偏振成像技術(shù)的研究進(jìn)展及應(yīng)用

周強(qiáng)國，黃志明，周 煒

（1.中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所 紅外物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200083；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

0 引言

偏振成像技術(shù)能夠獲取目標(biāo)物的空間信息、光譜信息以及各個譜段的偏振信息。偏振成像技術(shù)將目標(biāo)物的空間、光譜和偏振信息進(jìn)行融合，不僅可以提高獲取目標(biāo)物的信息量，而且能夠增強(qiáng)對目標(biāo)物的探測和識別能力。隨著偏振成像技術(shù)在農(nóng)業(yè)、環(huán)境、醫(yī)學(xué)、工程、大氣、天文等領(lǐng)域的應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，在未來必然表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。偏振成像技術(shù)相比傳統(tǒng)的探測技術(shù)對目標(biāo)物體進(jìn)行探測與識別時(shí)，在以下幾個方面通常會體現(xiàn)出無法比擬的優(yōu)勢：一是當(dāng)目標(biāo)物使用偽裝涂料、偽裝網(wǎng)等技術(shù)進(jìn)行偽裝時(shí)，偏振成像技術(shù)可以突破傳統(tǒng)探測器的局限性，更容易發(fā)現(xiàn)目標(biāo)[1]；二是當(dāng)目標(biāo)物輻射較弱，背景輻射較強(qiáng)時(shí)，傳統(tǒng)探測器從背景中清楚分辨目標(biāo)物的特征就變得困難了，使用偏振成像技術(shù)，更容易凸顯目標(biāo)；三是在大氣環(huán)境下，偏振成像技術(shù)可以增加在煙、霧條件下的探測距離，偏振信息比強(qiáng)度散射信息具有更好的保持性。

實(shí)驗(yàn)表明：不同的物體或者同一物體的不同部分由于粗糙程度、材料性質(zhì)、外表形狀和觀測角度的不同，會產(chǎn)生不同的偏振特性。偏振探測技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于對目標(biāo)物的探測不受目標(biāo)物表面溫度的影響，只與目標(biāo)物自身的性質(zhì)有關(guān)，如粗糙程度和外表形狀等，所以偏振探測技術(shù)能夠有效避免背景雜波的影響，讓目標(biāo)物在背景中凸顯出來，有利于對目標(biāo)的檢測與識別，在復(fù)雜環(huán)境下檢測出有效的信號。

本文首先介紹偏振成像技術(shù)在近幾十年的發(fā)展歷程，再介紹偏振成像技術(shù)在軍事及民用領(lǐng)域的典型應(yīng)用，最后指出國內(nèi)在偏振成像技術(shù)領(lǐng)域存在的問題以及給出合理的建議。

1 偏振成像技術(shù)的研究進(jìn)展

對于偏振成像技術(shù)，涉及此領(lǐng)域較早的國家有美國、英國、以色列和日本等，特別是美國在偏振成像技術(shù)領(lǐng)域取得了很大的進(jìn)步，在全球處于領(lǐng)先地位。其工作重點(diǎn)集中于偏振探測理論和技術(shù)應(yīng)用方面，為此進(jìn)行了大量測量、測試、模擬仿真等，獲得了豐富的偏振數(shù)據(jù)（如偏振圖像、性能參數(shù)、表格曲線等），并對數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析和歸納[2]。本節(jié)主要在以下3 個方面對偏振成像技術(shù)的發(fā)展歷程進(jìn)行全面系統(tǒng)地介紹：一是在偏振成像系統(tǒng)的研究方面；二是在偏振成像儀器的研究方面；三是在對目標(biāo)物的觀測偏振信息的研究方面。

1.1 偏振成像系統(tǒng)的研究

對偏振成像系統(tǒng)的研究有助于偏振成像光譜儀在光譜段范圍、光譜分辨率以及精確度上的不斷改進(jìn)與提高。目前偏振成像光譜系統(tǒng)主要有兩種：一是液晶可調(diào)諧（Liquid Crystal Tunable Filter,LCTF）成像光譜系統(tǒng)和非共線聲光可調(diào)諧（Acousto-Optic Tunable Filter,AOTF）成像光譜系統(tǒng)[3]。隨著光譜成像技術(shù)的發(fā)展，AOTF 成像光譜系統(tǒng)逐漸成為國內(nèi)外研究的重點(diǎn)。AOTF 成像光譜系統(tǒng)可以獲得更多的目標(biāo)信息，它具有結(jié)構(gòu)簡單、分辨率高、光譜范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。通過AOTF 方式獲取的數(shù)據(jù)不僅包含了目標(biāo)的光譜信息和空間信息，而且包含目標(biāo)的偏振信息，增強(qiáng)了獲取目標(biāo)物的信息量[4-5]，圖1為AOTF 偏振光譜成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，圖2為基于AOTF 的偏振成像光譜系統(tǒng)。

圖1 AOTF 偏振光譜成像儀設(shè)計(jì)原理Fig.1 AOTF polarization spectral imager design principle

