摘  要： 針對(duì)目標(biāo)偏振探測(cè)的應(yīng)用研究，將多光譜分析方法與偏振信息測(cè)量技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種多光譜目標(biāo)偏振信息探測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用濾光片和偏振片獨(dú)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(gè)波段，實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)偏振信息的有效獲取。利用該探測(cè)系統(tǒng)在室外霧天環(huán)境下進(jìn)行了目標(biāo)偏振信息探測(cè)實(shí)驗(yàn)，獲得了目標(biāo)場(chǎng)景的多光譜偏振信息，驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性。
關(guān)鍵詞： 多光譜；偏振成像；偏振探測(cè)；目標(biāo)探測(cè)

    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(biāo)表面的反射都會(huì)改變光的偏振狀態(tài)。因此，光的偏振特性蘊(yùn)含環(huán)境與目標(biāo)的重要信息，充分挖掘和利用光的偏振信息，在目標(biāo)探測(cè)、遙感等領(lǐng)域具有重要的研究意義和應(yīng)用價(jià)值。由于環(huán)境和目標(biāo)的多樣性，地球表面及大氣中的目標(biāo)在反射、吸收和散射光線的過(guò)程中，表現(xiàn)出明顯的偏振特性差異，而且不同的目標(biāo)具有不同的偏振敏感波段。因此，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行偏振探測(cè)需要考慮不同光譜波段的影響。
    目前，常用的偏振成像探測(cè)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(guò)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(biāo)和背景的偏振特性[1]。PUST N J和 SHAW J A設(shè)計(jì)了可見光波段的多光譜雙視場(chǎng)偏振成像儀，分別用來(lái)測(cè)量地面目標(biāo)以及天空散射光的偏振特性[2]。美國(guó)的HOOPER B A、BAXTER B等人設(shè)計(jì)研制了AROSS-MSP多光譜偏振測(cè)量裝置，用于河流、海洋沉積物的偏振信息測(cè)量[3]。中科院安徽光機(jī)所的喬延利等研制了無(wú)人機(jī)載偏振CCD相機(jī)光機(jī)系統(tǒng)，用于對(duì)地面目標(biāo)的偏振探測(cè)[4]。這些研究表明，多光譜偏振信息獲取方法已成為目標(biāo)探測(cè)的重要研究方向。
    本文針對(duì)目標(biāo)偏振信息的探測(cè)應(yīng)用研究，根據(jù)偏振探測(cè)原理與多光譜成像技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種從可見光至近紅外的多光譜目標(biāo)偏振信息探測(cè)系統(tǒng)，能夠獲取目標(biāo)在不同光譜波段的偏振信息，可應(yīng)用于目標(biāo)發(fā)現(xiàn)與識(shí)別。
1 基本原理
    目標(biāo)的偏振特性可以通過(guò)斯托克斯(Stokes)矢量進(jìn)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(qiáng)度，Q表示x方向與y方向的線偏振光的強(qiáng)度差，U表示±45°方向上的線偏振光的強(qiáng)度差，V表示左旋偏振光與右旋偏振光的強(qiáng)度差。在自然界中，由于目標(biāo)的圓偏振分量很小，通常認(rèn)為V=0。通過(guò)偏振片可以將目標(biāo)偏振信息測(cè)量轉(zhuǎn)化為Stokes矢量元素的測(cè)量。通過(guò)偏振片后的輻射強(qiáng)度為：
  
    系統(tǒng)通過(guò)軟件控制光學(xué)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(jìn)行信息存儲(chǔ)、Stokes矢量計(jì)算和偏振度、偏振角求解。
2.2 光學(xué)結(jié)構(gòu)
    光學(xué)結(jié)構(gòu)是探測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，主要包括光學(xué)鏡頭、濾光片組和偏振片組，將目標(biāo)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?hào)，供系統(tǒng)進(jìn)行信息獲取，光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

