海面太陽耀光背景下的偏振探測技術

張衛國

(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，在與入射光方向關于法線對稱的反射光方向上會產生強烈的反射輻射，形成太陽耀光。受太陽耀光影響的中心區域，輻射強度使得傳感器極易達到飽和，無法實現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，采用偏振自適應濾波探測方法能夠：(1)實現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，實現實時的偏振自適應濾波。與常規探測方法相比，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應用于太陽耀光背景下的海面目標探測領域。詳細介紹了偏振探測系統的功能和組成、偏振探測及背景抑制原理；并給出了該系統的光學設計結果和偏振定標方法；利用雙波段自適應偏振濾波探測系統，針對海上典型目標，開展了相關的偏振驗證實驗。

2　偏振探測系統的功能和組成

2.1　偏振探測系統的功能

偏振自適應濾波探測系統主要具有以下功能：(1)具備短波紅外波段偏振探測圖像的實時采集及顯示、偏振數據區域選取、數據分析及處理功能；(2)具備偏振自適應實時濾波功能；(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)具備電動調焦功能。

2.2　偏振探測系統的組成

偏振自適應濾波探測系統主要由前置光學分系統、偏振分析儀分系統、轉輪控制分系統和偏振探測儀分系統構成。前置光學分系統將目標/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，短波紅外波段進入偏振探測儀分系統。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，能夠實時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，采用旋轉濾光片型的偏振探測方式，根據偏振分析儀的測量結果，利用轉輪控制分系統實時控制偏振片旋轉角度，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。轉輪控制分系統根據偏振分析儀測量結果和預先設置的切換閾值，實時控制轉輪機構旋轉/移出/移入光路。整個偏振自適應濾波系統的內部組成及連接關系圖如圖1所示。

圖1　偏振自適應濾波系統的組成及內部連接關系 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。光學元件或系統對入射光偏振態的改變可用4×4穆勒矩陣M描述，假設第i次探測時，偏振成像探測系統的穆勒矩陣為：

(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)

根據偏振度DoLP分析結果，控制偏振轉輪移入/移出光路。移入時，將旋轉偏振片角度調整到AoP+90°方向，即可實現對海面太陽耀光的有效抑制。

4　光學設計結果

偏振自適應濾波探測系統中，全部鏡片均采用球面鏡設計，最終設計結果如圖2所示。

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

系統主口鏡為150 mm，入射光線經過主鏡、次鏡、三鏡和四鏡反射后，經過準直透鏡，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

采用系統不同波長處的點列圖和MTF(調制傳遞函數)對系統成像質量進行評價。圖3為偏振分析儀在0.5、0.6和0.7 μm對應的點列圖。圖4為偏振探測儀在0.9、1.3和1.7 μm對應的點列圖。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，滿足應用要求，表明光學系統成像質量良好。偏振分析儀和偏振探測儀所對應的探測視場分別為0.8°和0.5°。

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

5　試驗結果及分析

利用偏振自適應濾波探測系統，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輪控制程序進行二次開發。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，典型結果如圖7所示。可見，經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)發現，通過改變偏振片角度，能夠對太陽耀光的光強進行調制和抑制；在降低太陽耀光的情況下，目標船的細節特征能夠有效凸顯。

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進入耀光區，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合的效果對比。結果分別如圖8和圖9所示。數據分析結果見表1。由表1可見，在整個目標觀測區域內，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；從非耀光區到耀光區，采用偏振技術能夠將對比度保持在一個合理的范圍，能夠有效解決固定積分時間下，不同觀測區域成像對比度差異大的問題，以及非耀光區對比度不明顯或耀光區背景飽和的問題。

圖8　采用非偏探測時運動目標非耀光區和耀光區非偏效果比對圖 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合時運動目標非耀光區和耀光區偏振效果比對圖 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　數據分析結果

實驗過程中，儀器對太陽耀光的觀測俯仰角約為-2°，根據不同的觀測方位角，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變化，且變化量較小，所以控制偏振片旋轉角度的響應時間近似為實時。

6　結　論

本文針對海面目標探測時對太陽耀光背景的抑制需求，設計并構建了一套雙波段自適應偏振濾波探測系統。將該系統搭載于望遠鏡跟蹤試驗平臺，以海上典型目標為對象，開展了相關的偏振驗證實驗。實驗結果表明：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上，能夠利用偏振探測技術有效抑制太陽耀光的影響，可確保耀光區內的靜止目標及運動目標在觀測區域內的有效探測。

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