圖2 基于AOTF 的偏振成像光譜儀Fig.2 Polarization imaging spectrometer based on AOTF

1999年，日本國家航空航天實(shí)驗(yàn)室（National Aerospace Laboratory of Japan,NAL）研制了偏振光譜成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)將電調(diào)濾光片與電機(jī)旋轉(zhuǎn)相結(jié)合，獲得了可見光波段的光譜圖像，之后將波段擴(kuò)展到了近紅外波段[3]。同年，李力等人[6]研究了分振幅光度式偏振測量系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)進(jìn)行了定標(biāo)和性能校正。2002年，美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室（U.S.Army Research Laboratory，ARL）設(shè)計(jì)的偏振光譜成像系統(tǒng)主要由AOTF 和液晶相位可變延遲器（Liquid crystal variable retarder，LCVR）組合而成，覆蓋了0.4～11.5 μm 的光譜范圍。因?yàn)樗际怯呻娮涌刂频?，所以響?yīng)速度快，時(shí)效性更好。但是噪聲對聲光傳感器影響較大，因此成像信噪比較低[3,7-8]。

ARL 的Neelam Gupta 領(lǐng)導(dǎo)的小組對基于AOTF的成像偏振光譜系統(tǒng)（imaging spectropolarimeter,ISP）做了深入的研究[3,9]。研制出寬波段、小型化、穩(wěn)定的、可進(jìn)行編程的ISP 型號。該小組對基于AOTF的ISP 采用了3 種常用的設(shè)計(jì)方式，分別為：①在AOTF 前放置LCVR 對每一波長產(chǎn)生兩個相位延遲值，得到兩個正交偏振的衍射光束，用一個相機(jī)對其中一個衍射光束進(jìn)行成像；②利用一個相機(jī)同時(shí)對AOTF 出射的兩個衍射光束進(jìn)行成像；③利用兩個相機(jī)分別對兩個偏振方向正交的光束成像。該小組對基于AOTF 的ISP 除了采用上述常用的3 種方式外，還研制了基于兩個LCVR 和AOTF 的全Stokes ISP，圖3為此系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖[10]。

圖3 基于AOTF 的全Stokes ISP 系統(tǒng)Fig.3 All-ISP Stokes system based on AOTF

2002年，曹漢軍等人[11]在自然光條件下，用實(shí)驗(yàn)型偏振CCD 相機(jī)進(jìn)行了自然目標(biāo)和人工目標(biāo)的偏振圖像獲取實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明使用偏振成像技術(shù)能夠獲得清晰的人造目標(biāo)圖像。

中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所（Shanghai Institute of Technical Physics，SITP）通過分析地面物體對反射光的偏振特性，得出偏振特性與目標(biāo)的本身特性（如輻射溫度、表面發(fā)射率）、探測波長、觀察角度、環(huán)境溫度、周圍環(huán)境熱輻射以及相對濕度有關(guān)[12]。

2007年，楊偉鋒，洪津和喬延利等人[13]研制的無人機(jī)載偏振CCD 相機(jī)，保證了三路光學(xué)系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)抗震能力和可靠性，使成像質(zhì)量顯著提高。

2008年，美國雷神公司（Raytheon Company）研發(fā)了長波紅外（HgCdTe）和中波紅外（InSb）分焦平面紅外偏振探測系統(tǒng)，即在探測器焦平面上加工偏振元件[14]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明達(dá)到了實(shí)時(shí)檢測的要求，偏振光柵消光比達(dá)到100dB 以上，圖4為分焦面偏振成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖4 分焦面偏振成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of polarization imaging system on focal plane

2009年，Lavigne 等人[15]研發(fā)了一套四波段偏振成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對長波紅外、中波紅外、短波紅外以及可見光進(jìn)行探測。其中的可見光通道含有6個不同波段的濾光片，在四波段成像系統(tǒng)前面安裝了可以同步旋轉(zhuǎn)的偏振片，獲得了四個偏振方向的圖像。

2011年亞利桑那大學(xué)Julia Craven 等人[16]利用傅里葉變換成像光譜儀和通道調(diào)制技術(shù)研制出紅外波段全斯托克斯高光譜成像系統(tǒng)。2012年，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室（Air Force Research Laboratory,AFRL）研制了新型圓偏振濾光片的偏振成像系統(tǒng)，該偏振片能夠同時(shí)獲得入射光中的線偏振分量以及圓偏振分量。圓偏振光在云霧環(huán)境中有著較強(qiáng)的保偏能力，能夠增強(qiáng)探測系統(tǒng)對云霧的穿透能力。由于該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了全偏振實(shí)時(shí)成像，在軍事上應(yīng)用前景十分廣闊[17-18]。

美國北卡羅來納州大學(xué)研制了偏振光柵的SISP[3,19-20]，即采用多個偏振光柵和波片，通過焦平面陣列，可以同時(shí)獲得有關(guān)目標(biāo)物的光譜色散和偏振衍射，再通過計(jì)算機(jī)的融合復(fù)原技術(shù)得到目標(biāo)物的偏振和光譜等信息。此系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性好、較高的能量利用率和結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，圖5為光柵干涉型偏振成像系統(tǒng)。

圖5 光柵干涉型偏振成像系統(tǒng)Fig.5 Grating interferometric polarization imaging system

2013年蘇州大學(xué)賀虎成[21]研制了可見光的分孔徑偏振成像光學(xué)系統(tǒng)。此系統(tǒng)通過孔徑光闌分割離軸的方式，使同軸光學(xué)成像系統(tǒng)分解為多組相同的偏心子系統(tǒng)，通過在各個子系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置濾光片或者偏振片，再通過中繼透鏡使其成像在同一個焦平面探測器上，圖6為分孔徑偏振成像光學(xué)系統(tǒng)。此系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，數(shù)據(jù)處理速度快等優(yōu)點(diǎn)。

