偏振成像探測技術發展現狀及關鍵技術

李淑軍，姜會林，朱京平，段 錦，付 強*，付躍剛，董科研

（1.長春理工大學空間光電技術研究所，吉林長春130022；2.西安交通大學電子與信息工程學院，陜西西安710049）

偏振成像探測技術發展現狀及關鍵技術

李淑軍1，姜會林1，朱京平2，段 錦1，付 強1*，付躍剛1，董科研1

（1.長春理工大學空間光電技術研究所，吉林長春130022；2.西安交通大學電子與信息工程學院，陜西西安710049）

考慮偏振成像探測技術在目標探測中具有獨特優勢，本文介紹了偏振成像探測技術的概念，概括了國外偏振成像探測技術的研究歷程和發展現狀?；谏鲜雒枋觯槍ζ癯上裉綔y的關鍵技術進行了深入的討論，包括目標偏振特性、信道環境下的偏振傳輸特性和偏振成像目標全偏振圖像的獲取等。最后總結了該研究領域存在的主要問題，歸納了偏振成像探測技術的發展趨勢。

偏振成像；目標探測；通道調制成像；分焦平面成像

1 引 言

偏振成像是在實時獲取目標偏振信息的基礎上利用所得到的信息進行目標重構增強的過程，它能夠提供更多維度的目標信息，是一項具有巨大應用價值的前沿技術，特別適合于隱身、偽裝、虛假目標的探測識別，在霧霾、煙塵等惡劣環境下能提高光電探測裝備的目標探測識別能力［1-3］。

目標的偏振特性決定了偏振成像探測具有強度成像無法比擬的獨特優勢：（1）基于人造目標與自然背景偏振特性差異明顯的特性，偏振成像在從復雜背景中凸顯人造目標方面有獨特優勢；（2）基于偏振獨立于強度和光譜的光學信息維度的特性，偏振成像具有在隱藏、偽裝、隱身、暗弱目標發現方面的優勢；（3）基于偏振信息具有在散射介質中特性保持能力比強度散射更強的特點，偏振成像具有可增加霧霾、煙塵中的作用距離的優勢。

本文針對偏振成像探測技術，研究了國外偏振成像探測技術發展歷程，并對關鍵技術進行了深入的討論。

2 偏振成像概述及發展歷程

2.1 偏振成像探測技術概述

人們通過相機來探測光的強度，實現形影成像；通過光譜儀來探測光波電場的波長，進行物體材質分析；通過多普勒測速儀來探測光的位相，實現速度探測；而偏振信息的探測需要采用偏振儀。近年來，獲取強度與光譜的成像光譜技術也已取得了良好的應用。雖然光的偏振現象早在1669年就被發現了，但其在成像探測方面的應用起步較晚，是一項新興的前沿技術［4］。

偏振成像是一種獲取目標二維空間光強分布以及偏振特性分布的新型光電成像技術。電視攝像、紅外熱像等傳統光電成像是通過探測反射、輻射光強的二維空間分布來獲得圖像的，其實質是二維空間強度成像；偏振成像在傳統強度成像基礎上增加了偏振信息維度，不僅能獲取二維空間光強分布，還能獲得圖像上每一點的偏振信息。

如果僅獲取目標的強度和線偏振信息（S0，S1，S2），則稱為線偏振成像；如果在獲取線偏振信息的同時還獲取圓偏振信息（S3），則稱為全偏振成像。自然目標的圓偏振很弱，因而在非人造目標探測中一般僅采用線偏振探測，也就是說用前3個Stokes分量表述；而人造目標的圓偏振特性較強，與地物目標差異明顯，因而包含線偏振與圓偏振信息的全偏振探測更加適合于從背景中凸顯目標，同時，包含圓偏振的全偏振信息在霧霾、煙塵等傳輸環境下作用距離更遠，因而更適用于特殊環境下的應用。

2.2 偏振成像探測技術的發展現狀

早在20世紀70年代，美國就開始進行偏振成像技術的研究工作，經過40年的發展，目前已發展了多種偏振成像探測技術，它們可根據實現年代、技術方案、核心器件等不同分為5類［5-13］：

