海面太陽耀光背景下的偏振探測技術(shù)

張衛(wèi)國

(91550部隊，遼寧 大連 116021)

1　引　言

平靜的海面或者低風速情況下的波動海面可以近似看作微鏡的組合。當太陽光入射時，在與入射光方向關(guān)于法線對稱的反射光方向上會產(chǎn)生強烈的反射輻射，形成太陽耀光。受太陽耀光影響的中心區(qū)域，輻射強度使得傳感器極易達到飽和，無法實現(xiàn)對海面目標的有效探測[1-5]。

偏振是光的另一個固有屬性，是獨立于強度、波長和相位的光學信息維度[6-12]。研究表明，太陽耀光具有較明顯的偏振特性[13-14]，基于該特性，采用偏振自適應(yīng)濾波探測方法能夠：(1)實現(xiàn)對強背景輻射的有效抑制；(2)不受海面目標運動的影響，不受太陽觀測相對方位角、風速、風向等因素影響，可實時檢測出變化的強散射背景的偏振特性，實現(xiàn)實時的偏振自適應(yīng)濾波。與常規(guī)探測方法相比，該方法能夠顯著提升海面目標在強散射背景下的探測能力。

本文將偏振探測技術(shù)應(yīng)用于太陽耀光背景下的海面目標探測領(lǐng)域。詳細介紹了偏振探測系統(tǒng)的功能和組成、偏振探測及背景抑制原理；并給出了該系統(tǒng)的光學設(shè)計結(jié)果和偏振定標方法；利用雙波段自適應(yīng)偏振濾波探測系統(tǒng)，針對海上典型目標，開展了相關(guān)的偏振驗證實驗。

2　偏振探測系統(tǒng)的功能和組成

2.1　偏振探測系統(tǒng)的功能

偏振自適應(yīng)濾波探測系統(tǒng)主要具有以下功能：(1)具備短波紅外波段偏振探測圖像的實時采集及顯示、偏振數(shù)據(jù)區(qū)域選取、數(shù)據(jù)分析及處理功能；(2)具備偏振自適應(yīng)實時濾波功能；(3)具備光強、偏振度及偏振角信息處理功能；(4)具備圖像灰度自動拉伸功能；(5)具備電動調(diào)焦功能。

2.2　偏振探測系統(tǒng)的組成

偏振自適應(yīng)濾波探測系統(tǒng)主要由前置光學分系統(tǒng)、偏振分析儀分系統(tǒng)、轉(zhuǎn)輪控制分系統(tǒng)和偏振探測儀分系統(tǒng)構(gòu)成。前置光學分系統(tǒng)將目標/背景的入射輻射進行光譜分光后，分成兩路，其中可見光波段進入偏振分析儀分系統(tǒng)，短波紅外波段進入偏振探測儀分系統(tǒng)。偏振分析儀與偏振探測儀同光軸，視場大小相近。偏振分析儀利用偏振探測器，能夠?qū)崟r對海面耀光的偏振特性進行測量，為偏振探測儀中的偏振片轉(zhuǎn)輪提供有效的背景抑制方向信息。偏振探測儀具有兩種工作模式：(1)當耀光背景的偏振特性較強時，采用旋轉(zhuǎn)濾光片型的偏振探測方式，根據(jù)偏振分析儀的測量結(jié)果，利用轉(zhuǎn)輪控制分系統(tǒng)實時控制偏振片旋轉(zhuǎn)角度，改變其透偏方向，使得偏振片的檢偏方向與背景的偏振方向相垂直，從而有效抑制背景輻射，提升觀測目標的探測對比度；(2)當耀光背景的偏振特性較弱，且強度相對較弱時，偏振片轉(zhuǎn)輪移出光路，采用光強探測方式可最大限度地提升目標與背景的探測對比度。轉(zhuǎn)輪控制分系統(tǒng)根據(jù)偏振分析儀測量結(jié)果和預(yù)先設(shè)置的切換閾值，實時控制轉(zhuǎn)輪機構(gòu)旋轉(zhuǎn)/移出/移入光路。整個偏振自適應(yīng)濾波系統(tǒng)的內(nèi)部組成及連接關(guān)系圖如圖1所示。

圖1　偏振自適應(yīng)濾波系統(tǒng)的組成及內(nèi)部連接關(guān)系 Fig.1　Internal composition and connection in polarization adaptive filtering system

3　偏振探測及背景抑制原理

太陽耀光的入射輻射能量可以表示為斯托克斯矢量形式S=(S0,S1,S2,S3)T，其中，分量S0表示光強，分量S1和S2表示線偏振分量，分量S3表示圓偏振分量。光學元件或系統(tǒng)對入射光偏振態(tài)的改變可用4×4穆勒矩陣M描述，假設(shè)第i次探測時，偏振成像探測系統(tǒng)的穆勒矩陣為：

(1)

則探測器獲得的光強為：

Ii=Mi10S0+Mi11S1+Mi12S2+Mi13S3,

(2)

若采用具有不同偏振傳輸特性的成像通道進行N次(N次分時探測或N通道探測)成像探測，獲得的光強為：

I=(I1,I2,…,IN)T.

(3)

將N次探測過程表示為矩陣形式：

(4)

其中，W為偏振探測系統(tǒng)的探測矩陣，通過求解W的逆矩陣W-1即可獲得入射光的斯托克斯矢量：

S=W-1I.

