红外偏振成像

红外偏振成像

红外偏振成像是红外探测成像科学中的一个全新领域。它将可见光中的偏振成像技术引入到红外领域，为红外探测和红外图像处理提供了新的思路和方法。本文主要通过查阅文献资料，了解有关红外偏振成像的原理、红外偏振成像相对于传统红外成像的优点，红外偏振成像的系统等。

 如今红外探测的精度和灵敏度越来越高，可以探测的目标温差越来越小，但是，由于杂乱背景信号的限制，目标发现和识别的概率却仍不是很高。使用伪装技术，在目标物周围放置温度相同的噪声源，那么现有的红外热像仪就无法进行识别了。如何解决这一问题，就是将偏振成像引入红外领域的目的。

不同物体或同一物体的不同状态会产生不同的偏振状态，形成不同的偏振光谱。传统红外技术测量的是物体的辐射的强度，而偏振测量的是物体辐射在不同偏振方向上的对比度，因此它能够将辐射强度相同而偏振性不同的物体区别开来。

红外偏振成像技术优势

（1）红外偏振测量无需准确的辐射量校准就可以达到相当高的精度，因为偏振度是辐射值的比值。而红外测量系统的定标对于红外系统的测量准确度至关重要。红外器件的老化、光电转换设备的老化、电子线路的噪声甚至环境温度、湿度的变化都会影响到红外系统。

（2）根据调研国外公开发表的文献的数据说明，其中自然环境中地物背景的红外偏振度非常小（＜1.5%），只有水体体现出较强的偏振特性，其偏振度一般在8%～10%。而金属材料目标的红外偏振度相对较大，达到了2%～7%，因此以金属材料为主体的车辆的偏振度和地物背景的偏振度差别也较大。两物体偏振度值差别达到1%，成偏振图像后我们就能够很好地分辨出两物体之间的差异。所以利用红外偏振成像技术识别地物背景中的车辆目标具有明显的优势。

（3）军事中经常使用伪装涂料对目标进行伪装，喷涂了红外伪装漆的金属板的发射率会改变。辐射率比较低的热红外伪装漆可以使目标在红外辐射强度图中有较低的灰度值，与普通材料相比，伪装涂料能有效地减弱目标的红外特征，达到红外波段伪装目标的目的。然而经过伪装的目标板的偏振度没有随发射率的变化而有较大改变，改变金属板发射率的伪装方法对半的偏振度的影响比较小。因此在偏振图像中经过伪装的目标失去了伪装效果而很容易被发现。

偏振理论

当一束光在两种介质的界面上反射和折射时，反射光和折射光的偏振方向会发生改变。振动的方向要根据光的电磁理论，有电磁场的边界条件决定。

由菲涅尔公式可以知道，当光以除0°和90°外的任何角度入射时，反射光中电矢量的平行分量总是小于电矢量的垂直分量值。这两个分量值的不同，引起了反射波部分偏振。

偏振光的偏振程度可以由偏振度P来表示

为偏振光沿某一方向上所具有的能量最大值，为在其垂直方向上具有的能量最小值。

斯托克斯表示法

斯托克斯表示法是目前最常用的偏振度的表示方法，它既可以将关于偏振的所有信息很好的表达出来，斯托克斯指出，一束光的偏振状态可以由四个参数I、Q、U、V完全描述，这组参数称为斯托克斯参数。每个斯托克斯参数都可用光强表示，因此可以直接测量。

Ex(t)、Ey(t)和δ(t)表示电场在x、y垂直方向上的振幅和相位。<v>的含义是求v的时间平均值。

若用光强来表示则为：

Io为光波的总强度，I0、I90、I+45、I-45、Ir 、I1分别表示置放在光波传播路径上一理想偏振片在0°、90°、+45°、-45°方向上的线偏振光以及左旋（l）和右旋（r）圆偏振光强。

I 表示光波的总强度，因而总是正的。Q表示x方向与y方向上的线偏振光的强度差，根据x方向占优势、y方向占优势或是一样，Q取值正、负或零。U表示+1/4π方向与-1/4π方向上的线偏振光的强度差，根据+1/4π方向占优势、-1/4π方向占优势或是一样，U取值正、负或零。V表示右旋还是左旋圆偏振分量占优势，根据右旋方向占优势、左旋方向占优势或是一样，V取值正、负或零。

在自然界大气背景及目标物对太阳入射的偏振效应中，圆偏振的分量极少，圆偏振分量在仪器可以检测的范围内很小，相对于仪器的误差来说可以忽略，故通常假定V=0。因而,要完全确定一束光线的偏振状态，还需要三个独立数来确定I、Q、U这三个参量。

偏振度用斯托克斯参数来表示就是：

测量系统的结构

图1 红外偏振成像系统结构框图

图2 偏振测量原理图

偏振器的设计，根据测量方法的不同，其设计结构也不同。一般的斯托克斯参量的测量方法有两类，一类是偏振光调制法，这种方法是在待测光路中引入起偏器和相位延迟器，如（图2）并对它进行调制，通过测量调制光强求得斯托克斯参量；另一类则是采用分波前或分振幅的方法，把待测光束分为四束，用四个光探测器，同时完成对某一瞬时各斯托克斯参量的测量。

第二种方法需要四个探测器，而如今高质量的红外探测器成本很高，所以不宜采用。

第一种方法根据延迟器的不同也可分为两类。一类是通过旋转波片来调节相位的，这就需要给偏振系统加一个机械传动装置，比较麻烦。为了尽量避免加入机械装置，力求仪器的简洁高效，使用电光效应来控制相位就比较理想了。这样只需调节电压的大小，就能控制相位变化了。

偏振测量对图像的影响

由于漫反射的原因，一般自然物不显示出偏振特性或者显示出很小的偏振特性（在这里忽略不计），而一般的人造物体，在特定的角度下能够显示出很强的偏振特性。假设车辆在垂直方向具有52%的偏振度，水平方向的偏振度为0，而自然光（在这里指不带有偏振特性的红外光）经过偏振器的透过率为50%。将这些直接反映到灰度值上面，就是自然光经过偏振器后将会有50%的衰减，而偏振光透过偏振片的主透过率为80%。所以在垂直方向上经过偏振器后车辆目标的灰度值为：

而在水平方向上的灰度值为

其他背景的灰度值为50%I

经过偏振器后，虽然图像总的灰度值降低了，但是车辆和背景的灰度值差加大了，这使得原图中不易提取得车身的轮廓明显了，车身和背景可以很轻易的辨别出来。