圖6 分孔徑偏振成像光學(xué)系統(tǒng)Fig.6 Sub-aperture polarized imaging optical system

2014年，大連理工大學(xué)的Chu X.等使用納米壓印技術(shù)對雙層鋁納米線柵進(jìn)行了集成化[22]，在藍(lán)光波段的靈敏度有較好的表現(xiàn)。之后，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的Zhang等人將像素式微偏振片陣列（pixel type micro polarizer array，PMA）應(yīng)用于實(shí)時(shí)可見成像的偏振測量的想法，于2015年將使用電子束曝光制備的PMA集成到CCD 傳感器中，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)相位檢測[23]。

2016年，河南理工大學(xué)的LU B.和中科院重慶綠色智能研究院的SHEN J.等人研制了一種寬帶太赫茲偏振系統(tǒng)，即通過在硅襯底兩側(cè)制作雙層線柵[24]。同年，耶拿大學(xué)的Siefke 等人[25]研制了具有二氧化鈦線柵結(jié)構(gòu)的偏振系統(tǒng)。通過使用自對準(zhǔn)雙圖案化（Self-aligned Double Patterning,SADP）技術(shù)制備的周期較小和縱橫比較大的光柵，可用于遠(yuǎn)紫外光譜范圍。對該偏振系統(tǒng)進(jìn)行測試，結(jié)果表明波長為193 nm時(shí)獲得了384 dB 的偏振消光比和10%的透射率，波長為248 nm 時(shí)得到774 dB 的偏振消光比和16%的透射率。

2017年，哈佛大學(xué)物理系的Shin 等人利用納米壓印技術(shù)制備了高性能線柵偏振系統(tǒng)[26]。與傳統(tǒng)的偏振系統(tǒng)（如沃拉斯頓棱鏡等）相比，金屬線柵不僅具有容易集成，結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，而且具有較大視場、較寬光譜范圍、較高的偏振消光比以及透過率，圖7為典型的線柵結(jié)構(gòu)示意圖。金屬線柵通常指在透明基底上設(shè)置遠(yuǎn)小于入射光波長的金屬柵條，那么平行于柵條的橫電光（transverse electric,TE）無法通過金屬柵條，并被反射，垂直于柵條的橫磁光（transverse magnetic,TM）將直接透過。

圖7 線柵結(jié)構(gòu)Fig.7 Raster structure

2020年，長春理工大學(xué)設(shè)計(jì)了具有雙沃拉斯頓棱鏡的偏振成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)由雙沃拉斯頓棱鏡、偏振分光棱鏡、1/2 波片、雙透鏡、CCD 探測器等部分組成[27]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該偏振成像系統(tǒng)可以提高在復(fù)雜環(huán)境下對目標(biāo)的探測能力，圖8為沃拉斯頓棱鏡原理結(jié)構(gòu)，圖9為雙沃拉斯頓棱鏡偏振成像系統(tǒng)。

圖8 沃拉斯頓棱鏡原理結(jié)構(gòu)Fig.8 Wollaston prism

圖9 雙沃拉斯頓棱鏡偏振成像系統(tǒng)Fig.9 Wollaston prism polarization imaging system

1.2 偏振成像儀器的研究

從 1984年，美國國家航空航天局（national aeronautics and space administration，NASA）先后6次在發(fā)現(xiàn)號（Discovery）航天飛機(jī)上采用偏振雙相機(jī)儀器，在一對瞄準(zhǔn)并且同步的相機(jī)前加一對透過軸互相垂直的偏振濾光片，通過調(diào)整濾光片組，使其中一個膠片光強(qiáng)達(dá)到最大，而另一個膠片光強(qiáng)趨于最小，測得斯托克斯參量的S0和S1，且精度只有20%左右[28]。

ARL 研制了具有較寬光譜范圍的LWIR 偏振成像儀器（Long wave infrared polarization imager，LIP），這是應(yīng)用比較廣泛的典型偏振成像設(shè)備[29]。LIP 的組成以及結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 LIP 的組成以及結(jié)構(gòu)示意圖Fig.10 Lip is a schematic diagram of its composition and structure

1990年12月，美國研制出地球觀測掃描偏振計(jì)（earth observing scanning polarimeter，EOSP），在地球觀測系統(tǒng)（earth observing scanning，EOS）上有12條具有偏振分析功能的探測通道，其主要任務(wù)是利用偏振光研究大氣氣溶膠的光學(xué)厚度、光學(xué)性質(zhì)的變化、粒子大小、云頂?shù)臍鈮阂约霸茖臃N類等[30]。

1991年，NASA 研制了室內(nèi)單葉的偏振光二向性反射測量裝置，通過此裝置對地面目標(biāo)進(jìn)行了探測實(shí)驗(yàn)[31]。之后，NASA 將AOTF 技術(shù)和CCD 相機(jī)結(jié)合研制了偏振成像光譜儀，獲得了正交偏振光譜圖像，此外還進(jìn)行了地基天文觀測實(shí)驗(yàn)。

