分時(shí)型長(zhǎng)波紅外高幀頻偏振成像實(shí)驗(yàn)研究

張 哲， 劉欣悅， 王建立， 姚凱男， 李天賜

(1. 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100039)

1 引 言

作為電磁輻射的一種，紅外輻射存在于周圍各事物中，其包含了偏振特性、輻射強(qiáng)度等重要信息。目前，紅外成像技術(shù)已廣泛應(yīng)用于國(guó)防、商業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域。其中在8～12 μm的長(zhǎng)波波段，屬于地物(包括人造物)的發(fā)射波譜，在晝夜戰(zhàn)場(chǎng)偵察、人臉識(shí)別、高溫目標(biāo)識(shí)別等方面有重要意義。但由于長(zhǎng)波紅外成像技術(shù)僅利用了輻射強(qiáng)度信息，而長(zhǎng)波紅外偏振成像技術(shù)既可以探測(cè)到目標(biāo)與背景的輻射強(qiáng)度，又可以探測(cè)到代表目標(biāo)景物特性的偏振信息[1-2]，由于不同類型的目標(biāo)具有不同的偏振特性，所以可實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜地物背景下，弱化背景噪聲，提高探測(cè)與識(shí)別能力。因此國(guó)內(nèi)外對(duì)此做了很多相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究，近幾十年在我國(guó)也逐步受到重視[3-5]。

早在20世紀(jì)，國(guó)外就已開始了從可見光波段偏振成像到紅外偏振成像技術(shù)的研究。在國(guó)外，2001年，F(xiàn)orssell等開始進(jìn)行長(zhǎng)波范圍的地雷探測(cè)；2002年，Tan等人對(duì)空間物體進(jìn)行長(zhǎng)波波段的識(shí)別研究；2006年，Tyo等人發(fā)現(xiàn)利用長(zhǎng)波紅外偏振探測(cè)技術(shù)可以識(shí)別出雜亂背景中的車輛。至今，國(guó)外的長(zhǎng)波紅外偏振成像技術(shù)一直走在前沿。在國(guó)內(nèi)，雖然起步較晚，但以安徽光機(jī)所及西北工業(yè)大學(xué)等為代表，已利用長(zhǎng)波熱紅外偏振成像探測(cè)系統(tǒng)，對(duì)自然背景和偽裝目標(biāo)進(jìn)行了相關(guān)偏振成像研究[6-7]；其中，北京理工大學(xué)王霞等人對(duì)高溫目標(biāo)進(jìn)行陸地探測(cè)，并發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)波波段對(duì)高溫目標(biāo)偏振成像的優(yōu)勢(shì)[8]。

紅外偏振成像系統(tǒng)可分為4種類型，有體積較大的分振幅型偏振成像系統(tǒng)；還有體積小，但是離軸系統(tǒng)，光學(xué)設(shè)計(jì)復(fù)雜的分孔徑型偏振成像系統(tǒng)；以及將微偏振元器件集成到探測(cè)器像素上但會(huì)犧牲空間分辨率的分焦平面型偏振成像系統(tǒng)。本文選取的是裝置結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單緊湊、數(shù)據(jù)容易處理、精度較高以及成本較低的分時(shí)型長(zhǎng)波紅外偏振成像系統(tǒng)，但該系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)在同一時(shí)刻對(duì)目標(biāo)成像，所以不利于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的探測(cè)[9-14]。

為了解決分時(shí)型結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)性較差的問題，本文基于紅外偏振探測(cè)原理，在8～12 μm的長(zhǎng)波紅外波段，采用超高速高定位精度旋轉(zhuǎn)輪，搭建了分時(shí)型長(zhǎng)波紅外高幀頻偏振成像裝置，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行高溫目標(biāo)動(dòng)態(tài)探測(cè)實(shí)驗(yàn)。對(duì)系統(tǒng)完成選型、搭建，得到目標(biāo)的實(shí)時(shí)偏振度視頻數(shù)據(jù)，并可同時(shí)顯示出目標(biāo)的紅外熱視頻，實(shí)現(xiàn)對(duì)比結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，分時(shí)型成像裝置可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)目標(biāo)的準(zhǔn)實(shí)時(shí)偏振探測(cè)，并體現(xiàn)出長(zhǎng)波紅外偏振成像獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)。

2 基本原理

2.1 Stokes公式

依據(jù)電磁學(xué)理論，光波屬于橫波，因此會(huì)出現(xiàn)偏振現(xiàn)象。偏振光的描述方式主要為兩種，瓊斯矢量和斯托克斯矢量。其中斯托克斯矢量利用4個(gè)光強(qiáng)度的時(shí)間平均值來表示偏振光，可直接被探測(cè)測(cè)量，表示為：

(1)

其中：s0表示入射光強(qiáng)，s1為水平方向的線偏振分量，s2為45°方向的線偏振分量，s3與圓偏振有關(guān)。

圖1 長(zhǎng)波紅外偏振成像過程圖Fig.1 Imaging process diagram of long wave infrared polarization

