多光譜目標偏振信息探測系統設計*

高 永，高 雋，范之國，徐少罕

(合肥工業大學 計算機與信息學院，安徽 合肥230009)

偏振是光的固有屬性，大氣粒子等傳輸介質的散射作用、目標表面的反射都會改變光的偏振狀態。因此，光的偏振特性蘊含環境與目標的重要信息，充分挖掘和利用光的偏振信息，在目標探測、遙感等領域具有重要的研究意義和應用價值。由于環境和目標的多樣性，地球表面及大氣中的目標在反射、吸收和散射光線的過程中，表現出明顯的偏振特性差異，而且不同的目標具有不同的偏振敏感波段。因此，對目標進行偏振探測需要考慮不同光譜波段的影響。

目前，常用的偏振成像探測系統采用的是旋轉偏振片的方式。荷蘭的CREMER F和SCHWERING P B W等人通過紅外偏振成像設備在紅外波段研究了海洋環境上目標和背景的偏振特性[1]。PUST N J和 SHAW J A設計了可見光波段的多光譜雙視場偏振成像儀，分別用來測量地面目標以及天空散射光的偏振特性[2]。美國的HOOPER B A、BAXTER B等人設計研制了AROSS-MSP多光譜偏振測量裝置，用于河流、海洋沉積物的偏振信息測量[3]。中科院安徽光機所的喬延利等研制了無人機載偏振CCD相機光機系統，用于對地面目標的偏振探測[4]。這些研究表明，多光譜偏振信息獲取方法已成為目標探測的重要研究方向。

本文針對目標偏振信息的探測應用研究，根據偏振探測原理與多光譜成像技術，設計了一種從可見光至近紅外的多光譜目標偏振信息探測系統，能夠獲取目標在不同光譜波段的偏振信息，可應用于目標發現與識別。

1 基本原理

目標的偏振特性可以通過斯托克斯(Stokes)矢量進行完整的描述[5]。 Stokes 矢量可以表示為(I，Q，U，V)T，I表示光的總輻射強度，Q表示x方向與y方向的線偏振光的強度差，U表示±45°方向上的線偏振光的強度差，V表示左旋偏振光與右旋偏振光的強度差。在自然界中，由于目標的圓偏振分量很小，通常認為V=0。通過偏振片可以將目標偏振信息測量轉化為Stokes矢量元素的測量。通過偏振片后的輻射強度為：

其中，θ是偏振片的透光軸相對于水平方向的夾角，I、Q、U 分別為入射光 Stokes矢量的分量，I′(θ)為經過偏振片后的出射光強度分量。通過測量3個不同方向上的線偏振光的強度，可以計算得到目標光學輻射的Stokes矢量，從而得到線偏振度和線偏振角信息。本文測量所用的偏振片角度為 0°、60°和 120°，可計算得到入射光的Stokes矢量為：

再根據式(3)計算得到目標的線偏振度DoLP和線偏振角 AoLP。

2 系統設計

2.1 系統總體方案

為了獲得目標在多光譜下的偏振信息，多光譜目標偏振信息探測系統需要從多個譜段對目標進行偏振成像。系統主要由長焦鏡頭、濾光片組、偏振片組和成像器組成。長焦鏡頭可對遠距離目標信息進行獲取，濾光片組與偏振片組相協同，實現對目標多光譜偏振信息的檢測。系統組成結構如圖1所示。

系統通過軟件控制光學鏡頭的調整以及不同波段濾光片、不同偏振化方向偏振片的轉換，并采集成像器獲取的偏振圖像信息，進行信息存儲、Stokes矢量計算和偏振度、偏振角求解。

2.2 光學結構

光學結構是探測系統的關鍵部分，主要包括光學鏡頭、濾光片組和偏振片組，將目標在不同波段、不同偏振方向的偏振輻射聚集到成像器上，再由成像器將接收到的光能量轉變為電信號，供系統進行信息獲取，光學結構設計圖如圖2所示。

為了獲取較遠距離的目標偏振信息，光學通道設計為變焦長焦鏡組，焦距為750 mm。其中，變焦鏡組調整光學通道的焦距，調焦鏡組調整成像清晰度，以實現對不同距離目標的成像需求。偏振片、濾光片分別安裝于兩個獨立可控的圓形旋轉輪片上，由步進電機精確控制旋轉位置。

