分焦平面红外偏振摄像技术

第1章绪论 红外摄像系统已广泛应用于精确制导、对地目标侦察、工业现场监测、应急救援、医疗诊断等领域。传统红外摄像系统仅获取某一红外波段（如3～5μm、8～14μm）的辐射强度信息，在检测、跟踪位于复杂背景或干扰影响的目标时难以达到预期效果。尽管部分学者通过改进检测、跟踪算法提升系统性能，但是效果依然欠佳。一个红外摄像系统可以分解为串联在一起的一系列物理事件链条。该链条始于作为辐射源的场景，终于展示给用户的结果。成像链示意图如图1-1所示[1]。要增强红外摄像系统抗复杂背景和干扰的能力，不能单纯加强成像链某个环节的强度（如利用增强算法来提升抗干扰能力），需要对各个环节进行总体加强来增强系统的抗复杂背景和干扰的能力，即同时增强信息获取、处理和分析的能力。 图1-1成像链示意图[1] 如果把成像链中的每一个环节抽象为对辐射源X的一次处理，光电成像器件的输出表示光电fX表示成像器件对辐射源的编码，处理阶段的输出成像器件输出的处理结果，那么根据数据处理定理可得 （1-1） 其中，表示与之间的互信息，用来度量与之间的相关性。与的互信息大于与的互信息，表示保有更多来自X的信息。如果对光电成像器件的输出做两次处理，如图像重构m和特征提取n，那么根据数据处理定理可得 （1-2） IXnmfx式（1-1）和式（1-2）表示对信源X每做一次处理都会有信息量的损失。要减少信息的损失，需要减少成像链中处理环节的数量，这样也会增强整个成像链的可靠性。此外，对于整个成像链来说，其信息量取决于光电成像器件对辐射源X的编码效率。电磁辐射包含辐射强度、光谱、偏振、相位等特征，但是传统红外成像器件只获取辐射源X的空间和辐射强度信息，编码效率低，对整个链条提供的信息量少，会给后续的处理带来困难。目标在反射/辐射电磁辐射时，会产生与目标特性（如材料组成、介电常数、粗糙度）相关的偏振信息，同时大气散射还会改变环境和目标的偏振信息。从获取的偏振信息可以得到介电常数、复折射率、反射率、表面法线方向等目标的理化、结构信息。利用这类信息可以提高目标和干扰之间的辨识度，进而增强系统的抗干扰能力。综合成像链概念、数据处理定理，在红外摄像系统中引入偏振信息，提高光电成像器件对辐射源X的编码效率，设计有针对性的处理算法，可以在增强系统信息获取能力的同时，增强成像链的各个环节，提升成像系统抗复杂背景和干扰的能力。 1.1斯托克斯矢量 偏振成像的目的是对场景中不同空间位置辐射的偏振状态进行解算并成像。光的偏振状态通常采用斯托克斯矢量表示，即，其中S0表示光的总强度，S1表示水平或垂直方向的线偏振能量，S2表示+45°或.45°方向线偏振能量，S3表示左旋或右旋圆偏振分量。光的偏振特性本质上是光的电场振动特性，目前尚无法实现直接对光的偏振状态进行测量或成像，因此基于光强测量实现偏振成像是现阶段技术条件下十分自然的选择。一束入射光可以表示为两个正交方向的分量，即 （1-3） （1-4） 其中，和为两个分量的幅值；和为两个分量的相位。 平面波的斯托克斯参量可以表示为 （1-5） （1-6） （1-7） （1-8） 其中，*表示共轭复数。 为实现对入射光斯托克斯参量的测量，需要对入射光进行偏振调制，通常使用相位延迟器和线偏振片对入射光进行调制。斯托克斯参量测量的示意图如图1-2所示。令入射光线分别通过一个相位延迟器与线偏振片，相位延迟器将x方向偏振分量的相位提前，y方向偏振分量的相位推迟，那么经过相位延迟器的正交方向偏振分量变为 （1-9） （1-10） 图1-2斯托克斯参量测量的示意图 经过相位延迟器后，光线继续穿过一个线偏振片。