紅外偏振技術在成像探測中的應用

李艷華

（武漢輕工大學電氣與電子工程學院，湖北武漢 430048）

當前，大多數成像探測系統是通過利用光的強度和光譜信息實現對目標的探測。偏振成像探測是通過在成像系統上增加的偏振檢測裝置測試并獲取光線不同方向的偏振狀態信息，進而實現對目標的探測。目標輻射的偏振態變化與其固有屬性密切相關，通過對目標偏振信息圖像的分析計算，獲取其偏振度、偏振角等參數，用于實現對目標形狀、粗糙度、介質特性等特征的深入分析。此外，通過將目標的偏振信息和強度信息融合，提供更多維度的目標信息，可大幅提升成像探測系統對隱身、偽裝目標的遠距離探測識別能力。

1 偏振成像探測基本原理

根據電磁學理論，光波作為一種電磁波，除了具有波長、頻率、振幅等基本屬性外，光的偏振是由其橫波特性決定的一種重要屬性。光的傳播方向與其電矢量、磁矢量相互正交，光的偏振是指電矢量的振動相對于光傳播方向的不對稱性，可分為非偏振、部分偏振及完全偏振3種狀態。其中，自然光屬于非偏振光。

根據菲涅爾定律和基爾霍夫定律，目標的偏振信息主要包括兩部分，即目標表面反射輻射的偏振信息和自身熱輻射的偏振信息。

在偏振成像領域，一般采用斯托克斯矢量法（Stokes 矢量法）來表征反射光和輻射光的偏振信息。光的斯托克斯矢量與S 波分量振幅Ep、P 波分量振幅Es以及兩者相位差δ的關系如下：

式中，S0為光的總強度，S1為水平方向線偏振光強度，S2為45°方向線偏振光強度，S3為圓偏振光強度，I0、I45、I90、I135分別為檢偏器透光軸在方位角選取0°、45°、90°、135°時獲得的強度值，Irc和Ilc分別為左旋光和右旋光強度。

研究表明，圓偏振分量S3一般較小，實際工程應用中可忽略不計。利用Stokes 矢量法可以計算得到目標輻射的線偏振度DoLP（Degree of Linear Polarization）和偏振角AoP（Angle of Polarization）。

偏振成像原理如圖1所示，目標偏振信息主要受目標材料、表面粗糙度及觀測角等因素影響。

圖1 偏振成像原理

2 紅外偏振成像技術

紅外偏振成像系統的整體工作過程如圖2所示。即：計算機發送指令給控制模塊，控制模塊帶動紅外偏振器件旋轉到指定位置，目標場景光信號經過前端光學系統、偏振器件等聚焦到焦平面探測器（FPA）上。紅外偏振成像儀分別對4個不同偏振態進行成像，并將采集到的圖像信息傳輸給計算機，通過數字圖像處理解算出目標的偏振信息，提取目標的紅外輻射特性，實現對紅外場景目標的偏振成像探測。上述過程涉及的關鍵點主要是：紅外偏振成像儀的裝配、偏振定標、非均勻性校正及紅外偏振成像信息融合。

圖2 紅外偏振成像系統工作流程

與傳統紅外成像系統相比，紅外偏振成像是在其光學系統與焦平面探測器之間增加了紅外偏振器件，以實現對目標偏振信息的獲取，主要獲取4個不同偏振方向下的I0、I45、I90、I135值。目前，紅外偏振成像方式主要分為分時型偏振成像（DoT）、實時型偏振成像。其中，實時型偏振成像方式根據其應用偏振裝置的不同又可細分為分振幅型（DoAM）、分孔徑型（DoAP）、分焦平面型（DoFP）等（圖3）。其各自的工作原理及特點見表1。

表1 不同偏振成像系統工作原理及特點

圖3 紅外偏振成像系統

紅外偏振成像系統中，偏振器件的單元尺寸與紅外焦平面探測器的像元尺寸匹配一致，兩者裝配時需要保證精確對準。然而，紅外焦平面探測器需要在深冷條件下工作，如何在常溫裝配過程中保證其低溫工作的對準精度是關鍵，需要考慮材料的膨脹系數及裝配工藝等因素。同時，偏振器件與探測器焦面裝配后存在一定間距，導致相鄰像素間出現串擾，消光比下降，增加了偏振態測量的不確定性。例如，國外研究表明，對于30 μm×30 μm 的中波紅外偏振器件，當偏振器件與探測器焦面的距離從0.5 μm 增加到1.0 μm時，消光比下降約30%[1]。像素尺寸越小，偏振器件消光比下降越顯著，串擾問題越難解決。

