【偏振成像探測(cè)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀綜述4200字（論文）】

引言近年來(lái)，在國(guó)內(nèi)外軍事與民用領(lǐng)域中，普遍應(yīng)用了焦平面探測(cè)器工具，這主要得益于技術(shù)與信號(hào)處理技術(shù)的蓬勃發(fā)展。然而鑒于地表存在的輻射強(qiáng)度與紋理，包括植被、地物等自然物，明顯弱化了對(duì)目標(biāo)的探測(cè)與識(shí)別，因此當(dāng)務(wù)之急是妥善處理繁雜的背景輻射問(wèn)題，以此提高靈敏性與分辨力焦平面探測(cè)器功能。同時(shí)目標(biāo)探測(cè)面對(duì)如此復(fù)雜的背景，使國(guó)內(nèi)外研究一致轉(zhuǎn)向偏振成像技術(shù)領(lǐng)域，并表示其應(yīng)用前景有待挖掘。自20世紀(jì)60年代以來(lái)，國(guó)外針對(duì)熱偏振成像技術(shù)進(jìn)行研究，首先立足于理論角度，其次圍繞目標(biāo)性實(shí)驗(yàn)、系統(tǒng)構(gòu)成與應(yīng)用展開(kāi)了深入分析。1偏振成像理論1.1偏振雙向反射分布函數(shù)國(guó)外主要圍繞偏振雙向分布反射函數(shù)模型（PBRDF），開(kāi)展了對(duì)偏振成像技術(shù)理論的研究。對(duì)于大部分物體來(lái)說(shuō)，反射出來(lái)的入射輻射會(huì)出現(xiàn)混合反射現(xiàn)象，涉及了鏡面反射與漫反射兩種成分。其中物體表面通過(guò)各種入射角會(huì)產(chǎn)生反特性，在這種任意觀測(cè)角與因素條件下，能夠反映整體反射輻射情況。該模型的構(gòu)成在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界中，學(xué)者根據(jù)現(xiàn)有研究成果衍生了大量工程統(tǒng)計(jì)模型。1999年，Priest等為構(gòu)建PBRDF模型，指出需要完善偏振反射與輻射信息，以便用于精確探測(cè)與識(shí)別表征目標(biāo)。在2000年-2002年時(shí)間內(nèi)，Priest多次與他人合作，進(jìn)而得出其模型一般表達(dá)式，此項(xiàng)研究是針對(duì)微面元展開(kāi)的。同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，將低反射率與高反射率樣品作對(duì)比。2007年，Gartley為仿真熱偏振場(chǎng)景，有效運(yùn)用BRDF模型并取得此次實(shí)驗(yàn)的成功，圖1左側(cè)與右側(cè)，分別表示測(cè)量結(jié)構(gòu)與仿真結(jié)果。圖1熱偏振場(chǎng)景仿真對(duì)比結(jié)果2011年，王霞等以當(dāng)前偏振雙向反射分布函數(shù)模型為條件，建立了廣義的PBRDF模型，同時(shí)為合理輻射控制方程，在此模型基礎(chǔ)上推導(dǎo)出發(fā)射率模型與熱偏振成像探測(cè)技術(shù)。另外為驗(yàn)證模型客觀性，模擬仿真了反射偏振特性，從而總結(jié)出實(shí)現(xiàn)結(jié)果與目標(biāo)表面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相同的結(jié)論。1.2偏振成像探測(cè)模型當(dāng)前人們對(duì)于偏振性能的評(píng)價(jià)眾說(shuō)紛紜，這主要是源于其多樣性的測(cè)探系統(tǒng)特點(diǎn)造成的。開(kāi)發(fā)者在設(shè)計(jì)系統(tǒng)過(guò)程中，是基于各種入射角度偏振光為出發(fā)點(diǎn)，以期測(cè)試偏振探測(cè)系統(tǒng)相應(yīng)能力。