紅外偏振成像文獻(xiàn)綜述

紅外偏振成像是紅外探測成像科學(xué)中的一個全新領(lǐng)域。它將可見光中的偏振成像技術(shù)引入到紅外領(lǐng)域，為紅外探測和紅外圖像處理提供了新的思路和方法。本文主要通過查閱文獻(xiàn)資料，了解有關(guān)紅外偏振成像的原理、紅外偏振成像相對于傳統(tǒng)紅外成像的優(yōu)點(diǎn)，紅外偏振成像的系統(tǒng)等。如今紅外探測的精度和靈敏度越來越高，可以探測的目標(biāo)溫差越來越小，但是，由于雜亂背景信號的限制，目標(biāo)發(fā)現(xiàn)和識別的概率卻仍不是很高。使用偽裝技術(shù)，在目標(biāo)物周圍放置溫度相同的噪聲源，那么現(xiàn)有的紅外熱像儀就無法進(jìn)行識別了。如何解決這一問題，就是將偏振成像引入紅外領(lǐng)域的目的。不同物體或同一物體的不同狀態(tài)會產(chǎn)生不同的偏振狀態(tài)，形成不同的偏振光譜。傳統(tǒng)紅外技術(shù)測量的是物體的輻射的強(qiáng)度，而偏振測量的是物體輻射在不同偏振方向上的對比度，因此它能夠?qū)⑤椛鋸?qiáng)度相同而偏振性不同的物體區(qū)別開來。紅外偏振成像技術(shù)優(yōu)勢：（1）紅外偏振測量無需準(zhǔn)確的輻射量校準(zhǔn)就可以達(dá)到相當(dāng)高的精度，因?yàn)槠穸仁禽椛渲档谋戎?。而紅外測量系統(tǒng)的定標(biāo)對于紅外系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確度至關(guān)重要。紅外器件的老化、光電轉(zhuǎn)換設(shè)備的老化、電子線路的噪聲甚至環(huán)境溫度、濕度的變化都會影響到紅外系統(tǒng)。（2）根據(jù)調(diào)研國外公開發(fā)表的文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)說明，其中自然環(huán)境中地物背景的紅外偏振度非常?。╒1.5%），只有水體體現(xiàn)出較強(qiáng)的偏振特性，其偏振度一般在8%?10%。而金屬材料目標(biāo)的紅外偏振度相對較大，達(dá)到了2%?7%,因此以金屬材料為主體的車輛的偏振度和地物背景的偏振度差別也較大。兩物體偏振度值差別達(dá)到1%，成偏振圖像后我們就能夠很好地分辨出兩物體之間的差異。所以利用紅外偏振成像技術(shù)識別地物背景中的車輛目標(biāo)具有明顯的優(yōu)勢。（3）軍事中經(jīng)常使用偽裝涂料對目標(biāo)進(jìn)行偽裝，噴涂了紅外偽裝漆的金屬板的發(fā)射率會改變。輻射率比較低的熱紅外偽裝漆可以使目標(biāo)在紅外輻射強(qiáng)度圖中有較低的灰度值，與普通材料相比，偽裝涂料能有效地減弱目標(biāo)的紅外特征，達(dá)到紅外波段偽裝目標(biāo)的目的。然而經(jīng)過偽裝的目標(biāo)板的偏振度沒有隨發(fā)射率的變化而有較大改變，改變金屬板發(fā)射率的偽裝方法對半的偏振度的影響比較小。因此在偏振圖像中經(jīng)過偽裝的目標(biāo)失去了偽裝效果而很容易被發(fā)現(xiàn)。偏振理論當(dāng)一束光在兩種介質(zhì)的界面上反射和折射時，反射光和折射光的偏振方向會發(fā)生改變振動的方向要根據(jù)光的電磁理論，有電磁場的邊界條件決定。由菲涅爾公式可以知道，當(dāng)光以除0°和90°外的任何角度入射時，反射光中電矢量的平行分量總是小于電矢量的垂直分量值。這兩個分量值的不同，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來表示ImaxIminp max minP=I+1.maxminImax為偏振光沿某一方向上所具有的能量最大值，1聞為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，它既可以將關(guān)于偏振的所有信息很好的表達(dá)出來，斯托克斯指出，一束光的偏振狀態(tài)可以由四個參數(shù)I、Q、U、V完全描述，這組參數(shù)稱為斯托克斯參數(shù)。