假设线偏振片的透光轴与x轴之间的夹角为θ，线偏振片具有理想的消光性能，即只有Ex′和E′y在线偏振片透光方向的分量才能透过线偏振片，Ex′和E′y在偏振片透光方向的分量为Ex′cosθ和E′ysinθ，光线经过线偏振片后的总能量可写为 （1-11） 光强定义为 （1-12）根据式（1-11）与式（1-12），可得经过相位延迟器与线偏振片调制后的光强，即 （1-13） 进一步，通过三角变换可得 （1-14） 用式（1-5）～式（1-8）替换式（1-14）中的各项，可得斯托克斯公式，即 斯托克斯公式建立了经相位延迟器与偏振片调制后的光强与入射光斯托克斯参量之间的关系。通过调节相位延迟器的相位延迟角和线偏振片的透光轴方向进行多次强度测量，就可以解算入射光的偏振态。自然条件下的圆偏分量S3极低，且测量方式更加复杂，通常光电成像只考虑入射光线偏振态的测量。只考虑线偏振成像便无须相位延迟器，即φ=0，那么式（1-15）可进一步改写为 （1-16） 2在线偏振成像系统中，通常设置线偏振片的方向为。 这种设置可以*大化测量信噪比且*小化系统误差[3]。线偏振片在不同方向的强度测量结果为 （1-17） （1-18） （1-19） （1-20） 2根据式（1-17）～式（1-20）可以进一步解算出入射光的前三个斯托克参量，即1 （1-21） （1-22) （1-23） 利用斯托克斯参量可计算入射光的两个主要偏振特性，即线偏振度（degree of linear polarization，DoLP）与偏振角（angle of polarization，AoP），即 （1-24） （1-25） 1.2红外偏振成像器件 为了获取目标偏振信息量，目前已发展出多种偏振成像技术，根据获取的图像的差异，大致分为如下几类。 1.分时偏振成像装置 机械旋转偏振光学元件出现于20世纪70年代，它通过旋转偏振片和波片依次采集多个偏振片和波片方向的图像来解算场景的偏振信息。这是*直接也是*简单的偏振成像方式。因为旋转偏振片需要消耗一定的时间，所以在采集过程中场景需要严格保持静止状态。另外，采集装置的振动也会导致采集的多帧图像存在不对齐的问题，使偏振信息计算不准确。机械旋转偏振片式分时偏振成像装置原理如图1-3所示。 图1-3机械旋转偏振片式分时偏振成像装置原理图 2.分振幅型偏振成像装置 分振幅型偏振成像装置出现于20世纪80年代。光进入该系统后被分束光学器件分成多束，然后采用不同方向偏振片进行调制。这种方式可以一次性获得不同方向偏振片调制后的光强信息，不存在分时偏振成像系统中的不对齐问题。但是，解算场景中的偏振信息至少需要3个偏振方向的强度图像。这意味着分振幅型偏振成像系统中至少需要配置3套成像器件。这会导致系统体积大，调试复杂，不利于实际使用。分振幅型偏振成像装置原理图如图1-4所示。 图1-4分振幅型偏振成像装置原理图 3.分孔径型偏振成像装置 分孔径型偏振成像装置出现于20世纪90年代后期。该装置利用微透镜阵列将入射光分为4个部分，通过将一个探测器分为4个区域实现同一探测器接收，然后通过简单计算实现偏振成像。该成像方式可以在同一焦平面获得不同偏振方向的强度图像，但是会造成每个偏振方向的强度图像分辨率降低四分之一。另外，由于该系统的偏心结构，分孔径型偏振成像装置的装配存在一定难度，会给实际使用带来不便。分孔径型偏振成像装置原理图如图1-5所示。 图1-5分孔径型偏振成像装置原理图 4.分焦平面型偏振成像装置 分焦平面型偏振成像装置出现于2000年，是目前*先进的红外偏振成像技术方案。它直接在探测器探测面阵的每个像元前加装微型偏振片，4个为一组，实现偏振探测，微型化的特点明显。该成像装置可以一次成像获得4个偏振方向的