（1）機械旋轉偏振光學元件

20世紀70年代出現了機械旋轉偏振光學元件型（如圖1），它通過旋轉偏振片和波片來工作，為時序型工作方式。早期用照相膠片記錄圖像，曾裝載在U-2高空偵察機上對蘇聯導彈發射進行偵察。20世紀80年代隨著電視攝像管和CCD芯片技術的發展，其探測能力得到了較大提高。但采用運動部件，使其體積、重量、抗振能力、環境適應能力難以滿足應用要求，同時時序型的工作方式使其適合于靜對靜觀測，因而對運動目標的觀測或在運動載體上對目標觀測都很難實現。

圖1 旋轉偏振片Fig.1 Rotating polarizer

（2）分振幅型偏振成像裝置

20世紀80年代出現了分振幅型偏振成像裝置（如圖2）。它采用分束器將入射光分為3～4路，后接相應個數的探測器，各個探測器前加不同偏振片，實現偏振信息的同時探測，再利用計算機解算。系統采用多光路多探測器方式工作，體積龐大、結構復雜，且受原理限制，適用于對單色光進行探測，后續解調算法也非常復雜。

圖2 分振幅型偏振成像裝置Fig.2 Separation amplitude polarization imaging device

（3）液晶可調濾光片型偏振成像裝置

20世紀90年代初隨著液晶技術的成熟，人們以電壓控制液晶分子偏轉取代機械旋轉來實現偏振圖像探測，研制出液晶型偏振成像裝置（如圖3），其體積重量大大縮小。但液晶對光的強衰減導致探測距離極其有限，同時電控不可避免的電噪聲、發熱等問題對探測精度影響嚴重，加之時序型工作方式導致其無法進行實時探測。

圖3 液晶可調濾光片型偏振成像裝置Fig.3 Liquid crystal tunable filter polarization imaging device

（4）分孔徑型偏振成像裝置

20世紀90年代后期出現了分孔徑型偏振成像裝置（如圖4），它利用微透鏡陣列將入射光分為4個部分，通過將一個探測器分為4個區域來實現同一探測器接收，通過簡單計算實現偏振成像。美國Arizona大學、偏振傳感器公司在此方面的研究處于領先地位，得到了美國國家宇航局（NASA）噴氣推進實驗室（JPL）、空軍實驗室、空軍科研辦公室、陸軍實驗室等部門的支持，已研制出原理樣機。NASA將其搭載在C-130飛機、航天飛機上對地表和海洋熱源偏振目標進行探測，以提高天基紅外導彈預警衛星的識別精度，降低虛警率。但分孔徑型設備尚不具備圓偏振探測能力。

圖4 分波前型線偏振成像裝置Fig.4 Separated wavefront line polarization imaging device

圖5 分焦平面型偏振成像裝置及其核心組元Fig.5 Separated focal plane polarization imaging device and core elements

（5）分焦平面型和通道調制型偏振成像裝置

2000年以后，出現了分焦平面型和通道調制型偏振成像裝置。

分焦平面型（如圖5）出現于2000年，它直接在探測器探測面陣前每個像元前加入微型偏振片，4個為一組，實現偏振探測，系統微型化的特點明顯。2012年之前，人們探索實現了線偏振成像。2012年2月，美國報道了圓偏振濾光片的研究成果，有望將來實現全偏振成像。開展該研究的機構主要有美國NASA JPL，Moxtek公司，Arizona大學、科羅拉多礦業大學、華盛頓大學圣路易斯分校等，其技術難點主要是微型線/圓偏振片陣列的工作機理、優化設計及其與CCD相機像元的精確配準等，大多處于探索階段，性能指標離實用還有一定距離。

通道調制型偏振成像裝置（如圖6）的雛形出現于2003年，它利用位相延遲器將不同位相因子分別同時調制到各線/圓偏振分量上，通過成像透鏡傅里葉變換在探測器面陣上分開，再通過計算機解調實現全偏振成像探測。2003年日本北海道大學實現了目標單色光實時探測，2008年實現了單色偏振成像，2011年美國Arizona大學將其工作波段擴展到50 nm，提升了光通量和探測距離，但受器件結構限制，成像質量尚待提高。

