【偏振成像探測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀綜述4200字（論文）】

引言近年來，在國內(nèi)外軍事與民用領(lǐng)域中，普遍應(yīng)用了焦平面探測器工具，這主要得益于技術(shù)與信號處理技術(shù)的蓬勃發(fā)展。然而鑒于地表存在的輻射強(qiáng)度與紋理，包括植被、地物等自然物，明顯弱化了對目標(biāo)的探測與識別，因此當(dāng)務(wù)之急是妥善處理繁雜的背景輻射問題，以此提高靈敏性與分辨力焦平面探測器功能。同時目標(biāo)探測面對如此復(fù)雜的背景，使國內(nèi)外研究一致轉(zhuǎn)向偏振成像技術(shù)領(lǐng)域，并表示其應(yīng)用前景有待挖掘。自20世紀(jì)60年代以來，國外針對熱偏振成像技術(shù)進(jìn)行研究，首先立足于理論角度，其次圍繞目標(biāo)性實驗、系統(tǒng)構(gòu)成與應(yīng)用展開了深入分析。1偏振成像理論1.1偏振雙向反射分布函數(shù)國外主要圍繞偏振雙向分布反射函數(shù)模型（PBRDF），開展了對偏振成像技術(shù)理論的研究。對于大部分物體來說，反射出來的入射輻射會出現(xiàn)混合反射現(xiàn)象，涉及了鏡面反射與漫反射兩種成分。其中物體表面通過各種入射角會產(chǎn)生反特性，在這種任意觀測角與因素條件下，能夠反映整體反射輻射情況。該模型的構(gòu)成在國內(nèi)外學(xué)術(shù)界中，學(xué)者根據(jù)現(xiàn)有研究成果衍生了大量工程統(tǒng)計模型。1999年，Priest等為構(gòu)建PBRDF模型，指出需要完善偏振反射與輻射信息，以便用于精確探測與識別表征目標(biāo)。在2000年-2002年時間內(nèi)，Priest多次與他人合作，進(jìn)而得出其模型一般表達(dá)式，此項研究是針對微面元展開的。同時進(jìn)行實驗研究，將低反射率與高反射率樣品作對比。2007年，Gartley為仿真熱偏振場景，有效運(yùn)用BRDF模型并取得此次實驗的成功，圖1左側(cè)與右側(cè)，分別表示測量結(jié)構(gòu)與仿真結(jié)果。圖1熱偏振場景仿真對比結(jié)果2011年，王霞等以當(dāng)前偏振雙向反射分布函數(shù)模型為條件，建立了廣義的PBRDF模型，同時為合理輻射控制方程，在此模型基礎(chǔ)上推導(dǎo)出發(fā)射率模型與熱偏振成像探測技術(shù)。另外為驗證模型客觀性，模擬仿真了反射偏振特性，從而總結(jié)出實現(xiàn)結(jié)果與目標(biāo)表面實測數(shù)據(jù)相同的結(jié)論。1.2偏振成像探測模型當(dāng)前人們對于偏振性能的評價眾說紛紜，這主要是源于其多樣性的測探系統(tǒng)特點(diǎn)造成的。開發(fā)者在設(shè)計系統(tǒng)過程中，是基于各種入射角度偏振光為出發(fā)點(diǎn)，以期測試偏振探測系統(tǒng)相應(yīng)能力。SpyridonLagaras為最大限度延長偏振濾波探測與識別距離，從而構(gòu)建了相似的最大探測與識別距離模型，同時根據(jù)研究結(jié)果反映出表征溫差數(shù)據(jù)，可以憑借偏振濾波來獲取。2012年，王霞等有效運(yùn)用蒙特卡洛方法，仿真并分析了短波、中波與長波偏振特性，與傳輸距離之間的關(guān)系，旨在探討大氣對偏振成像系統(tǒng)的影響作用，其最終研究結(jié)果顯示出：首先是短波波段，占據(jù)比例較小的是自發(fā)輻射與大氣程輻射，而且在自然照明背景下，如果偏振探測整體弱于強(qiáng)度探測性能，則表示差異性較大的目標(biāo)與背景反射率差；其次處于中波波段時，目標(biāo)與背景強(qiáng)度與偏振度在入射輻射的影響下，會呈現(xiàn)出較為復(fù)雜的對比度，假如強(qiáng)度探測弱于偏振度探測性能，則表示目標(biāo)偏振特性不突出，因此必須要重視目標(biāo)自發(fā)輻射與大氣程輻射作用；最后是長波波段，由于占據(jù)較大比例的目標(biāo)自發(fā)輻射與大氣程輻射亮度，一旦探測器輻射呈現(xiàn)出穩(wěn)定性與優(yōu)越性的強(qiáng)度偏振探測，則反映出差異性較大的目標(biāo)與背景輻射偏振特性。