一種光譜偏振成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

何梓健 ,王科偉,馬麗芳,汪家春,趙大鵬,王啟超

(1.安徽省紅外與低溫等離子體重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230037； 2.中國人民解放軍總參陸航部駐西安軍事代表室，陜西 西安 710065；3.陸軍軍官學(xué)院 信息化彈藥研究所，安徽 合肥230031)

引言

偏振探測作為強(qiáng)度探測的有益補(bǔ)充，能夠提供關(guān)于目標(biāo)與背景的更多信息。利用目標(biāo)和背景的偏振特性差異，可以抑制復(fù)雜背景噪聲，提高目標(biāo)探測與識別的準(zhǔn)確度[1-3]，因此，在目標(biāo)探測領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)價值，是目前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。早在20世紀(jì)90年代，關(guān)于遙感中偏振信息的重要性就已得到美國國家航空航天局(NASA)的認(rèn)可[4]。近年來，國內(nèi)外多個研究小組開展了偏振成像探測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究[5-7]，如基于液晶可調(diào)濾光器(LCTF)的光譜偏振成像探測系統(tǒng)[8]以及基于液晶相位可變延遲器(LCVR)和聲光可調(diào)濾波器(AOTF) 的光譜偏振成像探測系統(tǒng)[9]。但這些昂貴的可調(diào)光學(xué)器件加入到光路中，會對入射光造成較大的衰減，提高了對CCD相機(jī)的要求，增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度和成本。此外，由于一般物體在相鄰光譜范圍內(nèi)，其光譜偏振特性變化并不大，因而基于這些可調(diào)器件的多光譜或超光譜偏振成像探測系統(tǒng)，還可能會造成偏振探測結(jié)果的信息冗余。為此，本文設(shè)計(jì)了一種基于電動轉(zhuǎn)輪的光譜偏振成像探測系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可以在事先固定的6個波長上實(shí)現(xiàn)光譜偏振成像探測，探測精度較高。

1 偏振成像探測原理

光的偏振態(tài)的描述通常采用Stokes矢量。Stokes矢量[10]定義為

S=[I,Q,U,V]T

(1)

式中：I表示總的光強(qiáng)；Q表示水平線偏振分量與垂直線偏振分量之差；U表示45°線偏振分量與135°線偏振分量之差；V表示右旋圓偏振分量與左旋圓偏振分量之差。在可見光和近紅外波段，非金屬目標(biāo)對太陽輻射的反射光中圓偏振成分很少，可以認(rèn)為V近似為0。因此，對于一束地物的散射光，要完全確定其偏振狀態(tài)，只需確定Stokes矢量中的I、Q和U3個參量即可。I、Q和U分量一般通過測量0°、60°和120° 3個偏振方向的光強(qiáng)后處理得到：

(2)

從而，利用Stokes矢量定義可以計(jì)算得到地物表面的偏振度P和偏振角θ：

(3)

因此，為了實(shí)現(xiàn)對地物偏振成像探測，僅需獲得地物在3個不同偏振方向上的相對光強(qiáng)圖像，然后按照逐像元計(jì)算即可得到場景的I、Q和U圖像、偏振度圖像以及偏振角圖像。

2 偏振成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測試

2.1 系統(tǒng)組成

圖2為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，系統(tǒng)由偏振片及其旋轉(zhuǎn)臺、濾光片及其旋轉(zhuǎn)臺、CCD以及圖像采集單元組成。采用旋轉(zhuǎn)偏振片的方式對入射光的偏振狀態(tài)進(jìn)行調(diào)制，通過旋轉(zhuǎn)濾光片進(jìn)行光譜選擇。偏振片和濾光片輪均安裝在電動旋轉(zhuǎn)臺上，通過電腦控制2個旋轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動角度，其中偏振片分別轉(zhuǎn)動到30°、60°和120°。濾光片輪能安裝6個光譜濾光片，按照60°轉(zhuǎn)動，濾光片的光譜范圍可以根據(jù)系統(tǒng)的需要，在可見光與近紅外波段內(nèi)適當(dāng)選取。整個系統(tǒng)被固定在三腳架平臺上，可以根據(jù)需要在俯仰和水平方向上調(diào)節(jié)?？紤]到本文所使用CCD相機(jī)的光譜響應(yīng)范圍為400nm～1 000nm，這里選擇的濾光片中心波長分別為442nm、545.5nm、670.5nm、740.5nm、850.5nm和906.5nm，半波帶寬在10nm左右。

