偏振成像研究綜述

1、偏振成像研究綜述西安工業(yè)大學光電工程學院學生：劉彬彬 指導老師：高明 摘要：偏振成像技術是光學領域得一項新技術，國內外十分重視對該技術及其應用的研究。地球表面和大氣中的目標在反射、散射、透射及發(fā)射電磁輻射的過程中，會產生由它們自身性質決定的特征偏振。由于大氣及地物光譜輻射的偏振敏感性，又由于偏振特性與物體的表面狀態(tài)和固有屬性密切相關，加上不同種類的目標具有不同的偏振特性，使得偏振成像逐步發(fā)展成地基、航空和衛(wèi)星觀測的新技術手段。在全球氣候變遷研究，對地遙感探測和天文研究等領域得到應用。根據不同探測目標，從偏振分析機制和偏振信息獲取模式等方面介紹了光學偏振成像技術的研究進展，并結合國內外相關領域偏

2、振成像實驗研究結果，描述了偏振成像技術在大氣、自然地物、人工目標、醫(yī)學診斷以及天文學探測領域的應用基礎研究情況，最后總結和展望了偏振成像技術的問題和發(fā)展趨勢。關鍵字：偏振成像技術；特征偏振：遙感探測。1 引言 光波的信息量是非常豐富的。依據光波的電磁理論，光波包含的信息主要有：振幅（對應于光強），波長（頻率），相位，偏振態(tài)。通常的光輻射成像是獲取目標的光譜，輻射強度及空間狀態(tài)等信息，用于反演目標性質參數。但是，從電磁波的橫波性質來看，偏振或稱極化也是電磁波的重要特征之一。偏振特性與物質性質密切相關，是遙感需要獲取的主要信息參數。在光學波段，無論是可見還是紅外譜段，不同目標都具有各自一定的偏振特

3、性。偏振參數能夠很好的表征被探測目標的性質特征。因此，人們將光學遙感與偏振測量技術相結合，促進了偏振成像技術的發(fā)展。 傳統(tǒng)的遙感方法獲取的信息主要是電磁強度特征和幾何特征,而偏振特性取決于其表面的固有屬性，如其介質特征，結構特征，粗糙度，水分含量等，還與觀察角度和輻照條件有關，正是由于偏振測量同非偏振測量（通常為光強測量）相比能獲得與物質自身特性相關的偏振信息，所以，通過解析目標的偏振信息可以更加容易的識別目標，同時由于偏振測量所具有的上述優(yōu)點，它在云和大氣氣溶膠的探測、地質勘探、海洋開發(fā)、農牧業(yè)發(fā)展和軍事等相關領域都具有重要的應用價值。同時，傳統(tǒng)偏振成像一般采用被動工作方式，具有隱蔽性好的優(yōu)

4、點，但成像效果和距離均受到氣象條件、目標溫度對比度和天空背景照度等因素的限制。激光照明偏振成像技術克服了被動成像的缺點，在遠距離暗目標探測和水下探測方面有著重要的應用。相對于被動成像而言，主動成像不依賴目標自身輻射(熱成像)和目標對太陽或月亮等次光源的反射(可見光或近紅外成像)，而是依靠儀器自身(激光雷達)發(fā)出激光作為照明光源，由被探測目標反射或散射光子來提取目標的信息。所以激光照明偏振成像技術不受氣象條件、目標溫度及背景照度的影響，在遙感尤其是軍事目標識別方面有著廣泛的應用前景。 偏振是各種矢量波的一種基本性質，是指用一矢量波來描述空間某一固定點所觀測到的矢量波隨時間變化的特征。在偏振遙感中

5、，我們常用stokes矢量法表示光的偏振態(tài)。光學偏振遙感探測在獲取目標光輻射參數的基礎上，能夠得到目標stokes參數I,Q,U,V，它們既可以作為獨立的信息，又可以計算得到目標的偏振信息，比如偏振度、偏振角以及偏振率等。為偏振成像解譯提供更多維的數據源。并且由于偏振態(tài)是偏振輻射分量經過計算后的比值，因此在保證測量時刻相對精度的情況下，可以得到較高的偏振解析精度。對于偏振定標而言，只需要保證定標測量時刻的相對穩(wěn)定源。偏振定標精度能夠達到較高的水平。另外，偏振信息及其變化具有角度敏感性，將有助于目標狀態(tài)特征的反演。光學偏振成像的這些獨特之處，使其成為光學遙感技術的有限補充，在大氣探測，對地遙感和

