红外偏振技术在成像探测中的应用

李艳华

（武汉轻工大学电气与电子工程学院，湖北武汉 430048）

当前，大多数成像探测系统是通过利用光的强度和光谱信息实现对目标的探测。偏振成像探测是通过在成像系统上增加的偏振检测装置测试并获取光线不同方向的偏振状态信息，进而实现对目标的探测。目标辐射的偏振态变化与其固有属性密切相关，通过对目标偏振信息图像的分析计算，获取其偏振度、偏振角等参数，用于实现对目标形状、粗糙度、介质特性等特征的深入分析。此外，通过将目标的偏振信息和强度信息融合，提供更多维度的目标信息，可大幅提升成像探测系统对隐身、伪装目标的远距离探测识别能力。

1 偏振成像探测基本原理

根据电磁学理论，光波作为一种电磁波，除了具有波长、频率、振幅等基本属性外，光的偏振是由其横波特性决定的一种重要属性。光的传播方向与其电矢量、磁矢量相互正交，光的偏振是指电矢量的振动相对于光传播方向的不对称性，可分为非偏振、部分偏振及完全偏振3种状态。其中，自然光属于非偏振光。

根据菲涅尔定律和基尔霍夫定律，目标的偏振信息主要包括两部分，即目标表面反射辐射的偏振信息和自身热辐射的偏振信息。

在偏振成像领域，一般采用斯托克斯矢量法（Stokes 矢量法）来表征反射光和辐射光的偏振信息。光的斯托克斯矢量与S 波分量振幅Ep、P 波分量振幅Es以及两者相位差δ的关系如下：

式中，S0为光的总强度，S1为水平方向线偏振光强度，S2为45°方向线偏振光强度，S3为圆偏振光强度，I0、I45、I90、I135分别为检偏器透光轴在方位角选取0°、45°、90°、135°时获得的强度值，Irc和Ilc分别为左旋光和右旋光强度。

研究表明，圆偏振分量S3一般较小，实际工程应用中可忽略不计。利用Stokes 矢量法可以计算得到目标辐射的线偏振度DoLP（Degree of Linear Polarization）和偏振角AoP（Angle of Polarization）。

偏振成像原理如图1所示，目标偏振信息主要受目标材料、表面粗糙度及观测角等因素影响。

图1 偏振成像原理

2 红外偏振成像技术

红外偏振成像系统的整体工作过程如图2所示。即：计算机发送指令给控制模块，控制模块带动红外偏振器件旋转到指定位置，目标场景光信号经过前端光学系统、偏振器件等聚焦到焦平面探测器（FPA）上。红外偏振成像仪分别对4个不同偏振态进行成像，并将采集到的图像信息传输给计算机，通过数字图像处理解算出目标的偏振信息，提取目标的红外辐射特性，实现对红外场景目标的偏振成像探测。上述过程涉及的关键点主要是：红外偏振成像仪的装配、偏振定标、非均匀性校正及红外偏振成像信息融合。

图2 红外偏振成像系统工作流程

与传统红外成像系统相比，红外偏振成像是在其光学系统与焦平面探测器之间增加了红外偏振器件，以实现对目标偏振信息的获取，主要获取4个不同偏振方向下的I0、I45、I90、I135值。目前，红外偏振成像方式主要分为分时型偏振成像（DoT）、实时型偏振成像。其中，实时型偏振成像方式根据其应用偏振装置的不同又可细分为分振幅型（DoAM）、分孔径型（DoAP）、分焦平面型（DoFP）等（图3）。其各自的工作原理及特点见表1。

表1 不同偏振成像系统工作原理及特点

图3 红外偏振成像系统

红外偏振成像系统中，偏振器件的单元尺寸与红外焦平面探测器的像元尺寸匹配一致，两者装配时需要保证精确对准。然而，红外焦平面探测器需要在深冷条件下工作，如何在常温装配过程中保证其低温工作的对准精度是关键，需要考虑材料的膨胀系数及装配工艺等因素。同时，偏振器件与探测器焦面装配后存在一定间距，导致相邻像素间出现串扰，消光比下降，增加了偏振态测量的不确定性。例如，国外研究表明，对于30 μm×30 μm 的中波红外偏振器件，当偏振器件与探测器焦面的距离从0.5 μm 增加到1.0 μm时，消光比下降约30%[1]。像素尺寸越小，偏振器件消光比下降越显著，串扰问题越难解决。