圖6 通道調制型偏振成像裝置Fig.6 Channelmodulated polarization imaging device

表1 偏振成像發展歷程Tab.1 Development history of polarization imaging

3 關鍵技術

3.1 目標偏振特性

光照射到目標/背景之后，由于反射、散射等因素，會產生特定的偏振特性，稱為物質的起偏。起偏主要基于菲涅爾方程。由菲涅爾反射定律可知，當非偏振光束從光滑表面反射時會產生部分偏振光。目標特有的偏振特性來源于光照射到其上時，反射光中電矢量垂直分量和平行分量的振幅發生變化，因此反射光不再各向同性，而成為部分偏振光或線偏振光，產生由其自身性質決定的特征偏振。根據光波偏振態的變化可以反演被探測目標的紋理結構、表面狀態和材料類型等，因而研究目標偏振特性必須研究起偏［14-16］。

雖然新型的偏振探測技術可從偏振的維度對目標進行探測，但必需建立在對目標和背景偏振特性充分認知的基礎上，對高維偏振信息進行重新組合與增強，才能提升信息處理的實時性，凸顯目標特性，實現對目標的有效探測識別。目標偏振特性研究方面的關鍵技術問題包括：目標/背景偏振譜特性數據庫構建與實現技術、目標起偏高精度建模技術。

3.2 信道環境下的偏振傳輸

目標偏振特性在傳輸過程中，受到大氣傳輸環境的影響，包括霧、霾、煙、塵及大氣等傳輸介質，以及密度場、溫度場等［17-18］。這些影響會造成偏振成像探測器接收到的信號不能準確地表征目標和背景偏振特性。傳輸環境包括干潔的定常大氣和煙塵霧霾等非定常大氣。非定常大氣存在多種類、多尺度、時-空非定常分布的特征，其大氣散射、吸收特性既不同于常規單一球形散射介質，也不同于統計尺度規則上呈回轉橢球形的常規散射顆粒凝團，大氣氣溶膠粒子特性及其譜分布的改變，使得現有的大氣氣溶膠瑞利散射和米氏散射理論很難適用復雜環境下的偏振成像探測需求。

基于上述問題，有必要研究大氣擾動場偏振光散射特性建模方法，建立典型目標擾動湍流的光學偏振散射特性模型。對于帶有動力裝置的典型目標，還應該研究發動機噴焰或尾跡中的光學偏振散射特性建模方法，建立光偏振散射特性模型。偏振光在復雜信道環境下的傳輸特性研究的關鍵技術問題主要有復雜信道（煙塵、霧霾）表征技術、復雜信道下的偏振輻射傳輸模型構建技術等。

3.3 目標全偏振圖像獲取

（1）地基空間態勢感知偏振成像探測技術

在這方面的研究中，主要研究白天強背景下空間目標偏振成像技術，如利用地基大口徑望遠鏡，獲取空間目標和導彈尾焰的高分辨率成像信息與偏振信息。關鍵技術包括：用于在軌衛星、廢棄衛星、衛星碎片編目的高分辨率偏振成像技術，臨近空間低慢小/高速運動目標偏振特性及實時偏振成像探測識別技術。

（2）對地遙感全偏振成像探測技術

這方面的關鍵技術主要包括：1）輕小型化的偏振探測方法研究。航天、航空對地遙感要求載荷的體積與重量要足夠小，因而需要探索從原理上可以實現小型化、結構簡潔的偏振成像探測技術。2）由于人造目標具有相對于自然目標強的圓偏振特性，因而包含圓偏振信息的全偏振成像探測方式成為目標偏振成像探測的首選。3）針對相對運動地目標探測，還要實現對目標的準高分辨率成像。

（3）用于隱身偽裝目標探測技術

地面目標常常是隱身涂層覆蓋、偽裝網遮蔽、假目標混淆下的目標。偏振作為獨立于強度與光譜的又一物理量，在隱身偽裝目標探測與識別方面具有明顯優勢。為此，需要開展隱身涂層偏振特性研究、偽裝網偏振特性研究、空中隱身偽裝目標（如無人機、戰機、偵察機等）的偏振特性研究、地面隱身偽裝目標（如自行武器等）偏振特性研究、隱身目標與背景的偏振特性差異研究、真假目標偏振特性差異研究、隱身偽裝目標偏振二向反射模型（pBRDF）建模技術研究。該方面的關鍵技術包括：目標/背景偏振特性數據庫技術、目標偏振二向反射模型建模技術等［19-20］。

