分時型長波紅外高幀頻偏振成像實驗研究

張 哲， 劉欣悅， 王建立， 姚凱男， 李天賜

(1. 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033；2.中國科學院大學，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、輻射強度等重要信息。目前，紅外成像技術已廣泛應用于國防、商業等多個領域。其中在8～12 μm的長波波段，屬于地物(包括人造物)的發射波譜，在晝夜戰場偵察、人臉識別、高溫目標識別等方面有重要意義。但由于長波紅外成像技術僅利用了輻射強度信息，而長波紅外偏振成像技術既可以探測到目標與背景的輻射強度，又可以探測到代表目標景物特性的偏振信息[1-2]，由于不同類型的目標具有不同的偏振特性，所以可實現在復雜地物背景下，弱化背景噪聲，提高探測與識別能力。因此國內外對此做了很多相關的實驗研究，近幾十年在我國也逐步受到重視[3-5]。

早在20世紀，國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的研究。在國外，2001年，Forssell等開始進行長波范圍的地雷探測；2002年，Tan等人對空間物體進行長波波段的識別研究；2006年，Tyo等人發現利用長波紅外偏振探測技術可以識別出雜亂背景中的車輛。至今，國外的長波紅外偏振成像技術一直走在前沿。在國內，雖然起步較晚，但以安徽光機所及西北工業大學等為代表，已利用長波熱紅外偏振成像探測系統，對自然背景和偽裝目標進行了相關偏振成像研究[6-7]；其中，北京理工大學王霞等人對高溫目標進行陸地探測，并發現長波波段對高溫目標偏振成像的優勢[8]。

紅外偏振成像系統可分為4種類型，有體積較大的分振幅型偏振成像系統；還有體積小，但是離軸系統，光學設計復雜的分孔徑型偏振成像系統；以及將微偏振元器件集成到探測器像素上但會犧牲空間分辨率的分焦平面型偏振成像系統。本文選取的是裝置結構最簡單緊湊、數據容易處理、精度較高以及成本較低的分時型長波紅外偏振成像系統，但該系統無法實現在同一時刻對目標成像，所以不利于運動目標的探測[9-14]。

為了解決分時型結構實時性較差的問題，本文基于紅外偏振探測原理，在8～12 μm的長波紅外波段，采用超高速高定位精度旋轉輪，搭建了分時型長波紅外高幀頻偏振成像裝置，在實驗室環境下進行高溫目標動態探測實驗。對系統完成選型、搭建，得到目標的實時偏振度視頻數據，并可同時顯示出目標的紅外熱視頻，實現對比結果。實驗結果表明，分時型成像裝置可以實現動態目標的準實時偏振探測，并體現出長波紅外偏振成像獨特的優勢與特點。

2 基本原理

2.1 Stokes公式

依據電磁學理論，光波屬于橫波，因此會出現偏振現象。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個光強度的時間平均值來表示偏振光，可直接被探測測量，表示為：

(1)

其中：s0表示入射光強，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。

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

2.2 測量原理

為了描述出射光的偏振態變化，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′，它們之間的數學關系可以寫作：

S′=M×S，

(2)

本文采用一個線偏振片為基礎的線偏振測量系統，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)

由于成像探測器只能探測到輻射強度，即總光強的大小，所以只有Stokes的第一個參量可已被直接探測，經過計算：

(5)

在實際的探測過程中，圓偏振分量相比于線偏量較小，所以不列入考慮，即令s3=0。從表達式(5)中得知，有3個未知量需要求出，為了使計算結果更加準確，選取測量4個角度的方法，即只需測量出0°，45°，90°，135° 4個角度方向的光強，即可計算出s0、s1和s2，進而根據公式推算出偏振度和偏振角等相關參數。

3 長波紅外偏振成像實驗系統

實驗選取了裝置結構最簡單緊湊、數據容易處理、精度較高的分時型長波紅外偏振成像系統。為了解決分時型長波紅外偏振成像結構實時性較差的問題，采用高速旋轉輪帶動旋轉偏振片，通過鏡頭成像在長波非制冷焦平面探測器上，來采集不同角度的偏振光強圖像，進而解算出偏振度，實現線偏振測量。