偏振片組有 0°、60°、120°共 3個偏振通道及 1個非偏振通道，以測量不同光譜的偏振以及非偏振輻射強度。濾光片組設計有6個插槽，其中有一個插槽為空，即為全波段通道，其他5個插槽對應濾光片的中心波長分別為450 nm、550 nm、650 nm、850 nm 和 950 nm。濾光片、偏振片中心與光學通道光心位置一致，兩者協同工作檢測不同波段的偏振光信息。系統關鍵參數如表1所示。

表1 系統關鍵參數

2.3 系統定標

為了準確解析目標的光譜偏振信息，需要對探測系統進行定標。由于探測系統使用同一個成像器，系統定標主要包括光譜定標、偏振方向非一致性定標和不同偏振方向相對輻射響應度定標。

光譜定標通過波長已知的標準光源和光譜分析儀完成，偏振方向非一致性定標通過旋轉偏振片與已知固定角度的偏振片進行消光來實現。本文主要介紹不同偏振方向相對輻射響應度定標。在探測系統中，每個偏振波段對應的偏振片以及濾光片存在一定的差異性，從而影響到探測器的成像[6]。通過積分球對系統進行相對輻射響應度定標，獲取不同波段方向下的相對輻射響應。以 0°偏振方向為基準，通過式(4)分別計算 60°、120°偏振方向的相對輻射響應度，解決不同偏振方向的輻射響應差異問題。

3 實驗與分析

2012年10月17日，利用多光譜目標偏振信息探測系統進行了室外目標偏振信息探測實驗，實驗時為霧天環境，目標為霧中的建筑，目標到探測系統距離為1.8 km。圖3為探測系統獲取的目標非偏振強度圖像以及在450 nm、550 nm、650 nm、850 nm 和 950 nm 波段 獲得 的0°偏振圖像。受實驗環境下霧的影響，原圖的遠處建筑物目標輪廓模糊。除了450 nm外，其他各波段偏振圖像在清晰度上都有不同程度的提升。其中，850 nm波段的偏振圖像清晰度效果最好，建筑物輪廓以及窗戶等細節信息清晰可見。

圖4所示為目標在850 nm下的0°偏振圖像和偏振度、偏振角圖像。整體場景的偏振度較低，最小為0，最大為0.45，平均為0.25，這是由于霧天環境中的微粒對目標反射光的多次散射作用，導致偏振度降低。天空和建筑物目標的偏振角也表現出了明顯的區別，尤其是在建筑物輪廓線上，偏振角變化明顯，這是輪廓兩側在材料構成以及反射面角度等方面的不同導致的。

本文針對目標偏振信息探測的應用研究，將多光譜分析與偏振信息測量原理相結合，設計了一種多光譜目標偏振信息探測系統，并對系統進行了定標。在霧天環境下的目標偏振探測實驗表明，該系統能從可見光到近紅外多個波段對目標偏振信息進行有效探測，獲得各波段的偏振信息。相對其他波段，在850 nm波段的霧天目標偏振信息探測具有較好的效果，在目標發現與識別領域具有重要的意義。

[1]CREMER F，SCHWERING P B W，JONG W D，et al.Infrared polarisation measurements of targets and backgrounds in a marine environment[C].SPIE，2001.

[2]PUST N J，SHAW J A.Dual-field imaging polarimeter for studying the effect of clouds on sky and target polarization[C].Polarization Science and Remote Sensing II，2005.

[3]HOOPER B A，BAXTER B，PIOTROWSKI C，et al.An airborne imaging multispectral polarimeter(AROSS-MSP)[C].OCEANS 2009，MTS/IEEE Conference，2009.

[4]楊偉鋒，洪津，喬延利，等.無人機載偏振CCD相機光機系統設計[J].光學技術，2008，34(3)：469-472.

[5]廖延彪.偏振光學[M].北京：科學出版社，2003：51-57.

[6]陳立剛，孟凡剛，袁銀麟.偏振相機的光學定標方案研究[J].大氣與環境光學學報，2010，5(3)：227-231.