摘  要： 針對目標偏振探測的應(yīng)用研究，將多光譜分析方法與偏振信息測量技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計了一種多光譜目標偏振信息探測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用濾光片和偏振片獨立切換協(xié)同工作方式，從可見光至近紅外的450 nm、550 nm、650 nm、850 nm和950 nm等多個波段，實現(xiàn)了對目標偏振信息的有效獲取。利用該探測系統(tǒng)在室外霧天環(huán)境下進行了目標偏振信息探測實驗，獲得了目標場景的多光譜偏振信息，驗證了系統(tǒng)的有效性。
關(guān)鍵詞： 多光譜；偏振成像；偏振探測；目標探測

    偏振是光的固有屬性，大氣粒子等傳輸介質(zhì)的散射作用、目標表面的反射都會改變光的偏振狀態(tài)。因此，光的偏振特性蘊含環(huán)境與目標的重要信息，充分挖掘和利用光的偏振信息，在目標探測、遙感等領(lǐng)域具有重要的研究意義和應(yīng)用價值。由于環(huán)境和目標的多樣性，地球表面及大氣中的目標在反射、吸收和散射光線的過程中，表現(xiàn)出明顯的偏振特性差異，而且不同的目標具有不同的偏振敏感波段。因此，對目標進行偏振探測需要考慮不同光譜波段的影響。
    目前，常用的偏振成像探測系統(tǒng)采用的是旋轉(zhuǎn)偏振片的方式。荷蘭的CREMER F和SCHWERING P B W等人通過紅外偏振成像設(shè)備在紅外波段研究了海洋環(huán)境上目標和背景的偏振特性[1]。PUST N J和 SHAW J A設(shè)計了可見光波段的多光譜雙視場偏振成像儀，分別用來測量地面目標以及天空散射光的偏振特性[2]。美國的HOOPER B A、BAXTER B等人設(shè)計研制了AROSS-MSP多光譜偏振測量裝置，用于河流、海洋沉積物的偏振信息測量[3]。中科院安徽光機所的喬延利等研制了無人機載偏振CCD相機光機系統(tǒng)，用于對地面目標的偏振探測[4]。這些研究表明，多光譜偏振信息獲取方法已成為目標探測的重要研究方向。
    本文針對目標偏振信息的探測應(yīng)用研究，根據(jù)偏振探測原理與多光譜成像技術(shù)，設(shè)計了一種從可見光至近紅外的多光譜目標偏振信息探測系統(tǒng)，能夠獲取目標在不同光譜波段的偏振信息，可應(yīng)用于目標發(fā)現(xiàn)與識別。
1 基本原理
    目標的偏振特性可以通過斯托克斯(Stokes)矢量進行完整的描述[5]。Stokes矢量可以表示為(I，Q，U，V)T，I表示光的總輻射強度，Q表示x方向與y方向的線偏振光的強度差，U表示±45°方向上的線偏振光的強度差，V表示左旋偏振光與右旋偏振光的強度差。在自然界中，由于目標的圓偏振分量很小，通常認為V=0。通過偏振片可以將目標偏振信息測量轉(zhuǎn)化為Stokes矢量元素的測量。通過偏振片后的輻射強度為：
  
    系統(tǒng)通過軟件控制光學鏡頭的調(diào)整以及不同波段濾光片、不同偏振化方向偏振片的轉(zhuǎn)換，并采集成像器獲取的偏振圖像信息，進行信息存儲、Stokes矢量計算和偏振度、偏振角求解。
2.2 光學結(jié)構(gòu)
    光學結(jié)構(gòu)是探測系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，主要包括光學鏡頭、濾光片組和偏振片組，將目標在不同波段、不同偏振方向的偏振輻射聚集到成像器上，再由成像器將接收到的光能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺┫到y(tǒng)進行信息獲取，光學結(jié)構(gòu)設(shè)計圖如圖2所示。

    為了獲取較遠距離的目標偏振信息，光學通道設(shè)計為變焦長焦鏡組，焦距為750 mm。其中，變焦鏡組調(diào)整光學通道的焦距，調(diào)焦鏡組調(diào)整成像清晰度，以實現(xiàn)對不同距離目標的成像需求。偏振片、濾光片分別安裝于兩個獨立可控的圓形旋轉(zhuǎn)輪片上，由步進電機精確控制旋轉(zhuǎn)位置。
    偏振片組有0°、60°、120°共3個偏振通道及1個非偏振通道，以測量不同光譜的偏振以及非偏振輻射強度。濾光片組設(shè)計有6個插槽，其中有一個插槽為空，即為全波段通道，其他5個插槽對應(yīng)濾光片的中心波長分別為450 nm、550 nm、650 nm、850 nm和950 nm。濾光片、偏振片中心與光學通道光心位置一致，兩者協(xié)同工作檢測不同波段的偏振光信息。系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