偏振成像系統內部的光學表面會改變入射光的偏振態，嚴重影響偏振探測精度，在偏振成像實際應用中，必須對其進行高精度的偏振定標。偏振定標相較于傳統輻射標定要復雜、困難，其通過標定成像系統中影響矢量輻射傳輸的物理參數以獲取系統的測量矩陣。從定標源及定標算法的角度分類，偏振定標可分為四點法和Equator-Poles（E-P）法。其中，E-P 法的定標源偏振態更理想，可獲取更高的定標精度。例如，Tao F 等[2]基于E-P 法設計了一種利用標準線偏振光源與圓偏振光源的定標方法，定標后偏振測量精度優于1%。

紅外偏振成像系統的非均勻性對探測效果影響嚴重，實際應用中需要進行非均勻性校正。紅外偏振成像的非均勻性主要由探測器、偏振器件及光學系統的非均勻性耦合產生，尤其是偏振器件的透過率和消光比非均勻性耦合，使得偏振成像的非均勻性校正比傳統強度成像復雜。目前，針對紅外偏振成像的非均勻性校正問題，國內外主要采用矩陣校正法。例如利用穆勒矩陣可以很好描述偏振特性的特點，Zhang J C等[3]提出了一種基于標定的偏振圖像非均勻性校正方法，可實現對非均勻噪聲圖像的較好校正。

紅外偏振成像信息融合是通過將目標場景的紅外輻射強度圖像和其偏振圖像進行信息融合，獲得具有豐富信息的紅外偏振圖像。該技術的核心是圖像信息融合算法，如何有效地將多幅圖像的信息進行提取整合，從而獲得比源圖像更豐富、更有價值的信息是關鍵。根據融合目的和數據源的不同，圖像融合算法大致可分為傳統圖像融合法、多分辨率融合法及人工智能融合法。鑒于傳統圖像融合方法存在一定的缺陷（例如重要局部特征的丟失），人工智能方法尚不成熟，針對紅外偏振圖像的信息融合多采用多分辨率融合算法。圖4為離散小波變換的偏振圖像融合過程。

圖4 離散小波變換的偏振圖像融合過程

3 紅外偏振技術在成像探測中的典型應用

對空目標偏振成像探測方面，美國空軍實驗室開展了對小型遙控飛機在不同背景（包含天空、樹林、跑道、草地）下長波紅外偏振成像實驗，如圖5所示，在雜亂背景下長波紅外偏振成像更能凸顯目標，與傳統的長波紅外圖像相比，其最大虛警率由0.52降為0.01，信雜比提升了3.4～35.6倍[4]。

圖5 低空小型無人機長波紅外偏振成像探測實驗

對紅外小目標探測方面，基于人造目標與自然背景的紅外偏振特性差異，采用基于偏振信息的小目標檢測方法，利用紅外的偏振度信息和偏振角信息能有效地抑制背景雜波和噪聲，突出目標信息，可解決受雜波干擾的問題，如圖6和圖7所示[5]。

圖6 紅外強度圖像與偏振信息

圖7 偏振信息處理

針對紅外強度圖像受到復雜環境及背景影響導致目標背景對比度下降而無法有效檢測目標的問題，研究提出了一種基于紅外偏振圖像的艦船目標檢測方法[6]。通過仿真實驗，共采集了86組實驗樣本數據，艦船目標309個，紅外偏振圖像能夠有效提高目標與背景局部對比度，有效抑制海雜波對紅外偏振圖像檢測艦船目標帶來的不良影響，準確地檢測出艦船目標，在紅外圖像對比度低的場景下準確率和查全率分別達到93.2%和95.7%。

針對運動目標的檢測，利用分時型偏振技術，以900 r/min 速度電機驅動金屬線柵型偏振片旋轉，從而快速有效地采集目標場景不同偏振方向的紅外強度圖像。利用該系統對天空中飛行的客機進行紅外偏振成像測量，能夠穩定獲取目標的紅外偏振度和偏振角圖像。測試結果表明，相對于強度圖像，紅外偏振度和偏振角圖像的飛機輪廓更加清晰、邊緣特征更為明顯[7]。

4 結束語

傳統紅外成像探測技術主要是通過獲取所觀測場景的熱輻射，利用目標與背景的輻射強度差異，將目標從背景中進行區分，進而實現對目標的檢測、識別與跟蹤。作為一種新型光電探測技術，紅外偏振成像技術是對傳統強度成像的補充和發展，其將目標的偏振信息和強度信息融合，豐富目標更多維度的信息，可有效提升對目標的探測與識別性能，具有廣闊的應用前景。