海面太阳耀光背景下的偏振探测技术

张卫国

(91550部队，辽宁 大连 116021)

1　引　言

平静的海面或者低风速情况下的波动海面可以近似看作微镜的组合。当太阳光入射时，在与入射光方向关于法线对称的反射光方向上会产生强烈的反射辐射，形成太阳耀光。受太阳耀光影响的中心区域，辐射强度使得传感器极易达到饱和，无法实现对海面目标的有效探测[1-5]。

偏振是光的另一个固有属性，是独立于强度、波长和相位的光学信息维度[6-12]。研究表明，太阳耀光具有较明显的偏振特性[13-14]，基于该特性，采用偏振自适应滤波探测方法能够：(1)实现对强背景辐射的有效抑制；(2)不受海面目标运动的影响，不受太阳观测相对方位角、风速、风向等因素影响，可实时检测出变化的强散射背景的偏振特性，实现实时的偏振自适应滤波。与常规探测方法相比，该方法能够显著提升海面目标在强散射背景下的探测能力。

本文将偏振探测技术应用于太阳耀光背景下的海面目标探测领域。详细介绍了偏振探测系统的功能和组成、偏振探测及背景抑制原理；并给出了该系统的光学设计结果和偏振定标方法；利用双波段自适应偏振滤波探测系统，针对海上典型目标，开展了相关的偏振验证实验。

2　偏振探测系统的功能和组成

2.1　偏振探测系统的功能

偏振自适应滤波探测系统主要具有以下功能：(1)具备短波红外波段偏振探测图像的实时采集及显示、偏振数据区域选取、数据分析及处理功能；(2)具备偏振自适应实时滤波功能；(3)具备光强、偏振度及偏振角信息处理功能；(4)具备图像灰度自动拉伸功能；(5)具备电动调焦功能。

2.2　偏振探测系统的组成

偏振自适应滤波探测系统主要由前置光学分系统、偏振分析仪分系统、转轮控制分系统和偏振探测仪分系统构成。前置光学分系统将目标/背景的入射辐射进行光谱分光后，分成两路，其中可见光波段进入偏振分析仪分系统，短波红外波段进入偏振探测仪分系统。偏振分析仪与偏振探测仪同光轴，视场大小相近。偏振分析仪利用偏振探测器，能够实时对海面耀光的偏振特性进行测量，为偏振探测仪中的偏振片转轮提供有效的背景抑制方向信息。偏振探测仪具有两种工作模式：(1)当耀光背景的偏振特性较强时，采用旋转滤光片型的偏振探测方式，根据偏振分析仪的测量结果，利用转轮控制分系统实时控制偏振片旋转角度，改变其透偏方向，使得偏振片的检偏方向与背景的偏振方向相垂直，从而有效抑制背景辐射，提升观测目标的探测对比度；(2)当耀光背景的偏振特性较弱，且强度相对较弱时，偏振片转轮移出光路，采用光强探测方式可最大限度地提升目标与背景的探测对比度。转轮控制分系统根据偏振分析仪测量结果和预先设置的切换阈值，实时控制转轮机构旋转/移出/移入光路。整个偏振自适应滤波系统的内部组成及连接关系图如图1所示。

图1　偏振自适应滤波系统的组成及内部连接关系 Fig.1　Internal composition and connection in polarization adaptive filtering system

3　偏振探测及背景抑制原理

太阳耀光的入射辐射能量可以表示为斯托克斯矢量形式S=(S0,S1,S2,S3)T，其中，分量S0表示光强，分量S1和S2表示线偏振分量，分量S3表示圆偏振分量。光学元件或系统对入射光偏振态的改变可用4×4穆勒矩阵M描述，假设第i次探测时，偏振成像探测系统的穆勒矩阵为：

(1)

则探测器获得的光强为：

Ii=Mi10S0+Mi11S1+Mi12S2+Mi13S3,

(2)

若采用具有不同偏振传输特性的成像通道进行N次(N次分时探测或N通道探测)成像探测，获得的光强为：

I=(I1,I2,…,IN)T.

(3)

将N次探测过程表示为矩阵形式：

(4)

其中，W为偏振探测系统的探测矩阵，通过求解W的逆矩阵W-1即可获得入射光的斯托克斯矢量：

S=W-1I.