6、天文學觀測領域得到重要應用。 在我們生活中的科學探測試驗中，傳統(tǒng)的光強成像技術已經不能夠滿足我們的需求，隨著偏振成像技術在最近一二十年的快速發(fā)展。偏振成像技術已經從可見光偏振成像技術向短波紅外，中波紅外到長波紅外偏振成像技術的方向不斷發(fā)展。同時，為了克服現有發(fā)展的各種偏振成像技術存在的問題，人們慢慢的研究探索著各種改進方法。例如像同時偏振成像技術，多光譜偏振成像技術，超光譜偏振成像技術等。比如說同時偏振成像技術就是通過一次曝光來獲取同一景物的多幅不同偏振方向的偏振圖像，它從根本上解決了一般偏振成像技術探測精度不高的問題；還比如說由于光強成像技術的不足，它在探測隱蔽或偽裝的目標，實現對小溫差目標

7、的探測和識別，水下目標的探測和識別，在煙霧環(huán)境條件下的導航等等方面的嚴重不足，偏振成像技術就能很好的探測。像紅外偏振成像技術能很好的探測隱蔽或偽裝的目標，熱紅外偏振成像技術能實現對小溫差目標的探測和識別，用偏振圖像去霧算法就能很好的解決煙霧環(huán)境條件下的各種成像問題 多年來，人們廣泛開展了偏振探測系統(tǒng)技術，偏振機理及實驗，偏振信息建模和解譯等工作，應用于地面偏振測量，航空偏振探測和衛(wèi)星偏振遙感的成像/非成像光學偏振儀器系統(tǒng)技術日趨成熟，各項偏振信息應用基礎研究工作也逐步走向系統(tǒng)化、專業(yè)化方向發(fā)展。 實際上，偏振光的應用可謂歷史悠久，比如，偏振測量在天文學上的應用，至今已經有一百多年的歷史。除了遙

8、感探測之外，偏振光在其他方面的應用也是非常廣泛的：攝影、立體電影、汽車車燈、偏振太陽鏡和望遠鏡、激光器諧振腔、偏振顯微鏡、糖度計等。橢圓偏振測量術已經應用于材料光學性質測定，半導體、電化學、生物學和醫(yī)學等。近年來，又產生了利用偏振光讀出光盤記錄信息的技術。此外，還在固體的輻射損傷探測中得到應用。人們還從多方面開展了光學偏振遙感研究。從探測平臺及探測裝置看，國內外已經發(fā)展了地面、機載偏振成像探測試驗裝置，國外已研制成功星載偏振成像裝置所有這些，人們已經積累了大量經驗成果。2 偏振成像基本機理 光波是橫波，其電矢量振動面與傳播方向相互垂直，電場振動方向相對于傳播方向的不對稱性稱為偏振，光的偏振程度

9、可以用偏振度P來定義： 定義偏振度，Imin 和Imax 分別是一束光在兩個垂直偏振方向上的最小和最大光強。顯然，該定義在表示圓偏振光或者橢圓偏振光的偏振度時有局限性，不能將它們與部分偏振光和自然光有效地區(qū)分開來。 在光學偏振遙感領域，通常用stokes矢量法表示出光的偏振態(tài)：偏振度為偏振方位角為式中，I為非偏振光強，Q、U分別代表兩個方向上的線偏振光強，V代表圓偏振光強, ,分別表示置放在光傳播路徑上一理想偏振片在00、900、+450、-450方向上的線偏振光以及左旋(Z)和右旋(r)圓偏振光強。 當光束與物質相互作用時，出射光束的4個Stokes參數分別與入射光束的4個Stokes參數成

10、線性函數關系，寫成矩陣形式就是M即稱作米勒矩陣，是一個4×4階矩陣，它表示這種物質的特性及取向。米勒矩陣是一種描述光學器件對光束改變(包括光強的衰減和退偏等)的理想方法。如果入射光的偏振信息完全已知，即已知地物的二向性反射的Stoke8矢量，那么通過米勒矩陣對其進行變換，就可得到光束經過偏振器之后的輸出stokes矢量。通過米勒矩陣的換算，可以計算出光束經過偏振器后不同偏振方位角的光強變化，從而建立模型，實現二向性反射與多角度偏振反射之間的互相轉化。 考慮到stokes參數為四元矢量，即最少需要四個方程才能解出一個目標待測點的完整的Stokes參數。當入射光通過一理想起偏器時，與參考