2外偏振成像系統(tǒng)構(gòu)成現(xiàn)階段，在現(xiàn)有被動偏振成像系統(tǒng)中，鑒于較為完善的焦平面探測器工藝，焦平面探測器被廣泛應(yīng)用社會各行業(yè)。同時可以將偏振成像設(shè)備劃分為3大類：(1)實時型與非實時型，這是按照時間特性細(xì)分而來。(2)調(diào)制型、波前分割型，以上是根據(jù)成像特性得出的。(3)復(fù)合型、孔徑分割型、時間分割型等是圍繞設(shè)備結(jié)構(gòu)歸納的類別。為獲得各種偏振方向圖像，需要借助旋轉(zhuǎn)偏振片的方法，以期計算精準(zhǔn)的離散時間點(diǎn)所形成的過程便是時間分割型偏振成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，圖2反映了詳細(xì)的結(jié)構(gòu)示意圖。這種結(jié)構(gòu)的作用在于計算，而且不需要圖像的精確配準(zhǔn)，其中裝調(diào)便捷、設(shè)計簡單與體積小巧是其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢所在。同時針對同一時刻而言，不具備獲得偏振圖像的功能，因此不適用于探測動態(tài)目標(biāo)，這也是該結(jié)構(gòu)不足之處。圖2時間分割型偏振成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為得出各種成像，首先需要分解入射輻射，借助偏振成像系統(tǒng)分光片與波片工具，其次分割為不通偏振方向輻射共計4條，同時顯示在焦平面上，這便是所謂的振幅分割型成像模式，詳情見圖3示意圖。由于需要使用大量探測器與光學(xué)器件，而且其復(fù)雜性的結(jié)構(gòu)模式，以及高品質(zhì)的配準(zhǔn)要求、體積龐大，使得需要花費(fèi)高昂的制造成本，并損耗較多的能量資源。圖3振幅分割型成像結(jié)構(gòu)示意圖在設(shè)計焦平面分割型成像系統(tǒng)過程中，需要有效結(jié)合微光學(xué)偏振元件與焦平面探測器，并依靠現(xiàn)代化工藝技術(shù)，以此降低了對前端光學(xué)系統(tǒng)的要求，詳情見4示意圖。然而該方法不適用于校正探測器均勻性，而且要求器件具備極高的加工工藝標(biāo)準(zhǔn)，因此相對而言成本造價較高；除此以外難以保證客觀性的觀測結(jié)果，這主要是源于在4個不同偏振方向像元中，所對應(yīng)的實際位置不盡相同。圖4焦平面分割型偏振成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)其中一次與二次成像光學(xué)系統(tǒng)、平行光學(xué)系統(tǒng)，以及個體探測器是組成孔徑分割型偏振成像設(shè)備的主要器件，詳細(xì)見5示意圖。該設(shè)備在僅需單個探測器的條件下，便可實時獲取偏振信息，然而會消耗大量的能量，究其原因是源于復(fù)雜性的光學(xué)系統(tǒng)。偏振成像儀由數(shù)個光軸以平行或一定角度成像組成的器件便是多光軸性成像設(shè)備。該設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡單，而且憑借多套設(shè)備的情況下，可以實現(xiàn)實時Stocks參量信息獲取功能，較常見于獲取遠(yuǎn)距離偏振目標(biāo)信息，而難以確保就近位置重合市場信息客觀性。圖5孔徑分割型成像設(shè)備結(jié)構(gòu)圖復(fù)合型偏振成像設(shè)備是有效結(jié)合振幅分割與孔徑分割的一類結(jié)構(gòu)，同時形成的偏振成像系統(tǒng)。