4 發展趨勢

綜上所述，本文在系統、全面、深入分析偏振成像探測技術的基礎上，總結了該研究領域中的主要問題及未來研究方向，并歸納出偏振成像探測技術呈現出以下發展趨勢：（1）動態目標偏振探測方面，從“時序型”向“空間型”發展；（2）偏振遙感遙測方面，從“體積大、結構復雜”向“輕小型、集成化、模塊化”發展；（3）暗弱目標偏振成像方面，從“窄波段”向“寬波段、全波段”發展；（4）目標特性研究方面，從“偏振成像”、“光譜成像”向“高光譜全偏振成像”發展。

5 結束語

本文介紹了偏振成像探測技術的概念，根據探測技術的特點，高度概括了國外偏振成像探測技術的研究歷程。針對目標偏振特性、信道環境下的偏振傳輸、偏振成像目標全偏振圖像獲取等方面開展了討論，指出各方面的關鍵技術，對其中全偏振圖像獲取涉及的關鍵技術從地基空間態勢感知、對地遙感、用于隱身偽裝目標探測與識別等方面開展了討論。最后指出，面對偏振成像探測技術的快速發展，我國應抓住機遇，加強偏振成像探測技術研究，突破起偏機理、傳輸機理、探測機理等重大基礎問題。

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Development status and key technologies of polarization imaging detection

LIShu-jun1，JIANG Hui-lin1，ZHU Jing-ping2，DUAN Jin1，FU Qiang1*，FU Yue-gang1，DONG Ke-yan1
（1.Institute of Space Photoelectric Technology，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China；2.School of Electronic and Information Engineering，Xi′an Jiaotong University，Xi′an 710049，China）
*Corresponding author，E-mail：cust_fuqiang@126.com

As polarization imaging detection can offer its unique advantage in the target detection，this paper discusses its technological development.Firstly，the concept of polarization imaging detection technology is introduced，and the research process of polarization imaging detection technology in abroad is summarized.On this basis，the key technologies of polarization detection，including the polarization properties of target，the polarization transmission in channel environments and polarization imaging acquisition technology，are discussed. Finally，this paper summarizes several problems to be solved and suggests the future developing direction of the polarization imaging detection.

polarization imaging；target detection；channelmodulation imaging；separated focal plane imaging

O436.3；TP391

A

10.3788/CO.20130606.0803

李淑軍（1976—），男，吉林梅河口人，博士后，1999年于北京航空航天大學獲得碩士學位，2004年于中國科學院光電技術研究所獲得博士學位，主要從事偏振成像探測方面的研究。E-mail：Lishujun @cust.edu.cn

付 強（1984—），男，吉林長春人，博士，助理研究員，2010年、2012年于長春理工大學分別獲得學士、博士學位，主要從事大氣激光傳輸、偏振成像探測方面的研究。E-mail：cust_fuqiang@126.com

姜會林（1945—），男，遼寧遼中人，教授，博士生導師，1981年、1987年于中國科學院長春光學精密機械與物理研究所獲得碩士、博士學位，主要從事激光通信、靶場測試、偏振測試等方面的研究。E-mail：HLJiang@cust.edu.cn

朱京平（1967—），女，陜西西安人，教授，博士生導師，1989年、1991年于長春光學精密機械學院分別獲得學士、碩士學位，2000年于西安交通大學獲得博士學位，主要從事光通信與光傳感、光電集成、光電子技術及其在生物醫學中的應用、通信用光電集成器件與系統方面的研究。Email：jpzhu@mail.xjtu.edu.cn

付躍剛（1972—），男，吉林長春人，教授，博士生導師，2001年于長春光學精密機械學院獲得碩士學位，2005年于長春理工大學獲得博士學位，主要從事激光通信、光學設計等方面的研究。E-mail：fuyuegang@cust.edu.cn

董科研（1980—），男，吉林梅河口人，博士，助理研究員，2006年、2009年于中國科學院長春光學精密機械與物理研究所獲得碩士、博士學位，主要從事偏振成像探測方面的研究。E-mail：Dongkeyan@ cust.edu.cn

段 錦（1971—），男，吉林長春人，博士，教授，博士生導師，1993年于北京理工大學獲得學士學位，1998年于沈陽工學院獲得碩士學位，2004年于吉林大學獲得博士學位，主要從事機器視覺、環境仿真、光電檢測等方面的研究。E-mail：duanjin@vip.sina.com

1674-2915（2013）06-0803-07

2013-09-13；

2013-11-16

國家自然科學基金資助項目（No.60677009）