目標(biāo)紅外偏振特性的影響因素研究

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。

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