(5)

根据斯托克斯矢量中前三项S0、S1、S2因子，即可得到目标图像的偏振度DoLP和偏振角AoP信息，表示如下：

(6)

(7)

根据偏振度DoLP分析结果，控制偏振转轮移入/移出光路。移入时，将旋转偏振片角度调整到AoP+90°方向，即可实现对海面太阳耀光的有效抑制。

4　光学设计结果

偏振自适应滤波探测系统中，全部镜片均采用球面镜设计，最终设计结果如图2所示。

图2　偏振系统光路示意图 Fig.2　Optical path schematic of polarization system

系统主口镜为150 mm，入射光线经过主镜、次镜、三镜和四镜反射后，经过准直透镜，平行入射至分色镜表面，将光路分成0.5～0.85 μm和0.9～1.7 μm两个波段。每组光路又分别经过各自的成像镜组进行成像探测。

图3　偏振分析仪点列图 Fig.3　Spot diagram of polarization analyzer

图4　偏振探测仪点列图 Fig.4　Spot diagram of polarization detector

图5　偏振分析仪MTF曲线图 Fig.5　MTF of polarization analyzer

采用系统不同波长处的点列图和MTF(调制传递函数)对系统成像质量进行评价。图3为偏振分析仪在0.5、0.6和0.7 μm对应的点列图。图4为偏振探测仪在0.9、1.3和1.7 μm对应的点列图。图5和图6分别为偏振分析仪和偏振探测仪的MTF曲线图。由图5、图6可知，在满足各自探测器奈奎斯特采样频率的条件下，MTF平均值(子午面和弧矢面MTF的平均值)均大于0.45，满足应用要求，表明光学系统成像质量良好。偏振分析仪和偏振探测仪所对应的探测视场分别为0.8°和0.5°。

图6　偏振探测仪MTF曲线图 Fig.6　MTF curves of polarization detector

5　试验结果及分析

利用偏振自适应滤波探测系统，搭载望远镜跟踪试验平台，针对海上静止和运动目标，分别开展了抑制太阳耀光的偏振验证实验。实验中采用C++高级程序语言，对相机采集程序和转轮控制程序进行二次开发。利用偏振分析仪的探测矩阵，实时解算目标偏振特性信息，并利用偏振探测仪的探测矩阵，解算偏振片旋转角度，进而完成对太阳耀光的抑制及抑制图像的采集。

针对海面静止目标，典型结果如图7所示。可见，经过偏振分析仪的探测，背景海面耀光的偏振度约为0.4。对比图7(a)和图7(b)发现，通过改变偏振片角度，能够对太阳耀光的光强进行调制和抑制；在降低太阳耀光的情况下，目标船的细节特征能够有效凸显。

图7　静止目标抑制效果比对图 Fig.7　Comparison of suppression effects for static target

海面运动目标从非耀光区进入耀光区，由于目标运动速度快，观测时间短，探测过程中通常采用固定积分时间。本文考察了使用固定积分时间，利用非偏探测手段与非偏和偏振手段相结合的效果对比。结果分别如图8和图9所示。数据分析结果见表1。由表1可见，在整个目标观测区域内，采用偏振探测手段能够显著抑制太阳耀光，提升目标探测对比度；从非耀光区到耀光区，采用偏振技术能够将对比度保持在一个合理的范围，能够有效解决固定积分时间下，不同观测区域成像对比度差异大的问题，以及非耀光区对比度不明显或耀光区背景饱和的问题。

图8　采用非偏探测时运动目标非耀光区和耀光区非偏效果比对图 Fig.8　Comparison of moving target on the non-glare zone and glare zone(non-polarized) by using non-polarization detection

图9　采用非偏探测与偏振探测相结合时运动目标非耀光区和耀光区偏振效果比对图 Fig.9　Comparison of moving target on the non-glare zone and glare zone(polarized) by combining non-polarizaion and polarization detection technology

表1　数据分析结果

实验过程中，仪器对太阳耀光的观测俯仰角约为-2°，根据不同的观测方位角，利用偏振分析仪测得的太阳耀光偏振度变化区间为0.2～0.3。针对动目标的实验过程中，由于太阳耀光偏振特性的连续变化，且变化量较小，所以控制偏振片旋转角度的响应时间近似为实时。

6　结　论

本文针对海面目标探测时对太阳耀光背景的抑制需求，设计并构建了一套双波段自适应偏振滤波探测系统。将该系统搭载于望远镜跟踪试验平台，以海上典型目标为对象，开展了相关的偏振验证实验。实验结果表明：海面太阳耀光存在比较明显的偏振特性，在精确测得耀光偏振度和偏振角的基础上，能够利用偏振探测技术有效抑制太阳耀光的影响，可确保耀光区内的静止目标及运动目标在观测区域内的有效探测。

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