每個斯托克斯參數(shù)都可用光強(qiáng)表示，因此可以直接測量。S:S0=I=<E2(t)〉+〈E2(t)〉xyS:S0=S1=Q=<E2(t)>-<E2(t)〉S1=x yS2==2〈E2(t)E2(t)cos[8(t)-8(t)]〉S2=xyyxS3=V=2〈E2(t)E2(t)sin［8(t)-8(t)］〉S3= xy yxEx(t)、Ey(t)和&(t)表示電場在x、y垂直方向上的振幅和相位。vv＞的含義是求v的時間平均值。若用光強(qiáng)來表示則為：S: I=Io=I0+I90=I+45+I-45=I+IrlQ=I0-I90U=1+45-1-45V=I-IrlIo為光波的總強(qiáng)度，10、190、1+45、1-45、Ir、I］分別表示置放在光波傳播路徑上一理想偏振片在0°、90°、+45°、-45。方向上的線偏振光以及左旋(I)和右旋(r)圓偏振光強(qiáng)。I表示光波的總強(qiáng)度，因而總是正的。Q表示x方向與y方向上的線偏振光的強(qiáng)度差，根據(jù)x方向占優(yōu)勢、y方向占優(yōu)勢或是一樣，Q取值正、負(fù)或零。U表示+1/4n方向與-1/4n方向上的線偏振光的強(qiáng)度差，根據(jù)+1/4n方向占優(yōu)勢、-1/4n方向占優(yōu)勢或是一樣，U取值正、負(fù)或零。V表示右旋還是左旋圓偏振分量占優(yōu)勢，根據(jù)右旋方向占優(yōu)勢、左旋方向占優(yōu)勢或是一樣，V取值正、負(fù)或零。在自然界大氣背景及目標(biāo)物對太陽入射的偏振效應(yīng)中，圓偏振的分量極少，圓偏振分量在儀器可以檢測的范圍內(nèi)很小，相對于儀器的誤差來說可以忽略，故通常假定V=0。因而,要完全確定一束光線的偏振狀態(tài)，還需要三個獨(dú)立數(shù)來確定I、Q、U這三個參量。偏振度用斯托克斯參數(shù)來表示就是：J(Q2+U2+V2)』2測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖1紅外偏振成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖圖2偏振測量原理圖偏振器的設(shè)計，根據(jù)測量方法的不同，其設(shè)計結(jié)構(gòu)也不同。一般的斯托克斯參量的測量方法有兩類，一類是偏振光調(diào)制法，這種方法是在待測光路中引入起偏器和相位延遲器，如(圖2)并對它進(jìn)行調(diào)制，通過測量調(diào)制光強(qiáng)求得斯托克斯參量；另一類則是采用分波前或分振幅的方法，把待測光束分為四束，用四個光探測器，同時完成對某一瞬時各斯托克斯參量的測量。第二種方法需要四個探測器，而如今高質(zhì)量的紅外探測器成本很高，所以不宜采用。第一種方法根據(jù)延遲器的不同也可分為兩類。一類是通過旋轉(zhuǎn)波片來調(diào)節(jié)相位的，這就需要給偏振系統(tǒng)加一個機(jī)械傳動裝置，比較麻煩。為了盡量避免加入機(jī)械裝置，力求儀器的簡潔高效，使用電光效應(yīng)來控制相位就比較理想了。這樣只需調(diào)節(jié)電壓的大小，就能控制相位變化了。偏振測量對圖像的影響由于漫反射的原因，一般自然物不顯示出偏振特性或者顯示出很小的偏振特性（在這里忽略不計），而一般的人造物體，在特定的角度下能夠顯示出很強(qiáng)的偏振特性。假設(shè)車輛在垂直方向具有52%的偏振度，水平方向的偏振度為0，而自然光（在這里指不帶有偏振特性的紅外光）經(jīng)過偏振器的透過率為50%。將這些直接反映到灰度值上面，就是自然光經(jīng)過偏振器后將會有50%的衰減，而偏振光透過偏振片的主透過率為80%。所以在垂直方向上經(jīng)過偏振器后車輛目標(biāo)的灰度值為：I*52%*80%+I*48