1995年上海技術(shù)物理研究所開始研制卷云探測器[32]，于1997年進(jìn)行航空校飛實(shí)驗(yàn)，該探測器具有偏振測量性能，是探測大氣氣溶膠、云層種類的專用儀器。

1996年，法國國家空間研究中心（french national centre for space research,CNES）研制的地球反射偏振測量儀（polarization and directionality of the earth reflectance,POLDER），能夠從不同的觀測角度測量地球大氣對太陽輻射的雙向反射率和偏振度，可用于研究陸地表面狀況、海洋狀況、云的類型以及大氣氣溶膠濃度等。它由日本ADEOS-II 衛(wèi)星攜帶進(jìn)入空間運(yùn)行軌道[33]。POLDER 采用線性偏振片，由濾光片對光譜信息進(jìn)行分離，圖11為POLDER 的光學(xué)原理圖。

圖11 POLDER 的光學(xué)原理圖Fig.11 An optical schematic of POLDER

1998年，美國猶他州立大學(xué)空間動力實(shí)驗(yàn)室研制出紅外高光譜成像偏振儀（hyperspectral imaging polarimeter,HIP）。該儀器裝載在空軍KC-135 型飛機(jī)平臺上，探測后向散射太陽光光譜，得到幾百幅對地觀測的偏振圖像[34]。

1999年，Alabama 大學(xué)[35]研制了一種分焦平面偏振成像儀器，與傳統(tǒng)偏振儀器相比，它沒有使用分光元件，而是將微偏振片直接安裝到偏振儀器像元的表面，單次曝光同時(shí)能夠獲得4 個方向的起偏信息。同年，美國重飛行器研究公司研制了偏振光譜強(qiáng)度調(diào)制技術(shù)（polarization spectral intensity modulation technique,PSIM）與狹縫式棱鏡色散成像光譜儀相結(jié)合的快照式成像光譜偏振儀（snapshot imaging spectropolarmeter,SISP），并進(jìn)行了機(jī)載飛行實(shí)驗(yàn)[3,36]。

美國亞利桑那大學(xué)與美國陸軍工程研發(fā)中心合作，于1999年在層析成像光譜儀（computer tomography imaging spectrometer,CTIS）的基礎(chǔ)上通過在物鏡前方添加偏振片轉(zhuǎn)輪的方式設(shè)計(jì)了層析ISP（computer tomography imaging spectropolarimetry,CTISP）[9]。之后在CTISP 基礎(chǔ)上引入通道型偏振技術(shù)（channeled spectropolarimetry,CSP），研制出快照式層析成像通道型光譜偏振儀（computer tomographic imaging channeled spectropolarimeter,CTICSP）[37]。

2000年，上海技術(shù)物理研究所研制了六通道分光偏振計(jì)，該儀器可以實(shí)現(xiàn)全偏振的測量，并從空中獲得了地面不同目標(biāo)的遙感數(shù)據(jù)[38]。該儀器波段跨度從近紅外到短波紅外（670～2150 nm），光信號分別經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡，1/4 波片，起偏器以及濾光片，最后經(jīng)會聚透鏡將各束光會聚到各自的探測器上。通過轉(zhuǎn)動1/4 玻片并固定檢偏器組合可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的全偏振探測，因?yàn)槟軌驒z測斯托克斯矢量的四個參數(shù)，因而可以檢測圓偏振光，偏振測量精度高于1%[17]。2003年，安徽光機(jī)所研制了機(jī)載多波段偏振CCD 相機(jī)，該相機(jī)具有多個偏振角，可同時(shí)獲取同一目標(biāo)同一波段的信息，于12月搭載Y-12 飛機(jī)進(jìn)行了航空校正實(shí)驗(yàn)，首次在國內(nèi)獲得航空偏振圖像[39]。2007年，我國發(fā)射的嫦娥一號衛(wèi)星，其中有效載荷包括干涉成像光譜儀、CCD 立體相機(jī)等，成功獲取了月球表面影像和立體圖像。2008年，我國發(fā)射的HJ-1A 衛(wèi)星，是環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報(bào)小衛(wèi)星星座的一顆衛(wèi)星，HJ-1A 衛(wèi)星搭載了CCD 相機(jī)和高光譜成像儀，高光譜成像儀具有±30°側(cè)視能力和星上定標(biāo)功能。

同年，美國雷神公司（Raytheon Company）研制出中波紅外、長波紅外、中/長雙色凝視型FPA 和長波掃描型FPA 等紅外偏振焦平面探測器。該探測器由于擴(kuò)增了焦平面探測陣列規(guī)模，表現(xiàn)出極好的探測性能[40]。

2014年，西安交通大學(xué)穆延魁和張淳民等人研制了差分偏振干涉成像光譜儀，此儀器是基于Savart 偏振成像系統(tǒng)研制的，可以同時(shí)獲取二維目標(biāo)的正交偏振組分的高光譜偏振信息[41-42]。Savart 干涉偏振成像儀與棱鏡干涉偏振成像儀都具有結(jié)構(gòu)緊湊，能量利用率高等優(yōu)點(diǎn)，但也具有類似的缺點(diǎn)，例如用于寬波段時(shí)，不同波長的干涉圖像相互影響，導(dǎo)致成像偏差較大。圖12為典型的Savart 干涉偏振成像儀結(jié)構(gòu)。