2.2 測(cè)量原理

為了描述出射光的偏振態(tài)變化，在光的傳輸過程中，用4×4的米勒矩陣表示偏振元件的傳輸矩陣。假設(shè)入射輻射斯托克斯矢量為S，出射輻射的斯托克斯矢量為S′，它們之間的數(shù)學(xué)關(guān)系可以寫作：

S′=M×S，

(2)

本文采用一個(gè)線偏振片為基礎(chǔ)的線偏振測(cè)量系統(tǒng)，其出射光的Stokes矢量可表示為：

S′=Mα×S，

(3)

其中：Mα為理想線偏振片的穆勒矩陣，α表示偏振片透射方向與參考方向之間的角度。

(4)

由于成像探測(cè)器只能探測(cè)到輻射強(qiáng)度，即總光強(qiáng)的大小，所以只有Stokes的第一個(gè)參量可已被直接探測(cè)，經(jīng)過計(jì)算：

(5)

在實(shí)際的探測(cè)過程中，圓偏振分量相比于線偏量較小，所以不列入考慮，即令s3=0。從表達(dá)式(5)中得知，有3個(gè)未知量需要求出，為了使計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確，選取測(cè)量4個(gè)角度的方法，即只需測(cè)量出0°，45°，90°，135° 4個(gè)角度方向的光強(qiáng)，即可計(jì)算出s0、s1和s2，進(jìn)而根據(jù)公式推算出偏振度和偏振角等相關(guān)參數(shù)。

3 長(zhǎng)波紅外偏振成像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)選取了裝置結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單緊湊、數(shù)據(jù)容易處理、精度較高的分時(shí)型長(zhǎng)波紅外偏振成像系統(tǒng)。為了解決分時(shí)型長(zhǎng)波紅外偏振成像結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)性較差的問題，采用高速旋轉(zhuǎn)輪帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)偏振片，通過鏡頭成像在長(zhǎng)波非制冷焦平面探測(cè)器上，來采集不同角度的偏振光強(qiáng)圖像，進(jìn)而解算出偏振度，實(shí)現(xiàn)線偏振測(cè)量。

因此，本文實(shí)驗(yàn)裝置主要由高速旋轉(zhuǎn)輪帶動(dòng)的偏振片、物鏡以及探測(cè)器3部分組成。結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 偏振成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Polarization imaging system structure

就本文選取的分時(shí)型長(zhǎng)波紅外線偏振成像系統(tǒng)，由于它是在離散時(shí)間下獲取不同偏振方向的圖像，探測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，如果測(cè)量動(dòng)態(tài)目標(biāo)就會(huì)帶來偏差信息，因此傳統(tǒng)裝置較適合靜態(tài)測(cè)量。為了能夠?qū)崿F(xiàn)本文的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，?zhǔn)確測(cè)量運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的偏振度圖像，需要實(shí)現(xiàn)偏振片的準(zhǔn)確定位和穩(wěn)定停頓，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)同步性。因此綜合考慮后，選購(gòu)了FLI公司的高速旋轉(zhuǎn)輪，如圖3所示，其采用集成電子技術(shù)，可以快速改變光學(xué)元件的取向變化 ，并精確計(jì)時(shí)，所需的變化時(shí)間曲線由圖4給出，技術(shù)參數(shù)由表1給出。

圖3 旋轉(zhuǎn)輪實(shí)物圖Fig.3 Rotating wheel map

圖4 定向變化時(shí)間曲線Fig.4 Orientation change time curve

長(zhǎng)波紅外偏振片定制于美國(guó)Thorlabs公司，類型為硅基底線柵偏振片，具有高消光比，實(shí)物圖及技術(shù)參數(shù)如圖5和表2所示。

表1 高速旋轉(zhuǎn)輪的主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of high speed rotating wheel

圖5 長(zhǎng)波紅外偏振片F(xiàn)ig.5 Long wave infrared polarizer

Tab.2 Main technical parameters of long-wave infrared polarizer

尺寸類型材料消光比?12.5 mm金屬柵硅>10 000

實(shí)驗(yàn)采用非制冷探測(cè)方式，且基于動(dòng)態(tài)目標(biāo)探測(cè)的目的，選購(gòu)了可實(shí)時(shí)錄制/傳輸/分析，可實(shí)現(xiàn)60 Hz、16 bit全溫度紅外視頻數(shù)據(jù)，并且專用于高速成像的紅外相機(jī)。紅外相機(jī)各技術(shù)參數(shù)見表3、表4。實(shí)物如圖6所示。

表3 長(zhǎng)波紅外偏振探測(cè)器的主要技術(shù)參數(shù)

Tab.3 Main technical parameters of long wave infrared polarization detector

探測(cè)器類型像素像元間距波長(zhǎng)范圍熱靈敏度非晶硅非制冷型焦平面640×48017 μm8～12 μm<80 mK

表4 長(zhǎng)波紅外鏡頭的主要技術(shù)參數(shù)

Tab.4 Main technical parameters of long-wave infrared lens

視場(chǎng)焦距F數(shù)最小成像距離24.6°×18.6°25 mm1.00.3 m

圖6 長(zhǎng)波紅外相機(jī)Fig.6 Long wave infrared camera

4 實(shí) 驗(yàn)