圖1 光譜偏振探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of spectral polarization detection system

2.2 系統(tǒng)探測精度分析

為了對本系統(tǒng)的偏振度探測精度進(jìn)行分析，利用亮度可調(diào)的鹵鎢燈對探測系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，實(shí)驗(yàn)原理如圖2所示。在鹵鎢燈出射窗口處放置一塊毛玻璃和一塊線偏振片，偏振片的偏振方向?yàn)槿我夥较颉｛u鎢燈所發(fā)出的光經(jīng)毛玻璃散射后形成一個面積較大的光斑，再經(jīng)過偏振片后，出射光近似為線偏振光。此時，偏振片上的光斑就可以近似認(rèn)為是偏振度為1的面目標(biāo)。在暗室內(nèi)，利用本文所設(shè)計(jì)的光譜偏振成像探測系統(tǒng)對毛玻璃上的光斑進(jìn)行成像，分別采集0°、60°和120° 3個偏振方向上場景的光譜強(qiáng)度圖像，處理后得到場景的偏振度圖像。可以預(yù)見，如果探測系統(tǒng)工作正常，在處理所得的偏振度圖像中，理想情況下，光斑的偏振度應(yīng)為1。圖3為3個偏振方向上場景的光譜強(qiáng)度圖像，成像探測系統(tǒng)所使用的濾光片中心波長為670.5nm，圖4為處理所得到的光強(qiáng)圖和偏振度圖像。

圖2 實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.2 Principle diagram of experiment

圖3 3個偏振方向上場景的光譜強(qiáng)度圖像Fig.3 Spectral intensity images of scene on 3 polarization directions

圖4 處理所得到的光強(qiáng)圖像和偏振度圖像Fig.4 Experimental results

由圖4可以看出，由于光斑的光強(qiáng)分布不均勻，因而在強(qiáng)度圖像中其灰度值呈現(xiàn)一定的分布；而在偏振度圖像中，光斑偏振度的測量值較大，且較為一致，因而在偏振度圖像中呈現(xiàn)出一個比較均勻的圓形白色區(qū)域。此外，在強(qiáng)度圖像中，背景區(qū)域的灰度值很小，在0值附近；經(jīng)過處理后，在偏振度圖像中卻出現(xiàn)了像噪聲一樣的背景，但噪聲卻又沒有在光斑的圓形區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)。為了進(jìn)一步說明情況，在3幅強(qiáng)度圖像中的不同位置，分別獲得背景與光斑所對應(yīng)的灰度值，并利用這些灰度值計(jì)算出其相應(yīng)位置的偏振度值，具體結(jié)果如表1所示，其中坐標(biāo)為(45，33)，(43,120)，(238,40)，(214,245)的像素點(diǎn)位于背景圖像中，坐標(biāo)為(111,110)，(186,119)，(115,170)，(186,155) 的像素點(diǎn)位于光斑圖像中。

表1強(qiáng)度圖像中不同位置處的灰度值及其處理所得到的偏振度

Table1Grayvaluesatdifferentpositionsinintensityimagesandpolarizationdegreesacquiredfromthem

所選像素點(diǎn)坐標(biāo)灰度值I(0°)灰度值I(60°)灰度值I(120°)偏振度(45，33)3011 3229(43，120)1110(238，40)1320 5774(214，245)000NaN(111，110)13453161 0299(186，119)9541120 9858(115，170)21089280 9813(186，155)11848131 0347

從表1可以看出，背景在強(qiáng)度圖像中的灰度值很小，理論上，背景處無光強(qiáng)，在強(qiáng)度圖像中其灰度值應(yīng)為0，因此，實(shí)際圖像中背景的灰度值可以認(rèn)為主要來自于CCD相機(jī)自身的背景噪聲。由于背景噪聲在強(qiáng)度圖像中的灰度值起伏毫無規(guī)律可言，因而造成背景在偏振度圖像中產(chǎn)生像噪聲一樣的起伏；而在光斑處，由于入射光產(chǎn)生的灰度值較大，減小了噪聲對探測結(jié)果的影響，因而光斑位置偏振度的探測結(jié)果與理論值較為接近。從計(jì)算所得的結(jié)果來看，光斑偏振度的計(jì)算值和理論值之間的誤差不超過4%，可以認(rèn)為系統(tǒng)的探測精度能達(dá)到4%以內(nèi)。