圖12 Savart 干涉偏振成像儀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.12 Savart interference polarization imager

2016年，張海洋等人[43]使用多線陣分焦平面型偏振儀器進(jìn)行了偏振遙感探測，推導(dǎo)了光學(xué)系統(tǒng)以及非理想偏振片的偏振傳遞矩陣，并對相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該探測器有著較高的探測精度。2018年5月，我國發(fā)射的GF-5 號衛(wèi)星，是具有高分辨率和高精度的對地觀測衛(wèi)星，觀測譜段從紫外波段到長波紅外波段[44]。GF-5 號衛(wèi)星裝備有6 臺先進(jìn)的有效載荷，其中一臺是大氣多角度偏振探測儀，可以進(jìn)行多角度偏振成像。大氣多角度偏振探測儀星下點(diǎn)空間分辨率優(yōu)于3.5 km。圖13為多角度偏振成像儀及儀器結(jié)構(gòu)。

圖13 多角度偏振成像儀（上）及儀器結(jié)構(gòu)（下）Fig.13 Multi-angle polarization imager (up) and instrument structure (down)

近年來由于橢圓偏振光譜儀在半導(dǎo)體、金屬和有機(jī)物的檢測中不破壞樣品，并且不需要真空條件，使橢圓偏振光譜儀在無損檢測技術(shù)中也成為一個極具潛在應(yīng)用前景的技術(shù)。HORIBA Jobin Yvon 公司最新研制的MM-16 相調(diào)制型橢圓偏振光譜儀，首次采用液晶盒作為偏振光調(diào)制器的光電型相位調(diào)制橢圓偏振光譜儀[45]。該儀器具有運(yùn)行速度快、穩(wěn)定性好、精確度高等特點(diǎn)，同時(shí)還提供了微光斑配置，可以實(shí)現(xiàn)對樣品細(xì)微變化的研究，圖14和圖15分別為MM-16 相位調(diào)制橢圓偏振光譜儀和原理示意圖。

圖14 MM-16 相位調(diào)制橢圓偏振光譜儀Fig.14 MM-16 phase modulation ellipsometry spectrometer

圖15 MM-16 相位調(diào)制橢圓偏振光譜儀原理示意圖Fig.15 MM-16 phase modulation ellipsometric spectrometer schematic diagram

1.3 對目標(biāo)物的觀測偏振信息研究

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)表明偏振信息對研究和檢測巖礦、森林火災(zāi)、植被與土壤分類、大氣環(huán)境監(jiān)測、冰川、海岸線輪廓以及江海湖泊表面的狀況等方面具有極大的優(yōu)勢。

1987年，Grant 等人研究了如何利用偏振特性將鏡面反射與散射分離的技術(shù)問題[46-47]。指出樹葉不僅具有單純的散射，而且還會發(fā)生鏡面反射，鏡面反射發(fā)生在葉子表面。同年，Paul Woessner 不僅研究了植被的偏振特性，而且分析了土壤的偏振特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明入射角和目標(biāo)反射率對偏振度會產(chǎn)生影響，且偏振度與目標(biāo)反射率存在反比關(guān)系[48-49]。

1988年，趙云升等[50]通過偏振信息不僅獲得了土壤的偏振反射特征，還分析了影響土壤偏振反射的主要因素。在實(shí)驗(yàn)中測得了反射率與土壤種類、入射角、探測角、方位角的關(guān)系。

1990年，L.B.Wolff 等人[51]通過偏振菲涅爾系數(shù)識別目標(biāo)物是導(dǎo)體還是絕緣體，該方法假設(shè)表面反射以鏡面反射為主，所需光源是理想的點(diǎn)光源，所以會產(chǎn)生較大的誤差。Hua 等人利用目標(biāo)物反射前后光束相位的差異來判斷目標(biāo)物是金屬還是絕緣體，具體可通過檢測反射光的偏振相角圖像確定圖像中每一點(diǎn)像素為導(dǎo)金屬還是絕緣體。該方法與L.B.Wolff 使用的方法相比，具有較好的魯棒性以及準(zhǔn)確度，容易對室外的物體進(jìn)行分類，但噪聲污染對偏振相角圖像的影響非常大[52-53]。

1999～2002年紐約大學(xué)的Egan W.G.等人[54-55]使用柯達(dá)彩色紅外相機(jī)（DSC460），拍攝C-130 飛機(jī)和B-52 轟炸機(jī)。該相機(jī)對短波紅外比較敏感，通過分析獲得的紅外偏振圖像，能夠得出飛機(jī)各部位的紅外偏振特征。實(shí)驗(yàn)表明紅外偏振圖像比紅外強(qiáng)度圖像更容易區(qū)分背景中的飛機(jī)。2005年，美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室（United States Naval Research Laboratory,NPL）Pries 和AFRL 的Goldstein 等人對不同種類的材料進(jìn)行了偏振實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明不同種類的材料具有不同的偏振特性[56]。

