detection

1002-2082(2015)02-0300-05

2014-07-31；

2014-10-15

微光夜視技術國防科技重點實驗室資助項目(J20112510)

劉宇(1965-)，男，湖北荊州人，博導，研究員，主要從事光電系統技術研究工作。E-mail:e-liuyu@sohu.com

TN249

A

10.5768/JAO201536.0207001