牛繼勇，李范鳴

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空間目標(biāo)紅外偏振特性分析

牛繼勇，李范鳴

（中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，中科院紅外探測(cè)與成像技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200083）

目標(biāo)紅外輻射包含自發(fā)輻射和反射輻射兩部分，通過(guò)理論建模對(duì)目標(biāo)自發(fā)輻射和反射輻射起偏機(jī)理進(jìn)行分析，并得出兩者的疊加將會(huì)引入消偏?？臻g目標(biāo)偏振特性不僅與表面材料、觀測(cè)角等因素有關(guān)，由于空間目標(biāo)處在一個(gè)變動(dòng)的輻射環(huán)境下，在日照區(qū)和陰影區(qū)，反射輻射和自發(fā)輻射的能量分布情況會(huì)相差很大，因此空間目標(biāo)的紅外偏振特性也會(huì)有較大的變化。對(duì)在不同的輻射環(huán)境下對(duì)空間目標(biāo)的紅外偏振特性進(jìn)行了建模仿真分析，最后在實(shí)驗(yàn)室條件下，對(duì)空間目標(biāo)常用材料進(jìn)行紅外偏振探測(cè)實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出結(jié)論。

空間目標(biāo)；紅外偏振特性；仿真建模

0 引言

光波的偏振參量攜帶區(qū)別于光強(qiáng)、相位、光譜的獨(dú)有特征信息，偏振成像技術(shù)與傳統(tǒng)光度學(xué)和輻射學(xué)探測(cè)技術(shù)相比，可以獲取目標(biāo)光學(xué)輻射的偏振強(qiáng)度值、偏振度、偏振角、偏振橢圓率和輻射率等參數(shù)，大大增加了被探測(cè)目標(biāo)的信息量。紅外偏振探測(cè)技術(shù)進(jìn)一步拓展偏振探測(cè)的應(yīng)用范圍，如何將紅外偏振探測(cè)技術(shù)應(yīng)用到對(duì)空間目標(biāo)的探測(cè)已經(jīng)引起越來(lái)越多的人的關(guān)注。目標(biāo)紅外偏振特性受到目標(biāo)表面的狀態(tài)、材料以及觀測(cè)角等因素影響[1-2]。

本文分別對(duì)目標(biāo)紅外自發(fā)輻射與反射輻射起偏機(jī)理進(jìn)行了分析，結(jié)合空間目標(biāo)的運(yùn)行軌跡對(duì)空間目標(biāo)的輻射環(huán)境進(jìn)行了定性的分析，并以此為基礎(chǔ)對(duì)空間目標(biāo)在不同的輻射環(huán)境下的偏振特性進(jìn)行了預(yù)期分析。最后在實(shí)驗(yàn)室條件下，對(duì)空間目標(biāo)的一些常用材料進(jìn)行了紅外偏振特性分析，總結(jié)出一些結(jié)論，為后續(xù)的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

1 紅外輻射起偏機(jī)理分析

光的偏振是指光矢量的振動(dòng)相對(duì)于光傳播方向的不對(duì)稱性。對(duì)在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，被測(cè)目標(biāo)的偏振特性主要是有反射引起，但是在紅外光譜波段，在分析空間目標(biāo)紅外偏振特性時(shí)，目標(biāo)表現(xiàn)出的紅外偏振特性是目標(biāo)反射輻射以及自發(fā)輻射疊加的效果。

我們基于菲涅爾公式以及基爾霍夫定律實(shí)現(xiàn)對(duì)自發(fā)輻射和反射輻射偏振特性進(jìn)行建模分析：我們通過(guò)引入復(fù)折射率，并根據(jù)Born和Wolf的理論，推導(dǎo)出光矢量中平行分量以及垂直分量的菲涅爾反射率，通過(guò)反射率我們可以得出反射輻射的偏振度表達(dá)式；由基爾霍夫定律可知，發(fā)射率等于吸收率，并且吸收率與反射率之和為1，通過(guò)發(fā)射率同樣我們可以得出自發(fā)輻射的偏振度表達(dá)式。