2007年左右，美國亞利桑那大學(xué)與AFRL 等單位合作使用被動式紅外偏振成像技術(shù)探測在野外環(huán)境中隱藏的車輛，圖16為不同成像條件下野外環(huán)境中的車輛[57-59]。由圖像可以看出偏振成像技術(shù)能夠在復(fù)雜環(huán)境中凸顯目標(biāo)，提高對目標(biāo)探測的準(zhǔn)確度。

圖16 不同成像條件下野外環(huán)境中的車輛Fig.16 Vehicles in field environment under different imaging conditions

2008年，北京航空航天大學(xué)運(yùn)用偏振成像和HIS偽彩色編碼技術(shù)[60]，對不同種類的材料進(jìn)行偏振成像實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明偏振圖像能夠很好地區(qū)分不同種類的材料，而強(qiáng)度圖像則無法區(qū)分。

2011年，AFRL 使用長波紅外分焦平面探測器對飛機(jī)模型目標(biāo)進(jìn)行了偏振成像實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)獲取了多幅可見光，長波紅外和長波紅外偏振圖像，可以看出長波紅外偏振成像很好地抑制了復(fù)雜背景的干擾，能夠凸顯目標(biāo)信息[61]。

2012年，王霞等人研究了大氣對紅外偏振成像的影響，對短波，中波以及長波紅外的偏振特性進(jìn)行了模擬仿真分析[62]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：對于短波紅外波段，當(dāng)背景與目標(biāo)的反射率差別較大時(shí)，強(qiáng)度探測效果優(yōu)于偏振；對于中波紅外波段，由于目標(biāo)和背景的對比度比較復(fù)雜，如果目標(biāo)的偏振特性比較明顯，那么偏振探測效果優(yōu)于強(qiáng)度；對于長波紅外波段，主要是目標(biāo)與背景的自發(fā)輻射，當(dāng)兩者偏振特性差別很大時(shí)，偏振探測擁有較穩(wěn)定和良好的性能[17]。

2013年，河海大學(xué)王慧斌等人提出了一種分級多尺度融合的水下偏振圖像處理方法[63]。該方法通過使用非負(fù)矩陣分解對偏振參量圖像進(jìn)行了融合增強(qiáng)，獲得含有局部特征完整的信息和冗余度低的偏振參量融合圖像；然后利用二維經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸夥謩e將偏振參量融合圖像以及偏振強(qiáng)度圖像進(jìn)行多尺度變換，將獲得的高低頻子圖像分別進(jìn)行了加權(quán)平均融合，融合權(quán)重使用窮舉搜索法得出；最終通過將高低頻融合結(jié)果進(jìn)行反變換得到了最終的融合圖像。經(jīng)過仿真表明：該融合方法對增強(qiáng)圖像細(xì)節(jié)和提高水下偏振圖像對比度方面效果比較明顯。

通過以上研究進(jìn)展可以看出偏振成像技術(shù)在不同的領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景，目前已經(jīng)成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一。國外對于偏振技術(shù)的研究起步較早，且偏振成像技術(shù)越來越趨于成熟，而我國起步較晚，在一些關(guān)鍵技術(shù)方面還有待突破與完善，如偏振計(jì)算方法研究、偏振成像系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)、目標(biāo)/背景偏振譜特性數(shù)據(jù)庫構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)技術(shù)、目標(biāo)起偏高精度建模技術(shù)、復(fù)雜信道表征技術(shù)、偏振目標(biāo)識別算法研究、復(fù)雜信道下的偏振輻射傳輸模型構(gòu)建技術(shù)以及針對相對運(yùn)動的目標(biāo)探測等，還需要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的高分辨率成像。

2 偏振成像技術(shù)的典型應(yīng)用

2.1 偏振技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1.1 導(dǎo)彈追蹤

在復(fù)雜背景下，由于存在大量輻射強(qiáng)度與目標(biāo)物相似的物體，因此目標(biāo)物的紅外圖像對比度會降低，不利于區(qū)分目標(biāo)物。目標(biāo)物的偏振特性與目標(biāo)物的材料性質(zhì)、輻射溫度和表面粗糙度等因素有關(guān)，此外人工目標(biāo)和自然背景物體的偏振特性差別很大，因此偏振成像技術(shù)可以大大提高圖像對比度，增加探測距離和精度，提高信噪比。

由于飛機(jī)在發(fā)射導(dǎo)彈的過程中和發(fā)射后會產(chǎn)生很高的熱量和大量的氣體，會形成對比明顯的偏振特性，因此使用偏振技術(shù)可有效地對目標(biāo)進(jìn)行追蹤，如圖17。由于飛機(jī)表面有著光滑的金屬涂層，且誘餌彈經(jīng)過燃燒后產(chǎn)生大量的煙塵等物質(zhì)，在偏振度方面呈現(xiàn)出很大不同，利用偏振成像技術(shù)有助于提高干擾對抗技術(shù)[64]。

圖17 飛機(jī)具有偏振特性Fig.17 Polarization properties of aircraft

2.1.2 地雷探測

瑞典國防研究機(jī)構(gòu)的G?ran Forssell 對地雷的探測進(jìn)行了深入研究，該團(tuán)隊(duì)研發(fā)了中、長波紅外偏振探測系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明，與傳統(tǒng)的紅外探測器相比，紅外偏振探測器能更加有效地識別與探測目標(biāo)，提升了探測器對目標(biāo)物的探測能力。圖18(a)是應(yīng)用紅外偏振技術(shù)的掃雷車圖片；圖18(b)是非偏振的傳統(tǒng)紅外探測器對地雷探測的圖像；圖18(c)是紅外偏振探測器對地雷探測的圖像[65]。