通過優(yōu)化長(zhǎng)波紅外相機(jī)的操作界面功能，將高速旋轉(zhuǎn)輪與長(zhǎng)波紅外相機(jī)進(jìn)行同步，完成同步圖像采集與處理過程，實(shí)現(xiàn)了15幀/s的目標(biāo)偏振度視頻數(shù)據(jù)采集。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及長(zhǎng)波紅外相機(jī)的操作界面如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.7 Experiment platform

圖8 長(zhǎng)波紅外相機(jī)成像操作界面Fig.8 Operation interface of long wave infrared camera imaging

圖9 探測(cè)目標(biāo)區(qū)域Fig.9 Area of detection target

由于目前實(shí)驗(yàn)設(shè)備性能限制，以及長(zhǎng)波紅外偏振極易受環(huán)境影響，因此選擇在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

首先，目標(biāo)選取高溫金屬罩暖爐，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，將暖爐預(yù)熱完畢后，關(guān)閉電源，對(duì)暖爐由熱至冷的變化過程進(jìn)行偏振度動(dòng)態(tài)探測(cè)。圖9矩形框內(nèi)為高溫測(cè)量區(qū)域，圖10為在6 s時(shí)間內(nèi)采集的90幅偏振度圖像中，其偏振度最大值的變化擬合曲線?？梢钥闯?，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了15幀/s的動(dòng)態(tài)偏振度探測(cè)，且在這個(gè)動(dòng)態(tài)過程中，隨著溫度的驟變，偏振度也會(huì)有所減小。

接著，目標(biāo)依舊選取高溫金屬罩暖爐，保持溫度不變，針對(duì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)紅外強(qiáng)度圖像與偏振度圖像的對(duì)比顯示。圖11為該目標(biāo)長(zhǎng)波紅外強(qiáng)度與偏振度的視頻截圖圖像。

圖10 偏振度最大值變化擬合曲線Fig.10 Curve of variation of maximum polarization degree

由于暖爐具有較高溫度，熱輻射能量高于背景環(huán)境，與背景的對(duì)比度很高。強(qiáng)度圖像雖然可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的探測(cè)，但由于觀察的目標(biāo)區(qū)域溫差很小，使得細(xì)節(jié)模糊，很難實(shí)現(xiàn)識(shí)別功能，細(xì)節(jié)部分沒有很好顯現(xiàn)。而偏振度圖像相比紅外強(qiáng)度圖像，細(xì)節(jié)更加突出，有效提高了人造物和背景的對(duì)比度。爐身的金屬外罩的輪廓清晰可見，加熱管內(nèi)部的加熱絲以及邊緣細(xì)節(jié)信息也可明顯看出(圓圈圈出)。這進(jìn)一步證實(shí)長(zhǎng)波紅外偏振成像技術(shù)可對(duì)高溫目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)與識(shí)別，與紅外成像相比，紅外偏振成像提供了更多目標(biāo)的細(xì)節(jié)，證明了偏振成像在高溫目標(biāo)成像上較強(qiáng)度成像有一定的優(yōu)勢(shì)，有利于對(duì)長(zhǎng)波紅外偏振成像應(yīng)用的進(jìn)一步探究。

(a)無(wú)偏強(qiáng)度圖像(a) Intensity image

(b)偏振度圖像(b) Polarization image圖11 金屬外罩暖爐的長(zhǎng)波紅外偏振成像Fig.11 Long-wave infrared polarization imaging of metal cover heater

圖12 融合結(jié)果Fig.12 Fusion result

此外，通過融合算法，將紅外強(qiáng)度圖像和偏振度圖像融合，發(fā)現(xiàn)相比于融合之前的圖像，其信噪比有所提高，細(xì)節(jié)信息并沒有損失，說明通過偏振圖像的融合處理，能使偏振具有更好的成像效果，這為我們今后的偏振圖像處理提供了思路與方法。

5 結(jié) 論

本文解決了傳統(tǒng)分時(shí)型長(zhǎng)波紅外偏振成像裝置難以高幀頻探測(cè)的問題。通過實(shí)驗(yàn)證明，針對(duì)分時(shí)型長(zhǎng)波紅外偏振成像裝置，可以實(shí)現(xiàn)探測(cè)動(dòng)態(tài)高溫運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的偏振度圖像，并完成15幀/s的目標(biāo)偏振度探測(cè)。并進(jìn)一步證實(shí)，長(zhǎng)波紅外偏振成像在高溫目標(biāo)識(shí)別上具有優(yōu)勢(shì)，不僅能識(shí)別目標(biāo)，而且可以提供更豐富的細(xì)節(jié)信息，抑制背景，提高目標(biāo)與背景的對(duì)比度，有利于我們對(duì)目標(biāo)場(chǎng)景的觀察與理解。可以得出，長(zhǎng)波紅外偏振成像技術(shù)是對(duì)傳統(tǒng)紅外成像的一種有效的補(bǔ)充和發(fā)展，其研究對(duì)于目標(biāo)探測(cè)和識(shí)別有著重要的意義。