圖1是對(duì)光滑鋁表面的紅外偏振特性的建模分析，圖1(a)為自發(fā)輻射發(fā)射率以及反射輻射反射率與觀測(cè)角的關(guān)系曲線，圖1(b)為自發(fā)輻射以及反射輻射偏振度與觀測(cè)角的關(guān)系曲線。

圖1 理想光滑鋁偏振特性仿真曲線

由仿真結(jié)果知：對(duì)于紅外反射輻射，平行分量反射率p(,,)和垂直分量反射率s(,,)的差異，引起了光的偏振效應(yīng)；同樣，對(duì)于紅外自發(fā)輻射，由于平行分量發(fā)射率p(,,)和垂直分射率s(,,)的差異，引起了光的偏振效應(yīng)。

在自發(fā)輻射中，由于發(fā)射率的差異，引起光矢量中平行分量強(qiáng)于垂直分量，但是對(duì)于反射輻射恰恰相反，因此兩者的疊加就會(huì)引起消偏效應(yīng)。通過(guò)偏振度與觀測(cè)角的關(guān)系曲線，我們看到自發(fā)輻射偏振度隨發(fā)射角是一個(gè)一直增加的過(guò)程，反射輻射偏振度隨觀測(cè)角是先增加后下降的過(guò)程。而目標(biāo)紅外輻射偏振特性是與兩者的能量分布情況有關(guān)，圖中仿真結(jié)果中的總偏振度是自發(fā)輻射與反射輻射能量相等時(shí)的情況[3-4]。

自發(fā)輻射與反射輻射偏振特性的疊加會(huì)引起消偏，消偏程度還要結(jié)合具體的光照條件以及目標(biāo)溫度等因素來(lái)考慮分析。在分析空間目標(biāo)紅外偏振特性時(shí)，應(yīng)該結(jié)合反射輻射和自發(fā)輻射兩方面進(jìn)行考慮，由于空間目標(biāo)所處的輻射環(huán)境是一個(gè)變動(dòng)的環(huán)境，這也增加了對(duì)空間目標(biāo)紅外偏振特性分析的難度。在第2部分將做一些簡(jiǎn)單的分析。

2 空間目標(biāo)輻射環(huán)境分析

通過(guò)前面的起偏機(jī)理分析，我們發(fā)現(xiàn)紅外自發(fā)輻射以及反射輻射都會(huì)引起光的偏振現(xiàn)象，并且兩者的疊加效果會(huì)引起消偏，因此空間目標(biāo)總偏振特性就要?dú)w結(jié)到兩種輻射在目標(biāo)紅外輻射中的分布情況，這與空間目標(biāo)所處的輻射環(huán)境具有密切的關(guān)系。

空間目標(biāo)的自發(fā)輻射強(qiáng)度主要取決于目標(biāo)表面本身的溫度，對(duì)空間目標(biāo)表面加熱的熱源包括內(nèi)、外熱源2大部分。內(nèi)熱源是指目標(biāo)表殼內(nèi)對(duì)目標(biāo)加熱的，外熱源也就是外界的紅外輻射，主要是指地球和太陽(yáng)，以及宇宙空間其他星體對(duì)空間目標(biāo)的輻射，加熱方式主要有太陽(yáng)直接輻射、地球熱輻射、地球反射輻射以及月亮星體輻射等[5-6]。

反射輻射的強(qiáng)度與外界輻射的輻射強(qiáng)度有密切的關(guān)系，即與外熱源有直接的關(guān)系。圖2是空間目標(biāo)表面與空間目標(biāo)輻射環(huán)境的關(guān)系。