通過圖18分析可知紅外偏振探測器具有傳統(tǒng)紅外探測器不具備的優(yōu)勢，利用偏振特性可以有效地識別目標(biāo)。又因?yàn)榻饘傥矬w的偏振度相對較大，所以更容易把目標(biāo)物從背景中區(qū)分出來。

圖18 紅外偏振、非偏振成像對比Fig.18 Comparison of infrared polarization and non-polarization imaging

2.1.3 水下目標(biāo)探測

根據(jù)偏振原理可知，不同的目標(biāo)物有著不同的偏振特性，通過偏振特性可以更好地把水下的人造目標(biāo)從自然背景中區(qū)分出來，減少自然背景噪聲的影響。在軍事上通過偏振成像技術(shù)不僅可以有效地對敵人的潛艇、水雷進(jìn)行探查，而且可以用于打撈、搜救等工作。

2.1.4 偽裝軍事目標(biāo)

通過偽裝技術(shù)可以改變目標(biāo)物向外的輻射特性，因此被傳統(tǒng)紅外探測設(shè)備探測到的概率就會減小[66-67]。由于人造偽裝涂料或者偽裝網(wǎng)與背景存在偏振特性的差異，因此使用紅外偏振探測設(shè)備更容易在偽裝條件下發(fā)現(xiàn)和識別目標(biāo)。根據(jù)國外的相關(guān)研究實(shí)驗(yàn)，如圖19，偏振器探測角度設(shè)定為66°，無論是否使用偽裝技術(shù)，紅外偏振技術(shù)對目標(biāo)物的識別效果都要優(yōu)于傳統(tǒng)探測器[68-70]。

圖19 對偽裝目標(biāo)野外探測圖像對比Fig.19 Comparison of field detection images of camouflage targets

通過實(shí)驗(yàn)圖像分析可以得出，紅外偏振成像技術(shù)對于目標(biāo)的識別能力優(yōu)于傳統(tǒng)紅外成像技術(shù)，突破了傳統(tǒng)紅外探測器在背景干擾和紅外偽裝等方面的局限性，能夠更加準(zhǔn)確、清楚地識別目標(biāo)。

2.2 偏振技術(shù)在民用領(lǐng)域的應(yīng)用

2.2.1 醫(yī)學(xué)診斷

Sokolv 等[71]發(fā)現(xiàn)利用偏振光照明探測目標(biāo)的反射光譜與Mie 散射理論計(jì)算可以得到上皮組織細(xì)胞核的大小和形態(tài)分布。Alfano 小組[72-73]研究發(fā)現(xiàn)不同波長的偏振光在組織中穿透的深度不同，提出一種光譜偏振差成像方法（spectral polarization difference imaging,SPDI），該方法可以提高皮下組織的成像對比度。由于細(xì)胞核大小的變化以及膠原質(zhì)成分的變化都會影響光在組織中的反射、折射、散射和吸收，組織散射光的偏振態(tài)就會產(chǎn)生變化，通過對偏振態(tài)進(jìn)行分析可以反演出組織的結(jié)構(gòu)，如脂質(zhì)膜的大小和結(jié)構(gòu)，細(xì)胞核和紅血球大小、膠原纖維的形貌和結(jié)構(gòu)等[74]。生物及人體組織會因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的差異而產(chǎn)生不同的吸收，進(jìn)而表現(xiàn)出不同的偏振信息。使用偏振成像技術(shù)可以檢測生物組織的偏振特征，然后通過對比和分析，可以得知生物組織是否產(chǎn)生病變。如將偏振光譜成像探測應(yīng)用于黑痣癌變的檢測中，能快速準(zhǔn)確地檢測出癌變的黑痣。圖20為紅外偏振診斷儀圖片。

圖20 紅外偏振治診斷儀Fig.20 Infrared polarization therapy diagnostic instrument

2.2.2 海洋環(huán)境監(jiān)測

星載的偏振光譜成像儀，可以有效地識別海水、冰川和陸地，同時(shí)可以得到更準(zhǔn)確的海岸線輪廓。星載的遙感儀器在對地目標(biāo)的觀測中，由于水面的強(qiáng)反射可能會對遙感儀造成損害，因此可以通過使用偏振技術(shù)減弱強(qiáng)反射。而且有的研究已經(jīng)表明，通過偏振成像技術(shù)能夠檢測出海水是否被污染（如石油泄漏）、云霧粒徑大小、海面上的云霧狀況、海平面高度以及海水輻射狀況等，圖21為西安交通大學(xué)自主研制的星載偏振成光譜儀樣機(jī)。

圖21 星載偏振成像光譜儀Fig.21 On board polarization imaging spectrometer

2.2.3 航空遙感與大氣探測

航空遙感是指以飛機(jī)、氣球和飛艇等為平臺搭載傳感器在空中進(jìn)行探測的技術(shù)。通過使用航空遙感可以擴(kuò)大偏振成像光譜儀的探測視場，增大觀察角。在遙感平臺上搭建偏振成像設(shè)備，利用偏振原理可以區(qū)分與識別不同的地形和地貌，圖22為西安交通大學(xué)自主研制的機(jī)載偏振成像光譜儀樣機(jī)。