通過上面的實(shí)驗(yàn)可以看出，對于本文所設(shè)計(jì)的光譜偏振成像探測系統(tǒng)，光路中只使用了一個濾光片和線偏振片，結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)、成本較低，且具有較高的探測精度。

3 應(yīng)用前景分析

利用本文所設(shè)計(jì)的光譜偏振成像探測系統(tǒng)，在陰天天氣條件下，對林地型三色偽裝涂層目標(biāo)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探測，圖5為實(shí)驗(yàn)所得到的光強(qiáng)圖像和偏振度圖像，背景為草地，紙盒子里為干燥的土壤，光強(qiáng)圖中標(biāo)識出了三色涂層的大致分布區(qū)域。系統(tǒng)所使用的濾光片中心波長為545.5 nm，探測角度為75°。

圖5 在545.5 nm波長處，偽裝涂層目標(biāo)的光強(qiáng)圖像和偏振度圖像Fig.5 Experimental results at 545.5nm

從圖5可以看出，在545.5 nm波長處，光譜反射率較大的土黃色偽裝涂層，在光強(qiáng)圖中呈較亮的區(qū)域，但在偏振度圖像中，其偏振度較小，因此呈黑色區(qū)域；而對于光譜反射率均較小的墨綠色和淺綠色2種偽裝涂層，如圖中的區(qū)域A，在光強(qiáng)圖中呈較暗的區(qū)域，但在偏振度圖像中，區(qū)域A的偏振度平均值為0.33，因而在偏振度圖像中該區(qū)域亮度較高。對于草地和土壤背景，如圖中的區(qū)域B和區(qū)域C，其光譜偏振度的平均值為0.038和0.047,在偏振度圖像中區(qū)域亮度均較為昏暗。因此，雖然在偏振度圖像中，圖像的可視性會有一定的下降，但由于草地和土壤的偏振度與目標(biāo)偏振度差異較大，如區(qū)域A與區(qū)域B、C的偏振度平均值的差值分別達(dá)到0.292和0.283，在圖像中表現(xiàn)為偽裝涂層目標(biāo)顯得更加突出。可以看出，偏振成像探測作為一種新的反偽裝探測手段，可以有效地提高對傳統(tǒng)偽裝涂層目標(biāo)的探測和識別概率。同時，利用涂層在光強(qiáng)圖像和偏振度圖像中的明暗區(qū)域正好相反的變化規(guī)律，可以對光強(qiáng)圖像和偏振度圖像進(jìn)行融合，將偏振度信息作為光強(qiáng)信息的補(bǔ)充，以提高對偽裝涂層目標(biāo)的探測和識別能力。

以上利用本文所設(shè)計(jì)光譜偏振成像系統(tǒng)在545.5 nm波長處對林地型三色偽裝涂層目標(biāo)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探測。此外，由于目標(biāo)的偏振特性受探測波長、方位角以及俯仰角等多種因素的影響，為了獲得偽裝涂層目標(biāo)偏振特性的規(guī)律，可以利用該系統(tǒng)在不同探測條件下方便地完成多種實(shí)驗(yàn)，從而為不同條件下偽裝涂層目標(biāo)的探測與識別提供依據(jù)。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種基于電調(diào)諧方式的光譜偏振成像探測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以在事先固定的六個波長上實(shí)現(xiàn)光譜偏振成像探測。通過亮度可調(diào)的鹵鎢燈對探測系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)具有高達(dá)4%的探測精度。最后利用所設(shè)計(jì)的光譜偏振成像探測系統(tǒng)對地物背景中的迷彩偽裝板進(jìn)行了探測實(shí)驗(yàn)，通過分析所得的偏振圖像得出，目標(biāo)與草地及土壤背景的偏振度差值分別達(dá)到0.292和0.283，在圖像中目標(biāo)顯得較為明顯。

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