11、方向成p角的理想起偏器的米勒矩陣為則出射光的Stokes參數Sout為可得出透射光的強度表達式為這樣就可以在00、450、900方向上得到三個獨立的方程，就可以推演出待測目標的完整的偏振信息。光的偏振態(tài)分為非偏振、圓偏振、線偏振、部分偏振、橢圓偏振五種要用二向反射反演多角度偏振反射，只要得出這五種偏振態(tài)通過偏振片后的偏振態(tài)及光強即可。根據馬呂斯定律，強度為而的線偏振光，通過檢偏器后，透射光的強度(在不考慮吸收的情況下)為其中，為檢偏器的偏振化方向與入射偏振光的偏振化方向之間的夾角。一束光通過偏振片后的光強，非偏振光、圓偏振光變?yōu)樵瓉淼囊话?，而線偏振光、部分偏振光、橢圓偏振光是一個關于的函數，參

12、數是已知的，也就是說將二向性反射分布函數(BRDF)模型乘以一個關于參數的關系式，即可以反演二向性偏振分布函數(BPDF)。3 偏振成像的應用 地球和其他行星表面和大氣中的任何目標，在反射、散射、透射、吸收和發(fā)射電磁波的過程中，會產生由其自身的特性所決定的特殊偏振信息，某些物體的特性差異明顯。因此，提取，分析地球和大氣的輻射偏振信息，對于地球自身和其他行星的遙感探測有著重要的意義；同時在水下成像、醫(yī)學診斷、軍事等方面偏振成像也有重要應用和意義。偏振成像技術的應用大概可以分為以下幾類方面：3.1 探測云和大氣溶膠的偏振輻射信息 應用偏振信息在研究確定大氣氣溶膠粒子尺度，化學組成以及總量方面有明顯

13、的作用。當我們使用輻射（光強）測量手段能探測云的相態(tài)，估計云頂的高度，確定云和大氣氣溶膠的光學厚度。我們使用偏振手段更能有效地分析云層內部的物理狀態(tài)，確定是否存在卷云，冰晶粒子的優(yōu)勢方向及大氣分布等能對大氣的影響的微物理特性參數。這些應用不僅針對氣象等用戶，也極有可能發(fā)展成為一種大氣污染的有效監(jiān)控方法。同時，偏振信息能區(qū)分冰云和水云，有助于研究高空運載火箭的飛行影響及氣象因素。因此偏振測量云物理和大氣的輻射傳輸對大氣科學的發(fā)展有重要的意義。3.2 探測地面的偏振輻射信息 美國的某些科學家在20世紀80年代末期就已使用航天飛機作偏振觀測的平臺，使用偏振攝像手段遙感地球以取得地球的表面偏振照片，對

14、不同的植被、礦物進行地面偏振度的測量等基礎工作。這些研究表明:不同礦物會表現出不同的偏振特性，不同性質土壤的偏振特性也不同，不同植物相對于不同角度具有特定的偏振特性。對其進行研究，將為礦物勘探、土壤分析以及植物長勢調查提供更新，更有效的手段，這對于研究水旱環(huán)境、土壤墑情侵蝕等有著廣闊的應用前景，也可以用于研究植被生長、病蟲害、農作物的估產等。3.3 軍事方面的應用 由于偏振信息是不同于輻射的另一種表征事物的信息，相同輻射的被測物體可以有不同的偏振度，使用偏振手段可以在復雜的輻射背景下檢測出有用的信息，以成像的方式顯示隱蔽的軍事目標。 金屬、炭粒和植物表面可以在特定的方向帶有很強的圓偏振、全偏振

15、的測量對推動水下潛艇搜索、探測、跟蹤技術的發(fā)展具有重大的意義。 其次對于導彈的安全飛行和制導，由于利用星載掃描偏振計能迅速了解卷云和其他云層的分布情況和探測大氣溶膠的能力，所以它能保障導彈的安全飛行和準確制導。 最后，使用偏振手段可以非常有效地在各種地物背景條件下顯示出分散在地面上的各種地雷。3.4水下成像的應用混濁介質中物體的成像目前仍然是科學與工程界較難解決的問題之一，根據介質散射和目標反射光的不同偏振特性可利用偏振技術排除粒子散射光的干擾從而提高水下圖像的清晰度。數年的研究表明，限制水下成像的距離主要有以下原因：吸收和散射作用造成光在水中的衰減；而光的后向散射造成目標圖像的不清晰；目標與

16、探測器之間的光散射使圖像模糊并降低圖像的對比度。在水下激光探測的研究中，大多都是利用光強度成像，還有的采用距離選通技術。因此，絕大多數系統(tǒng)都是通過檢測圖像在空域的影射強度來達到獲取目標信息的目的，而較少考慮散射介質對目標成像所起的干擾作用，而恰恰是這些由于散射介質而產生的散射光對目標的成像產生了比較大的損害。在水下成像應用中，根據懸浮粒子(水、霧、雨)后向散射光的解偏振度小于物體后向散射光的解偏振度原理，采用線偏振光或圓偏振光作照明光源，并在探測器前放置線偏振器或圓偏振器。以及利用水中粒子散射光和物體散射光解偏振度的差異，來減小懸浮微粒后向光散射光影響，從而可以提高水下物體的圖像對比度。3.5