圖22 機(jī)載偏振成像光譜儀Fig.22 Airborne polarization imaging spectrometer

偏振光譜探測器可以探測不同云層的偏振態(tài)，通過分析偏振圖像可知道云層的高度、大氣氣溶膠粒子的大小、云的種類、大氣中的煙塵霧霾狀況以及云層中的含水量狀況等[75]。

2.2.4 探測空間碎片

由于近幾十年太空探索技術(shù)的不斷進(jìn)步，產(chǎn)生的太空垃圾逐漸增多，如損毀的衛(wèi)星殘骸、外殼、小的元器件等，嚴(yán)重威脅航天器的運(yùn)行安全，對太空的探索帶來了諸多不便。通過利用偏振光譜成像探測技術(shù)，并通過多元特征融合等識別技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對空間碎片的高效探測。

偏振成像技術(shù)不僅在國防領(lǐng)域，而且在民用領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用，為進(jìn)一步提高識別與探測目標(biāo)物體的精度和準(zhǔn)確性，在偏振技術(shù)中往往需要結(jié)合成像特性定標(biāo)與校正技術(shù)、圖像融合技術(shù)和圖像重構(gòu)技術(shù)等。

3 我國偏振成像技術(shù)存在的主要問題與建議

我國在偏振成像理論上經(jīng)過多年的積累，目前逐漸趨于成熟，與國外差別不是很大，但還需進(jìn)一步的完備，如偏振光線追跡理論。目前國內(nèi)在偏振技術(shù)上主要表現(xiàn)為關(guān)鍵技術(shù)、應(yīng)用系統(tǒng)和偏振信息處理等方面不太成熟，對這幾方面的問題，需要從以下幾個方面考慮：

1）在偏振成像理論方面，偏振成像技術(shù)在應(yīng)用的過程中受到許多因素的影響，例如大氣環(huán)境（傳輸介質(zhì)）、目標(biāo)表面粗糙度、觀測角度、目標(biāo)輻射溫度、目標(biāo)發(fā)射率以及偏振圖像的獲取方式等。因此我們需要對偏振成像理論以及影響偏振的因素系統(tǒng)全面地給予考慮。通過構(gòu)建相應(yīng)傳輸方程的數(shù)學(xué)模型和建立成像系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺，分析與驗(yàn)證各個因素對偏振特性的影響，從而逐步形成系統(tǒng)全面的偏振成像理論。

2）在關(guān)鍵技術(shù)方面，由于我國對偏振技術(shù)研究較晚，目前國內(nèi)還沒有形成一體化、集成化產(chǎn)業(yè)集團(tuán)，對一些精密的偏振器件的制作與加工存在困難，對高精度的器件需要進(jìn)一步提高技術(shù)水平，如偏振焦平面探測器等。

3）在應(yīng)用系統(tǒng)方面，我國對多波段目標(biāo)探測、空間目標(biāo)探測、海上目標(biāo)探測以及地面目標(biāo)探測等方面缺乏完備的應(yīng)用系統(tǒng)。對此我國應(yīng)該借鑒國外的成熟系統(tǒng)，根據(jù)本國所需，研制出符合本國情況的應(yīng)用系統(tǒng)。為了進(jìn)一步提高應(yīng)用系統(tǒng)的分辨率和準(zhǔn)確度，在系統(tǒng)中可以融合成像特性定標(biāo)與校正技術(shù)、圖像融合技術(shù)以及圖像重構(gòu)技術(shù)等。

4）在偏振信息處理方面，我們知道圖像中的測量誤差和噪聲會影響后續(xù)的圖像參數(shù)。因此可以通過多角度測量、圖像預(yù)濾波和圖像融合等3 種方法減小量測誤差以及噪聲對后續(xù)圖像參數(shù)的影響。

4 總結(jié)

本文首先介紹偏振成像技術(shù)的研究進(jìn)展，其次重點(diǎn)介紹了偏振成像技術(shù)在軍事和民用領(lǐng)域的典型應(yīng)用，可以看出偏振成像技術(shù)在凸顯目標(biāo)、穿透氣體障礙物、識別目標(biāo)以及辨別目標(biāo)真?zhèn)蔚确矫婢哂歇?dú)特的優(yōu)勢。

偏振成像技術(shù)是傳統(tǒng)探測技術(shù)與偏振原理的有機(jī)結(jié)合，是一個新興的交叉學(xué)科，現(xiàn)在已經(jīng)成為國內(nèi)外重點(diǎn)研究的課題。偏振成像技術(shù)不僅可以獲得傳統(tǒng)入射光強(qiáng)圖像，而且可以得到目標(biāo)物不同起偏方向的偏振圖像，偏振度圖像，偏振角圖像，光譜和外部輪廓等豐富的實(shí)效信息。目前國內(nèi)外市場對偏振成像設(shè)備的需求量日益增長，對其分辨率和準(zhǔn)確度的要求也越來越高，這就需要產(chǎn)業(yè)集團(tuán)與科研單位齊心協(xié)力，研發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)、高精度和高分辨率的偏振成像儀器，更好地為我國的國防建設(shè)和民生服務(wù)。