馬利祥，李范鳴，牛繼勇

(中國科學院上海技術物理研究所，上海200083)

1 引言

傳統(tǒng)的紅外系統(tǒng)在進行目標探測和識別時，遇到兩方面的困難，一是背景較為復雜、目標較弱時，難以從溫度層級多的背景中有效提取出待測目標;二是目標經(jīng)過紅外偽裝或采用遮障時，因偽裝采用“同譜同色”原理進行設計，目標和背景溫度相近，也會使得紅外系統(tǒng)失靈。

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

本文首先介紹了偏振成像的基本理論，給出偏振測量的基本公式，構成偏振探測的理論基礎;然后介紹了實驗中搭建的中波紅外偏振成像系統(tǒng);制作了不同粗糙度、不同材料的實驗樣板，在不同的觀測角下，從實驗的角度，分別研究了粗糙度、目標材料和觀測角對目標偏振特性的影響。最后給出了結論。

2 偏振探測的基本理論

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，紅外輻射用輻射強度來表示。在偏振成像系統(tǒng)中，紅外輻射用斯托克斯矢量來表示。斯托克斯矢量定義為［3］:

其中，S0表示紅外輻射強度，因而總是正的;S1表示X方向與Y方向上的線偏振光的強度差，根據(jù)X方向占優(yōu)勢、Y方向占優(yōu)勢或者兩者相等，分別取值為正、為負或為零。S2表示方向與方向上的線偏振光的強度差，根據(jù)方向占優(yōu)勢方向占優(yōu)勢或者兩者相等，分別取值為正、為負或為零。S3表示右旋圓偏振分量還是左旋圓偏振分量占優(yōu)勢，根據(jù)右旋方向占優(yōu)勢、左旋方向占優(yōu)勢或是一樣，S3取值為正、負或零。

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

2.2 偏振測量方法

由于偏振探測中，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。此時偏振度稱為線偏振度LDoP，線偏振度的公式也隨之簡化為:

紅外偏振測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，觀測到的光強為［4］:

由式(3)可以看出，公式中包含三個變量S0，S1和S2。求解這三個斯托克斯參量，需要三個方程，因此需要選取三個α的方向，對目標進行三次偏振測量。

實驗中選取的是 0°、45°和 90°，將這三個角度代入公式(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，進而成像顯示即可實現(xiàn)偏振成像。

3 中波紅外偏振成像系統(tǒng)

2.2節(jié)中提到偏振測量需要借助偏振系統(tǒng)來實現(xiàn)，實驗中，設計了一套中波紅外偏振成像系統(tǒng)來進行偏振測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器，紅外偏振片為ZnSe襯底的金屬線柵偏振片，波長為3 μm時，消光比為100。紅外偏振片安裝在一個轉(zhuǎn)臺上，由步進電機帶動旋轉(zhuǎn)。

電機控制程序中，設置電機的轉(zhuǎn)速為10°/s，轉(zhuǎn)到0°、45°和 90°時，電機停穩(wěn) 1s之后，開始存儲圖像，得到三個不同方向的圖像。為防止圖像之間因系統(tǒng)震動等因素引起的像素對不準的情況［5］，我們對圖像進行了配準，盡可能地保證偏振測量的準確程度。在此基礎上，在主機上用Matlab開發(fā)了偏振測量算法，應用式(4)和式(2)計算得到偏振度，進而成像顯示。

4 目標偏振特性影響因素實驗

使用第3節(jié)設計的中波紅外偏振成像系統(tǒng)開展偏振成像實驗，實驗中選擇不同材料、不同粗糙度的樣板，在不同的觀測角進行實驗，分析粗糙度、材料和觀測角對目標偏振特性的影響。

4.1 粗糙度實驗

粗糙度實驗中，選擇不同粗糙度的鋼板、鋁板和鐵板進行實驗，分析粗糙度對目標偏振特性的影響。實驗對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。實驗在室內(nèi)進行，樣板的直徑為30 mm，樣板到系統(tǒng)的距離為4 m，觀測角為60°。

以鋼板為例，光滑鋼板和粗糙鋼板的灰度、偏振度對比實驗如圖1所示。

圖1 目標粗糙度對偏振特性的影響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。

從這組實驗中可以看出，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，灰度值會比光滑樣板稍大，但差別并不大。因此在復雜場景中，人造目標非常容易偽裝。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，在復雜場景中，目標與背景的對比度會大幅提高，凸顯目標，降低目標探測虛警率。

4.2 材料實驗

材料實驗中，選擇不同材料的樣板進行偏振實驗，分析目標材料對目標偏振特性的影響。實驗對比組為光滑的鋼板、太陽能電池板和光滑的鐵板，粗糙的鋼板、太陽能電池板和粗糙的鐵板。實驗在室內(nèi)進行，樣板到系統(tǒng)的距離為4 m，觀測角為60°。

粗糙的鋼板、太陽能電池板和粗糙的鐵板的對比實驗如圖2所示。

圖2 材料對目標偏振特性的影響Fig.2 effect of material on polarization characteristics

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

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

4.3 觀測角實驗

在觀測角實驗中，對觀測角的影響進行了實驗驗證。在平行光管中，對光滑鋼板、粗糙鋼板、光滑鐵板、粗糙鐵板、光滑鋁板與粗糙鋁板分別進行偏振測量，觀測角度為0°;在不同的觀測角度，對兩塊太陽能電池板進行偏振成像實驗。

圖3給出兩塊太陽能電池板在0°和60°觀測角時的灰度圖像和偏振度圖像。

圖3 觀測角對目標偏振特性的影響Fig.3 effect of angle on polarization characteristics

圖3(a)中的太陽能電池板觀測角度約為0°，右邊的太陽能電池板的觀測角度約為60°。從灰度圖像圖3(a)中可以看到，兩塊太陽能電池板的灰度差別很小，因此灰度與觀測角無關;從偏振度圖像圖3(b)中可以看出，觀測角為0°時，偏振度幾乎為0;觀測角為60°時，偏振度較大。這與文獻結果一致。實驗表明，觀測角是影響目標偏振特性測量結果的重要因素。

一系列的樣板實驗初步證明，粗糙度、目標材料和觀測角均是影響目標偏振特性的重要因素，目標表面越光滑，偏振度越大;觀測角度越大，偏振度越大。0°和90°時偏振度為0。

5 結論

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

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