17、探測海洋表面的偏振輻射信息 海洋表面反射的某些波段的太陽輻射具有明顯的偏振特性，從中可以反映出海水是否被污染(如油漏) 海面有無云霧，云霧的分布，海浪的高低和海面風速的大小。用空間偏振遙感能在全球范圍內獲得與此有關的大量信息，對海洋的開發(fā)和利用具有一定的科學和實用價值。在世界范圍對海洋的遙感觀測已經成為相當重要的環(huán)境考慮因素，海洋顏色對污染和生物圈有著極其重要的意義。3.6 在空間探測方面的應用 空間的偏振測量在行星探測方面的應用比在地球和地球大氣探測方面的應用早了20年左右。它對金星、火星、土星和天王星的云和氣溶膠的化學成分和光學厚度或表面偏振特性進行了有效的探測并為地球的探測積累了寶貴的經

18、驗。3.7 成像偏振在生物醫(yī)學上的應用 運用偏振手段可對生物組織病變前后的偏振參數進行測量、對比、分析，從而給醫(yī)療診斷提供了一種新的信息分析手段。另外，對于動物或人的微循環(huán)，可以使用偏振成像技術對其進行觀測，比如說在臨床中，對生物樣品的觀測一般采用的方法有核磁共振、計算機斷層掃描、正電子發(fā)射斷層成像等。這些方法的空間分辨率量級為毫米，而微血管作為微循環(huán)的通路，其直徑不超過100um，所以無法觀測，而利用光學偏振成像技術能獲得微循環(huán)較高的分辨率的圖像。4 偏振成像技術發(fā)展趨勢 研究表明，由于地球大氣、地物目標等的偏振角度敏感性，使得偏振成像技術在目標識別和信息提取方面有著傳統(tǒng)手段所不具備的優(yōu)勢，

19、使得光學偏振成像技術的應用前景令人樂觀。但是，也對光學偏振成像技術的發(fā)展提出了更高的要求。為了準確解譯大氣和地物性質狀態(tài)信息，客觀上要求偏振成像具有多角度、多光譜偏振成像/非成像信息獲取能力，并且能夠保證偏振測量數據的高精度。 目前，我們的研究方向主要集中在：（1）研究更高分辨率，更高精度，更高信噪比且工作穩(wěn)定的偏振儀器；（2）在更廣泛的測試條件下研究不同目標的偏振特性，對其進行分析并最終了解偏振特性隨不同影響因素的變化規(guī)律；（3）研究保證同一目標偏振探測的光譜，空間，時間等要素具有高度的同一性。但是由于目標偏振特性和二向散射分布的復雜性，使得目標散射光偏振特性的研究工作量將會非常巨大，在實驗

20、研究的同時，還需要在理論模擬上有所突破。像stokes矢量方程中的I,Q,U,V這些來自目標自身的最本證的輻射信息，到目前為止，尚未充分的應用 所以在探索克服這些問題的基礎上，為了更好地得到物體的成像信息，已經研究出了像同時偏振成像技術，多光譜、多角度偏振成像技術，以及偏振定標系統(tǒng)的投入使用，將為光學偏振成像系統(tǒng)提供幾何信息、輻射信息和偏振定標，確保高精度定量化的多角度、多光譜偏振遙感數據的取得。5 結束語 綜上所述，國內外都在從事光學偏振成像理論，技術，實驗和基礎應用研究工作，從偏振成像儀器研制情況來看，為了滿足基于光譜偏振信息解譯研究需求，人們研制了可見/近紅外至短波紅外，中波紅外和長波紅

21、外光譜偏振探測系統(tǒng)。這些系統(tǒng)已經在大氣探測、地物遙感、天文學研究、醫(yī)學診斷等相關領域得到應用。 從多角度、多光譜偏振信息應用研究進展來看，研究人員探索了可見/近紅外至短波紅外的反射輻射偏振機理以及中波紅外反射和發(fā)射輻射的偏振機理，還有長波紅外發(fā)射輻射的偏振特性，以及熱輻射經過目標反射輻射的偏振問題，并開展了大量的光學偏振探測試驗，偏振定標，偏振信息建模的解譯等研究工作，對于大氣氣溶膠和云、自然地物（水體、植被、土壤、巖石等）、人工目標等的偏振特性分析也在系統(tǒng)深入進行。可以預見，隨著偏振探測儀器能力的提高、偏振成像定量模型的發(fā)展，光學偏振探測將為作為新型成像技術得到越來越重要的應用。參考文獻1

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