(5)

根據(jù)斯托克斯矢量中前三項S0、S1、S2因子，即可得到目標圖像的偏振度DoLP和偏振角AoP信息，表示如下：

(6)

(7)

根據(jù)偏振度DoLP分析結(jié)果，控制偏振轉(zhuǎn)輪移入/移出光路。移入時，將旋轉(zhuǎn)偏振片角度調(diào)整到AoP+90°方向，即可實現(xiàn)對海面太陽耀光的有效抑制。

4　光學設(shè)計結(jié)果

偏振自適應(yīng)濾波探測系統(tǒng)中，全部鏡片均采用球面鏡設(shè)計，最終設(shè)計結(jié)果如圖2所示。

圖2　偏振系統(tǒng)光路示意圖 Fig.2　Optical path schematic of polarization system

系統(tǒng)主口鏡為150 mm，入射光線經(jīng)過主鏡、次鏡、三鏡和四鏡反射后，經(jīng)過準直透鏡，平行入射至分色鏡表面，將光路分成0.5～0.85 μm和0.9～1.7 μm兩個波段。每組光路又分別經(jīng)過各自的成像鏡組進行成像探測。

圖3　偏振分析儀點列圖 Fig.3　Spot diagram of polarization analyzer

圖4　偏振探測儀點列圖 Fig.4　Spot diagram of polarization detector

圖5　偏振分析儀MTF曲線圖 Fig.5　MTF of polarization analyzer

采用系統(tǒng)不同波長處的點列圖和MTF(調(diào)制傳遞函數(shù))對系統(tǒng)成像質(zhì)量進行評價。圖3為偏振分析儀在0.5、0.6和0.7 μm對應(yīng)的點列圖。圖4為偏振探測儀在0.9、1.3和1.7 μm對應(yīng)的點列圖。圖5和圖6分別為偏振分析儀和偏振探測儀的MTF曲線圖。由圖5、圖6可知，在滿足各自探測器奈奎斯特采樣頻率的條件下，MTF平均值(子午面和弧矢面MTF的平均值)均大于0.45，滿足應(yīng)用要求，表明光學系統(tǒng)成像質(zhì)量良好。偏振分析儀和偏振探測儀所對應(yīng)的探測視場分別為0.8°和0.5°。

圖6　偏振探測儀MTF曲線圖 Fig.6　MTF curves of polarization detector

5　試驗結(jié)果及分析

利用偏振自適應(yīng)濾波探測系統(tǒng)，搭載望遠鏡跟蹤試驗平臺，針對海上靜止和運動目標，分別開展了抑制太陽耀光的偏振驗證實驗。實驗中采用C++高級程序語言，對相機采集程序和轉(zhuǎn)輪控制程序進行二次開發(fā)。利用偏振分析儀的探測矩陣，實時解算目標偏振特性信息，并利用偏振探測儀的探測矩陣，解算偏振片旋轉(zhuǎn)角度，進而完成對太陽耀光的抑制及抑制圖像的采集。

針對海面靜止目標，典型結(jié)果如圖7所示?？梢姡?jīng)過偏振分析儀的探測，背景海面耀光的偏振度約為0.4。對比圖7(a)和圖7(b)發(fā)現(xiàn)，通過改變偏振片角度，能夠?qū)μ栆獾墓鈴娺M行調(diào)制和抑制；在降低太陽耀光的情況下，目標船的細節(jié)特征能夠有效凸顯。

圖7　靜止目標抑制效果比對圖 Fig.7　Comparison of suppression effects for static target

海面運動目標從非耀光區(qū)進入耀光區(qū)，由于目標運動速度快，觀測時間短，探測過程中通常采用固定積分時間。本文考察了使用固定積分時間，利用非偏探測手段與非偏和偏振手段相結(jié)合的效果對比。結(jié)果分別如圖8和圖9所示。數(shù)據(jù)分析結(jié)果見表1。由表1可見，在整個目標觀測區(qū)域內(nèi)，采用偏振探測手段能夠顯著抑制太陽耀光，提升目標探測對比度；從非耀光區(qū)到耀光區(qū)，采用偏振技術(shù)能夠?qū)Ρ榷缺３衷谝粋€合理的范圍，能夠有效解決固定積分時間下，不同觀測區(qū)域成像對比度差異大的問題，以及非耀光區(qū)對比度不明顯或耀光區(qū)背景飽和的問題。

圖8　采用非偏探測時運動目標非耀光區(qū)和耀光區(qū)非偏效果比對圖 Fig.8　Comparison of moving target on the non-glare zone and glare zone(non-polarized) by using non-polarization detection

圖9　采用非偏探測與偏振探測相結(jié)合時運動目標非耀光區(qū)和耀光區(qū)偏振效果比對圖 Fig.9　Comparison of moving target on the non-glare zone and glare zone(polarized) by combining non-polarizaion and polarization detection technology

表1　數(shù)據(jù)分析結(jié)果

實驗過程中，儀器對太陽耀光的觀測俯仰角約為-2°，根據(jù)不同的觀測方位角，利用偏振分析儀測得的太陽耀光偏振度變化區(qū)間為0.2～0.3。針對動目標的實驗過程中，由于太陽耀光偏振特性的連續(xù)變化，且變化量較小，所以控制偏振片旋轉(zhuǎn)角度的響應(yīng)時間近似為實時。

6　結(jié)　論

本文針對海面目標探測時對太陽耀光背景的抑制需求，設(shè)計并構(gòu)建了一套雙波段自適應(yīng)偏振濾波探測系統(tǒng)。將該系統(tǒng)搭載于望遠鏡跟蹤試驗平臺，以海上典型目標為對象，開展了相關(guān)的偏振驗證實驗。實驗結(jié)果表明：海面太陽耀光存在比較明顯的偏振特性，在精確測得耀光偏振度和偏振角的基礎(chǔ)上，能夠利用偏振探測技術(shù)有效抑制太陽耀光的影響，可確保耀光區(qū)內(nèi)的靜止目標及運動目標在觀測區(qū)域內(nèi)的有效探測。

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