SpyridonLagaras為最大限度延長(zhǎng)偏振濾波探測(cè)與識(shí)別距離，從而構(gòu)建了相似的最大探測(cè)與識(shí)別距離模型，同時(shí)根據(jù)研究結(jié)果反映出表征溫差數(shù)據(jù)，可以憑借偏振濾波來(lái)獲取。2012年，王霞等有效運(yùn)用蒙特卡洛方法，仿真并分析了短波、中波與長(zhǎng)波偏振特性，與傳輸距離之間的關(guān)系，旨在探討大氣對(duì)偏振成像系統(tǒng)的影響作用，其最終研究結(jié)果顯示出：首先是短波波段，占據(jù)比例較小的是自發(fā)輻射與大氣程輻射，而且在自然照明背景下，如果偏振探測(cè)整體弱于強(qiáng)度探測(cè)性能，則表示差異性較大的目標(biāo)與背景反射率差；其次處于中波波段時(shí)，目標(biāo)與背景強(qiáng)度與偏振度在入射輻射的影響下，會(huì)呈現(xiàn)出較為復(fù)雜的對(duì)比度，假如強(qiáng)度探測(cè)弱于偏振度探測(cè)性能，則表示目標(biāo)偏振特性不突出，因此必須要重視目標(biāo)自發(fā)輻射與大氣程輻射作用；最后是長(zhǎng)波波段，由于占據(jù)較大比例的目標(biāo)自發(fā)輻射與大氣程輻射亮度，一旦探測(cè)器輻射呈現(xiàn)出穩(wěn)定性與優(yōu)越性的強(qiáng)度偏振探測(cè)，則反映出差異性較大的目標(biāo)與背景輻射偏振特性。2外偏振成像系統(tǒng)構(gòu)成現(xiàn)階段，在現(xiàn)有被動(dòng)偏振成像系統(tǒng)中，鑒于較為完善的焦平面探測(cè)器工藝，焦平面探測(cè)器被廣泛應(yīng)用社會(huì)各行業(yè)。同時(shí)可以將偏振成像設(shè)備劃分為3大類：(1)實(shí)時(shí)型與非實(shí)時(shí)型，這是按照時(shí)間特性細(xì)分而來(lái)。(2)調(diào)制型、波前分割型，以上是根據(jù)成像特性得出的。(3)復(fù)合型、孔徑分割型、時(shí)間分割型等是圍繞設(shè)備結(jié)構(gòu)歸納的類別。為獲得各種偏振方向圖像，需要借助旋轉(zhuǎn)偏振片的方法，以期計(jì)算精準(zhǔn)的離散時(shí)間點(diǎn)所形成的過(guò)程便是時(shí)間分割型偏振成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，圖2反映了詳細(xì)的結(jié)構(gòu)示意圖。這種結(jié)構(gòu)的作用在于計(jì)算，而且不需要圖像的精確配準(zhǔn)，其中裝調(diào)便捷、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單與體積小巧是其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)所在。同時(shí)針對(duì)同一時(shí)刻而言，不具備獲得偏振圖像的功能，因此不適用于探測(cè)動(dòng)態(tài)目標(biāo)，這也是該結(jié)構(gòu)不足之處。圖2時(shí)間分割型偏振成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為得出各種成像，首先需要分解入射輻射，借助偏振成像系統(tǒng)分光片與波片工具，其次分割為不通偏振方向輻射共計(jì)4條，同時(shí)顯示在焦平面上，這便是所謂的振幅分割型成像模式，詳情見(jiàn)圖3示意圖。由于需要使用大量探測(cè)器與光學(xué)器件，而且其復(fù)雜性的結(jié)構(gòu)模式，以及高品質(zhì)的配準(zhǔn)要求、體積龐大，使得需要花費(fèi)高昂的制造成本，并損耗較多的能量資源。