圖2 空間目標(biāo)與空間目標(biāo)輻射環(huán)境

月亮星體的影響較小，我們可以忽略，在日照區(qū)，衛(wèi)星的表面輻射狀態(tài)與太陽(yáng)、地球和衛(wèi)星三者之間的位置密切相關(guān)，太陽(yáng)輻射、地球紅外輻射是空間目標(biāo)主要的外部熱源，它們對(duì)空間目標(biāo)的輻射分布的影響較大，衛(wèi)星反射的太陽(yáng)輻射和地球紅外輻射的輻照度大于空間目標(biāo)自身的紅外輻射輻照度[7]，故此時(shí)在對(duì)空間目標(biāo)偏振特性進(jìn)行分析時(shí)，反射輻射的偏振特性是我們著重考慮的。圖3左圖是我們以自發(fā)輻射與反射輻射的比重系數(shù)為0.3時(shí)的仿真曲線，此時(shí)空間目標(biāo)是自發(fā)輻射偏振特性占據(jù)主導(dǎo)地位，但是反射輻射的消偏作用，偏振度與觀測(cè)角的變化趨勢(shì)有一定改變。

在地球陰影區(qū)，衛(wèi)星接收的太陽(yáng)輻射為零，對(duì)衛(wèi)星表面溫度有影響的只有地球自身的紅外輻射，在空間目標(biāo)紅外輻射特性中占主要因素的不是這部分輻射，而是空間目標(biāo)自身的加熱而產(chǎn)生的紅外輻射[6]。故此時(shí)在對(duì)空間目標(biāo)偏振特性進(jìn)行分析時(shí)，自發(fā)輻射的偏振特性是我們著重考慮的。圖3右圖是我們以反射輻射與自發(fā)輻射的比重系數(shù)為0.3時(shí)的仿真曲線，此時(shí)空間目標(biāo)是反射輻射偏振特性占據(jù)主導(dǎo)地位，但是自發(fā)輻射的消偏作用，偏振度與觀測(cè)角的變化趨勢(shì)有一定改變。

3 空間目標(biāo)紅外偏振特性的分析

我們選取了4種空間目標(biāo)樣品材料：銀色鍍鋁聚酯薄膜、黃色鍍鋁聚酰亞胺薄膜、聚酰亞胺黑色薄膜以及衛(wèi)星太陽(yáng)能電池板，如圖4所示。通過(guò)上述輻射環(huán)境對(duì)偏振特性的影響因素分析，我們知道目標(biāo)的紅外偏振特性是由自發(fā)輻射以及反射輻射偏振特性的疊加，在進(jìn)行空間目標(biāo)常用材料的紅外偏振特性測(cè)量時(shí)，我們?cè)O(shè)定了如下測(cè)試條件：實(shí)驗(yàn)背景溫度為29℃；探測(cè)距離為0.7m；衛(wèi)星材料目標(biāo)樣板加熱到65℃。

如圖5所示是制作的探測(cè)目標(biāo)，將4種空間目標(biāo)材料貼敷于一加熱片上，采用中波紅外分時(shí)偏振探測(cè)系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行紅外偏振成像，觀測(cè)角度為55°。在目標(biāo)灰度圖中，由于聚酰亞胺黑色薄膜發(fā)射率高，因此灰度值明顯偏高，并且很難與加熱片進(jìn)行區(qū)分，太陽(yáng)能電池板次之，黃色以及黑色薄膜難以分辨；在目標(biāo)偏振度圖中，黑色聚酰亞胺膜偏振度較高，并且黃色以及黑色薄膜也有較好的區(qū)分，3種薄膜材料的偏振度從大到小依次為：黑色聚酰亞胺膜、銀色鍍鋁聚酯薄膜、黃色鍍鋁聚酰亞胺薄膜。

圖3 不同輻射環(huán)境下，空間目標(biāo)偏振度與觀測(cè)角的關(guān)系曲線

圖4 空間目標(biāo)樣品材料

Fig.4 Space target samples

圖5 空間目標(biāo)樣品成像實(shí)驗(yàn)

Fig.5 The images of space target samples

我們?cè)诓煌挠^測(cè)角度下，進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)，圖6是4種衛(wèi)星材料偏振度與觀測(cè)角的關(guān)系曲線。