2.3 系統(tǒng)定標
    為了準確解析目標的光譜偏振信息，需要對探測系統(tǒng)進行定標。由于探測系統(tǒng)使用同一個成像器，系統(tǒng)定標主要包括光譜定標、偏振方向非一致性定標和不同偏振方向相對輻射響應(yīng)度定標。
    光譜定標通過波長已知的標準光源和光譜分析儀完成，偏振方向非一致性定標通過旋轉(zhuǎn)偏振片與已知固定角度的偏振片進行消光來實現(xiàn)。本文主要介紹不同偏振方向相對輻射響應(yīng)度定標。在探測系統(tǒng)中，每個偏振波段對應(yīng)的偏振片以及濾光片存在一定的差異性，從而影響到探測器的成像[6]。通過積分球?qū)ο到y(tǒng)進行相對輻射響應(yīng)度定標，獲取不同波段方向下的相對輻射響應(yīng)。以0°偏振方向為基準，通過式(4)分別計算60°、120°偏振方向的相對輻射響應(yīng)度，解決不同偏振方向的輻射響應(yīng)差異問題。

3 實驗與分析
    2012年10月17日，利用多光譜目標偏振信息探測系統(tǒng)進行了室外目標偏振信息探測實驗，實驗時為霧天環(huán)境，目標為霧中的建筑，目標到探測系統(tǒng)距離為1.8 km。圖3為探測系統(tǒng)獲取的目標非偏振強度圖像以及在450 nm、550 nm、650 nm、850 nm和950 nm波段獲得的0°偏振圖像。受實驗環(huán)境下霧的影響，原圖的遠處建筑物目標輪廓模糊。除了450 nm外，其他各波段偏振圖像在清晰度上都有不同程度的提升。其中，850 nm波段的偏振圖像清晰度效果最好，建筑物輪廓以及窗戶等細節(jié)信息清晰可見。

    圖4所示為目標在850 nm下的0°偏振圖像和偏振度、偏振角圖像。整體場景的偏振度較低，最小為0，最大為0.45，平均為0.25，這是由于霧天環(huán)境中的微粒對目標反射光的多次散射作用，導致偏振度降低。天空和建筑物目標的偏振角也表現(xiàn)出了明顯的區(qū)別，尤其是在建筑物輪廓線上，偏振角變化明顯，這是輪廓兩側(cè)在材料構(gòu)成以及反射面角度等方面的不同導致的。

    本文針對目標偏振信息探測的應(yīng)用研究，將多光譜分析與偏振信息測量原理相結(jié)合，設(shè)計了一種多光譜目標偏振信息探測系統(tǒng)，并對系統(tǒng)進行了定標。在霧天環(huán)境下的目標偏振探測實驗表明，該系統(tǒng)能從可見光到近紅外多個波段對目標偏振信息進行有效探測，獲得各波段的偏振信息。相對其他波段，在850 nm波段的霧天目標偏振信息探測具有較好的效果，在目標發(fā)現(xiàn)與識別領(lǐng)域具有重要的意義。
參考文獻
[1] CREMER F，SCHWERING P B W，JONG W D，et al. Infrared polarisation measurements of targets and  backgrounds in a marine environment[C].SPIE，2001.
[2] PUST N J，SHAW J A.Dual-field imaging polarimeter for  studying the effect of clouds on sky and target polarization[C].Polarization Science  and Remote Sensing II，2005.
[3] HOOPER B A，BAXTER B，PIOTROWSKI C，et al. An airborne imaging multispectral polarimeter (AROSS-MSP)[C]. OCEANS 2009，MTS/IEEE Conference，2009.
[4] 楊偉鋒，洪津，喬延利，等. 無人機載偏振CCD相機光機系統(tǒng)設(shè)計[J].光學技術(shù)，2008，34(3)：469-472.
[5] 廖延彪.偏振光學[M].北京：科學出版社，2003：51-57.
[6] 陳立剛，孟凡剛，袁銀麟.偏振相機的光學定標方案研究[J].大氣與環(huán)境光學學報，2010，5(3)：227-231.