    為了獲取較遠(yuǎn)距離的目標(biāo)偏振信息，光學(xué)通道設(shè)計(jì)為變焦長(zhǎng)焦鏡組，焦距為750 mm。其中，變焦鏡組調(diào)整光學(xué)通道的焦距，調(diào)焦鏡組調(diào)整成像清晰度，以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同距離目標(biāo)的成像需求。偏振片、濾光片分別安裝于兩個(gè)獨(dú)立可控的圓形旋轉(zhuǎn)輪片上，由步進(jìn)電機(jī)精確控制旋轉(zhuǎn)位置。
    偏振片組有0°、60°、120°共3個(gè)偏振通道及1個(gè)非偏振通道，以測(cè)量不同光譜的偏振以及非偏振輻射強(qiáng)度。濾光片組設(shè)計(jì)有6個(gè)插槽，其中有一個(gè)插槽為空，即為全波段通道，其他5個(gè)插槽對(duì)應(yīng)濾光片的中心波長(zhǎng)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(xué)通道光心位置一致，兩者協(xié)同工作檢測(cè)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(biāo)
    為了準(zhǔn)確解析目標(biāo)的光譜偏振信息，需要對(duì)探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行定標(biāo)。由于探測(cè)系統(tǒng)使用同一個(gè)成像器，系統(tǒng)定標(biāo)主要包括光譜定標(biāo)、偏振方向非一致性定標(biāo)和不同偏振方向相對(duì)輻射響應(yīng)度定標(biāo)。
    光譜定標(biāo)通過(guò)波長(zhǎng)已知的標(biāo)準(zhǔn)光源和光譜分析儀完成，偏振方向非一致性定標(biāo)通過(guò)旋轉(zhuǎn)偏振片與已知固定角度的偏振片進(jìn)行消光來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文主要介紹不同偏振方向相對(duì)輻射響應(yīng)度定標(biāo)。在探測(cè)系統(tǒng)中，每個(gè)偏振波段對(duì)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(cè)器的成像[6]。通過(guò)積分球?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行相對(duì)輻射響應(yīng)度定標(biāo)，獲取不同波段方向下的相對(duì)輻射響應(yīng)。以0°偏振方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，通過(guò)式(4)分別計(jì)算60°、120°偏振方向的相對(duì)輻射響應(yīng)度，解決不同偏振方向的輻射響應(yīng)差異問(wèn)題。

3 實(shí)驗(yàn)與分析
    2012年10月17日，利用多光譜目標(biāo)偏振信息探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了室外目標(biāo)偏振信息探測(cè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)為霧天環(huán)境，目標(biāo)為霧中的建筑，目標(biāo)到探測(cè)系統(tǒng)距離為1.8 km。圖3為探測(cè)系統(tǒng)獲取的目標(biāo)非偏振強(qiáng)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(shí)驗(yàn)環(huán)境下霧的影響，原圖的遠(yuǎn)處建筑物目標(biāo)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(xì)節(jié)信息清晰可見。

    圖4所示為目標(biāo)在850 nm下的0°偏振圖像和偏振度、偏振角圖像。整體場(chǎng)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(duì)目標(biāo)反射光的多次散射作用，導(dǎo)致偏振度降低。天空和建筑物目標(biāo)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(dǎo)致的。

    本文針對(duì)目標(biāo)偏振信息探測(cè)的應(yīng)用研究，將多光譜分析與偏振信息測(cè)量原理相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種多光譜目標(biāo)偏振信息探測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了定標(biāo)。在霧天環(huán)境下的目標(biāo)偏振探測(cè)實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能從可見光到近紅外多個(gè)波段對(duì)目標(biāo)偏振信息進(jìn)行有效探測(cè)，獲得各波段的偏振信息。相對(duì)其他波段，在850 nm波段的霧天目標(biāo)偏振信息探測(cè)具有較好的效果，在目標(biāo)發(fā)現(xiàn)與識(shí)別領(lǐng)域具有重要的意義。
參考文獻(xiàn)
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[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(wú)人機(jī)載偏振CCD相機(jī)光機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].光學(xué)技術(shù)，2008，34(3)：469-472.
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[6] 陳立剛，孟凡剛，袁銀麟.偏振相機(jī)的光學(xué)定標(biāo)方案研究[J].大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報(bào)，2010，5(3)：227-231.