首先為分割振幅成像系統(tǒng)，需要接互助望遠(yuǎn)系統(tǒng)工具，然后根據(jù)調(diào)制與棱鏡分光達(dá)到分割孔徑的目的。這類系統(tǒng)顯著特點(diǎn)在于質(zhì)量輕便，偏高的能量利用率，以及體積小，而不足之處在于要求設(shè)備高質(zhì)量的圖像配準(zhǔn)，而且制造成本頗高。3偏振成像目標(biāo)探測技術(shù)應(yīng)用3.1空間物體的長波偏振成像2002年，Tan等在開展偏振模擬研究過程中，顯示對空間物體具有識別功能，此時長波波段的偏振信號明顯高于當(dāng)前高光譜信號。除此以外在模擬偏振成像探測技術(shù)時，利用再入飛行器與熱氣球為誘餌，初步分析在涂有鋁的熱氣球誘餌中，再入飛行器偏振度值為其的2~4倍，詳情見6示意圖。圖6再入飛行器與熱氣球誘餌偏振成像對比結(jié)果3.2地雷探測2002年，英國國防科技實驗室借助偏振成像技術(shù)，開展了多項掃雷實驗研究。觀察圖7不難發(fā)現(xiàn)：非偏振成像與偏正成像地雷探測效果相比，顯然后者占據(jù)了有利地位。隨后在同一年時間里，F(xiàn)rankCremer發(fā)表了關(guān)于探測地雷的中波振幅成像技術(shù)相似的檢測結(jié)果。(a)探測地雷成像技術(shù)示意圖(b)掃雷車(c)偏振成像設(shè)備(d)非偏振圖像(e)參照斯托斯矢量再次構(gòu)建的偏振圖像圖7偏振成像用于探雷領(lǐng)域3.3海面目標(biāo)探測1994~2004年，美國蒙特利分校為研究偏振成像探測技術(shù)，以便為海面艦船所用。2001年，F(xiàn)rankCremer在小目標(biāo)海面領(lǐng)域，引進(jìn)偏振成像系統(tǒng)并應(yīng)用其中。2006年，美國Polarissensor公司在開展海上搜救實驗中，有效運(yùn)用了偏振成像探測技術(shù)，詳情見8示意圖。觀察下列四幅圖像發(fā)現(xiàn)：在運(yùn)用偏振成像技術(shù)后，可以將白天與晚上的海面情況，將海水、人與物體形成鮮明的對比；而在非偏振成像技術(shù)條件下，則未顯示特有的差異對比，因此人們借助這種差異性的目標(biāo)與背景，順利開展海上目標(biāo)探測活動。(a)白天非偏振成像(b)白天偏振成像(c)晚上非偏振成像(d)晚上偏振成像圖8偏振成像用于探測海上目標(biāo)示意圖3.4地面目標(biāo)探測2005年，Y.Aron等為完成野外成像實驗，在以此降低了車輛與帳篷前視儀誤報率，并相應(yīng)提高了其信噪比。2006年，Tyo為精確識別復(fù)雜車輛背景，選擇與美國空軍實驗室等單位合作，采用長波被動偏振成像技術(shù)優(yōu)勢，得出如圖9所示圖像。其結(jié)果顯示出在多光譜可見圖像中，與非偏振長波圖像相比，叢林邊緣的陰影部分覆蓋了背景車輛蹤跡，而有效利用長波偏振信息后，不僅提升了系統(tǒng)探測能力，而且分離出清晰的背景車輛。圖9偏振與非偏振技術(shù)下叢林車輛背景的圖像3.5隱身探測美國為有效降低偏振效應(yīng)，部分機(jī)構(gòu)圍繞偏振成像技術(shù)，試圖研發(fā)出用于物體表面的隱身技術(shù)，以期打造類球面物體外觀。2003年，GǒranForssell等開展了一系列野外實驗活動，旨在驗證偽裝遮障客觀性，其結(jié)果表明探測具備科學(xué)性特征。結(jié)語對于國內(nèi)而言，由于偏振成像探測技術(shù)處于初步發(fā)展階段，加之實驗驗證的研究成果，因此缺乏成熟的熱偏振成像理論、關(guān)鍵技術(shù)等研究。同時僅涉及了簡單幾何運(yùn)算，需要深入探討偏振成像處理領(lǐng)域，以及有效再現(xiàn)與利用偏振信息。參考文獻(xiàn)[1]HessM,PrestR.Comparisionofpolarizat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