因此，本文實驗裝置主要由高速旋轉輪帶動的偏振片、物鏡以及探測器3部分組成。結構圖如圖2所示。

圖2 偏振成像系統結構圖Fig.2 Polarization imaging system structure

就本文選取的分時型長波紅外線偏振成像系統，由于它是在離散時間下獲取不同偏振方向的圖像，探測時間較長，如果測量動態目標就會帶來偏差信息，因此傳統裝置較適合靜態測量。為了能夠實現本文的實驗目的，準確測量運動目標的偏振度圖像，需要實現偏振片的準確定位和穩定停頓，并實現系統同步性。因此綜合考慮后，選購了FLI公司的高速旋轉輪，如圖3所示，其采用集成電子技術，可以快速改變光學元件的取向變化 ，并精確計時，所需的變化時間曲線由圖4給出，技術參數由表1給出。

圖3 旋轉輪實物圖Fig.3 Rotating wheel map

圖4 定向變化時間曲線Fig.4 Orientation change time curve

長波紅外偏振片定制于美國Thorlabs公司，類型為硅基底線柵偏振片，具有高消光比，實物圖及技術參數如圖5和表2所示。

表1 高速旋轉輪的主要技術參數Tab.1 Main technical parameters of high speed rotating wheel

圖5 長波紅外偏振片Fig.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

實驗采用非制冷探測方式，且基于動態目標探測的目的，選購了可實時錄制/傳輸/分析，可實現60 Hz、16 bit全溫度紅外視頻數據，并且專用于高速成像的紅外相機。紅外相機各技術參數見表3、表4。實物如圖6所示。

表3 長波紅外偏振探測器的主要技術參數

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

探測器類型像素像元間距波長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 長波紅外鏡頭的主要技術參數

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

視場焦距F數最小成像距離24.6°×18.6°25 mm1.00.3 m

圖6 長波紅外相機Fig.6 Long wave infrared camera

4 實 驗

通過優化長波紅外相機的操作界面功能，將高速旋轉輪與長波紅外相機進行同步，完成同步圖像采集與處理過程，實現了15幀/s的目標偏振度視頻數據采集。實驗平臺及長波紅外相機的操作界面如圖7所示。

圖7 實驗平臺Fig.7 Experiment platform

圖8 長波紅外相機成像操作界面Fig.8 Operation interface of long wave infrared camera imaging

圖9 探測目標區域Fig.9 Area of detection target

由于目前實驗設備性能限制，以及長波紅外偏振極易受環境影響，因此選擇在實驗室環境進行實驗驗證。

首先，目標選取高溫金屬罩暖爐，實驗室環境，將暖爐預熱完畢后，關閉電源，對暖爐由熱至冷的變化過程進行偏振度動態探測。圖9矩形框內為高溫測量區域，圖10為在6 s時間內采集的90幅偏振度圖像中，其偏振度最大值的變化擬合曲線。可以看出，實驗實現了15幀/s的動態偏振度探測，且在這個動態過程中，隨著溫度的驟變，偏振度也會有所減小。

接著，目標依舊選取高溫金屬罩暖爐，保持溫度不變，針對目標實現紅外強度圖像與偏振度圖像的對比顯示。圖11為該目標長波紅外強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境，與背景的對比度很高。強度圖像雖然可以實現目標的探測，但由于觀察的目標區域溫差很小，使得細節模糊，很難實現識別功能，細節部分沒有很好顯現。而偏振度圖像相比紅外強度圖像，細節更加突出，有效提高了人造物和背景的對比度。爐身的金屬外罩的輪廓清晰可見，加熱管內部的加熱絲以及邊緣細節信息也可明顯看出(圓圈圈出)。這進一步證實長波紅外偏振成像技術可對高溫目標進行探測與識別，與紅外成像相比，紅外偏振成像提供了更多目標的細節，證明了偏振成像在高溫目標成像上較強度成像有一定的優勢，有利于對長波紅外偏振成像應用的進一步探究。

(a)無偏強度圖像(a) Intensity image

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

圖12 融合結果Fig.12 Fusion result

此外，通過融合算法，將紅外強度圖像和偏振度圖像融合，發現相比于融合之前的圖像，其信噪比有所提高，細節信息并沒有損失，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 論

本文解決了傳統分時型長波紅外偏振成像裝置難以高幀頻探測的問題。通過實驗證明，針對分時型長波紅外偏振成像裝置，可以實現探測動態高溫運動目標的偏振度圖像，并完成15幀/s的目標偏振度探測。并進一步證實，長波紅外偏振成像在高溫目標識別上具有優勢，不僅能識別目標，而且可以提供更豐富的細節信息，抑制背景，提高目標與背景的對比度，有利于我們對目標場景的觀察與理解。可以得出，長波紅外偏振成像技術是對傳統紅外成像的一種有效的補充和發展，其研究對于目標探測和識別有著重要的意義。