圖6 空間目標(biāo)樣品偏振度與觀測(cè)角的關(guān)系曲線圖

在實(shí)驗(yàn)室條件下，對(duì)空間目標(biāo)常用材料進(jìn)行了定量的測(cè)量分析，我們發(fā)現(xiàn)：在小觀測(cè)角度下，4種材料的偏振度都較小，不易區(qū)分；觀測(cè)角逐步增大，聚酰亞胺黑色薄膜、太陽(yáng)能電池板以及黃色鍍鋁聚酰亞胺薄膜偏振度都有增加的趨勢(shì)，其中黑色聚酰亞胺薄膜偏振度增幅明顯；銀色鍍鋁薄膜偏振度隨觀測(cè)角先增加后減小，偏振度值一直維持在較小的范圍內(nèi)。通過(guò)圖6的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)與理論建模分析的數(shù)值有一定的差異，初步分析原因可能有如下幾點(diǎn)：首先，目標(biāo)材料的實(shí)際折射率與建模所帶入的值并不一致；其次，建模是對(duì)理想光滑表面的分析，而實(shí)際目標(biāo)材料顯然不是理想光滑的；第三，目標(biāo)的總紅外偏振特性是與自發(fā)輻射和反射輻射共同決定的，它們?cè)诳傒椛淠芰恐袡?quán)重我們很難確定；最后，測(cè)量誤差的存在。

4 結(jié)論

紅外偏振探測(cè)作為強(qiáng)度探測(cè)的有力補(bǔ)充，越來(lái)越引起人們的關(guān)注。與可見(jiàn)光不同，由于紅外輻射包括反射輻射和自發(fā)輻射，而且兩者的疊加效果會(huì)引起消偏，因此目標(biāo)紅外偏振特性不僅與目標(biāo)材料觀測(cè)角以及表面狀態(tài)有關(guān)，還與輻射中反射輻射與自發(fā)輻射的能量分布有關(guān)。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)不同空間目標(biāo)常用材料之間偏振特性存在較為明顯差異性，并且隨觀測(cè)角有規(guī)律性的變化，即目標(biāo)偏振特性是由觀測(cè)角以及材料本身的性質(zhì)決定。這種不同材料之間偏振特性的差異性，為后續(xù)空間目標(biāo)的區(qū)分識(shí)別提供依據(jù)，并且衛(wèi)星太陽(yáng)能電池板的角度隨衛(wèi)星姿態(tài)變化明顯，因此通過(guò)太陽(yáng)能電池板偏振度估算衛(wèi)星姿態(tài)具有一定的可行性。

[1] 牛繼勇, 李范鳴, 馬利祥. 目標(biāo)紅外偏振探測(cè)原理及特性分析[J].紅外技術(shù), 2014, 36(3): 215-220.

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[3] Oscar Sandus. A Review of Emission Polarization[J].(S0003-6935) , 1965, 4(12):1634-1642.

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[6] SUN Cheng-ming, YUAN Yan,. ZHANG Xiu-bao. Application of BRDF for modeling on the optical scattering characteristics of space target[J]., 2009, 7383:738338. doi: 10.1117/12.835569.

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Analysis to Infrared Polarization Characteristics of Space Targets

NIU Ji-yong，LI Fan-ming

（，，200083，）

The infrared radiation of targets includes spontaneous radiation and reflected radiation. We analyzed the infrared polarization mechanism based on some theoretical simulation models of spontaneous and reflected radiation, and found the superposition of them leading to depolarization effect. The infrared polarization characteristics of space targets is influenced by materials and view angle, due to the radiation environment of space target is varying with the time. And in the sunshine and shadow regions, the energy distribution between spontaneous and reflected radiation varies greatly, so the infrared polarization characteristics of space targets will have great changes. We created an experimental environment of low temperature and reflected radiation to simulate the environment of shadow regions, and carried out experimental validation and analysis.

space targets，infrared polarization characteristics，modeling and simulation

TN219

A

1001-8891(2015)03-0200-04

2014-08-29；

2014-09-29.

牛繼勇(1989-)，男，山東臨朐人，博士研究生，主要從事紅外偏振探測(cè)技術(shù)研究。E-mail：njy123@mail.ustc.edu.cn。

國(guó)家十二五國(guó)防預(yù)研項(xiàng)目，編號(hào)：41101050501；中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所創(chuàng)新專項(xiàng)基金，編號(hào)：Q-ZY-85。