偏振成像系统内部的光学表面会改变入射光的偏振态，严重影响偏振探测精度，在偏振成像实际应用中，必须对其进行高精度的偏振定标。偏振定标相较于传统辐射标定要复杂、困难，其通过标定成像系统中影响矢量辐射传输的物理参数以获取系统的测量矩阵。从定标源及定标算法的角度分类，偏振定标可分为四点法和Equator-Poles（E-P）法。其中，E-P 法的定标源偏振态更理想，可获取更高的定标精度。例如，Tao F 等[2]基于E-P 法设计了一种利用标准线偏振光源与圆偏振光源的定标方法，定标后偏振测量精度优于1%。

红外偏振成像系统的非均匀性对探测效果影响严重，实际应用中需要进行非均匀性校正。红外偏振成像的非均匀性主要由探测器、偏振器件及光学系统的非均匀性耦合产生，尤其是偏振器件的透过率和消光比非均匀性耦合，使得偏振成像的非均匀性校正比传统强度成像复杂。目前，针对红外偏振成像的非均匀性校正问题，国内外主要采用矩阵校正法。例如利用穆勒矩阵可以很好描述偏振特性的特点，Zhang J C等[3]提出了一种基于标定的偏振图像非均匀性校正方法，可实现对非均匀噪声图像的较好校正。

红外偏振成像信息融合是通过将目标场景的红外辐射强度图像和其偏振图像进行信息融合，获得具有丰富信息的红外偏振图像。该技术的核心是图像信息融合算法，如何有效地将多幅图像的信息进行提取整合，从而获得比源图像更丰富、更有价值的信息是关键。根据融合目的和数据源的不同，图像融合算法大致可分为传统图像融合法、多分辨率融合法及人工智能融合法。鉴于传统图像融合方法存在一定的缺陷（例如重要局部特征的丢失），人工智能方法尚不成熟，针对红外偏振图像的信息融合多采用多分辨率融合算法。图4为离散小波变换的偏振图像融合过程。

图4 离散小波变换的偏振图像融合过程

3 红外偏振技术在成像探测中的典型应用

对空目标偏振成像探测方面，美国空军实验室开展了对小型遥控飞机在不同背景（包含天空、树林、跑道、草地）下长波红外偏振成像实验，如图5所示，在杂乱背景下长波红外偏振成像更能凸显目标，与传统的长波红外图像相比，其最大虚警率由0.52降为0.01，信杂比提升了3.4～35.6倍[4]。

图5 低空小型无人机长波红外偏振成像探测实验

对红外小目标探测方面，基于人造目标与自然背景的红外偏振特性差异，采用基于偏振信息的小目标检测方法，利用红外的偏振度信息和偏振角信息能有效地抑制背景杂波和噪声，突出目标信息，可解决受杂波干扰的问题，如图6和图7所示[5]。

图6 红外强度图像与偏振信息

图7 偏振信息处理

针对红外强度图像受到复杂环境及背景影响导致目标背景对比度下降而无法有效检测目标的问题，研究提出了一种基于红外偏振图像的舰船目标检测方法[6]。通过仿真实验，共采集了86组实验样本数据，舰船目标309个，红外偏振图像能够有效提高目标与背景局部对比度，有效抑制海杂波对红外偏振图像检测舰船目标带来的不良影响，准确地检测出舰船目标，在红外图像对比度低的场景下准确率和查全率分别达到93.2%和95.7%。

针对运动目标的检测，利用分时型偏振技术，以900 r/min 速度电机驱动金属线栅型偏振片旋转，从而快速有效地采集目标场景不同偏振方向的红外强度图像。利用该系统对天空中飞行的客机进行红外偏振成像测量，能够稳定获取目标的红外偏振度和偏振角图像。测试结果表明，相对于强度图像，红外偏振度和偏振角图像的飞机轮廓更加清晰、边缘特征更为明显[7]。

4 结束语

传统红外成像探测技术主要是通过获取所观测场景的热辐射，利用目标与背景的辐射强度差异，将目标从背景中进行区分，进而实现对目标的检测、识别与跟踪。作为一种新型光电探测技术，红外偏振成像技术是对传统强度成像的补充和发展，其将目标的偏振信息和强度信息融合，丰富目标更多维度的信息，可有效提升对目标的探测与识别性能，具有广阔的应用前景。