圖3振幅分割型成像結(jié)構(gòu)示意圖在設(shè)計(jì)焦平面分割型成像系統(tǒng)過(guò)程中，需要有效結(jié)合微光學(xué)偏振元件與焦平面探測(cè)器，并依靠現(xiàn)代化工藝技術(shù)，以此降低了對(duì)前端光學(xué)系統(tǒng)的要求，詳情見(jiàn)4示意圖。然而該方法不適用于校正探測(cè)器均勻性，而且要求器件具備極高的加工工藝標(biāo)準(zhǔn)，因此相對(duì)而言成本造價(jià)較高；除此以外難以保證客觀性的觀測(cè)結(jié)果，這主要是源于在4個(gè)不同偏振方向像元中，所對(duì)應(yīng)的實(shí)際位置不盡相同。圖4焦平面分割型偏振成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)其中一次與二次成像光學(xué)系統(tǒng)、平行光學(xué)系統(tǒng)，以及個(gè)體探測(cè)器是組成孔徑分割型偏振成像設(shè)備的主要器件，詳細(xì)見(jiàn)5示意圖。該設(shè)備在僅需單個(gè)探測(cè)器的條件下，便可實(shí)時(shí)獲取偏振信息，然而會(huì)消耗大量的能量，究其原因是源于復(fù)雜性的光學(xué)系統(tǒng)。偏振成像儀由數(shù)個(gè)光軸以平行或一定角度成像組成的器件便是多光軸性成像設(shè)備。該設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且憑借多套設(shè)備的情況下，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)Stocks參量信息獲取功能，較常見(jiàn)于獲取遠(yuǎn)距離偏振目標(biāo)信息，而難以確保就近位置重合市場(chǎng)信息客觀性。圖5孔徑分割型成像設(shè)備結(jié)構(gòu)圖復(fù)合型偏振成像設(shè)備是有效結(jié)合振幅分割與孔徑分割的一類結(jié)構(gòu)，同時(shí)形成的偏振成像系統(tǒng)。首先為分割振幅成像系統(tǒng)，需要接互助望遠(yuǎn)系統(tǒng)工具，然后根據(jù)調(diào)制與棱鏡分光達(dá)到分割孔徑的目的。這類系統(tǒng)顯著特點(diǎn)在于質(zhì)量輕便，偏高的能量利用率，以及體積小，而不足之處在于要求設(shè)備高質(zhì)量的圖像配準(zhǔn)，而且制造成本頗高。3偏振成像目標(biāo)探測(cè)技術(shù)應(yīng)用3.1空間物體的長(zhǎng)波偏振成像2002年，Tan等在開(kāi)展偏振模擬研究過(guò)程中，顯示對(duì)空間物體具有識(shí)別功能，此時(shí)長(zhǎng)波波段的偏振信號(hào)明顯高于當(dāng)前高光譜信號(hào)。除此以外在模擬偏振成像探測(cè)技術(shù)時(shí)，利用再入飛行器與熱氣球?yàn)檎T餌，初步分析在涂有鋁的熱氣球誘餌中，再入飛行器偏振度值為其的2~4倍，詳情見(jiàn)6示意圖。圖6再入飛行器與熱氣球誘餌偏振成像對(duì)比結(jié)果3.2地雷探測(cè)2002年，英國(guó)國(guó)防科技實(shí)驗(yàn)室借助偏振成像技術(shù)，開(kāi)展了多項(xiàng)掃雷實(shí)驗(yàn)研究。觀察圖7不難發(fā)現(xiàn)：非偏振成像與偏正成像地雷探測(cè)效果相比，顯然后者占據(jù)了有利地位。隨后在同一年時(shí)間里，F(xiàn)rankCremer發(fā)表了關(guān)于探測(cè)地雷的中波振幅成像技術(shù)相似的檢測(cè)結(jié)果。(a)探測(cè)地雷成像技術(shù)示意圖(b)掃雷車(c)偏振成像設(shè)備(d)非偏振圖像(e)參照斯托斯矢量再次構(gòu)建的偏振圖像圖7偏振成像用于探雷領(lǐng)域3.3海面目標(biāo)探測(cè)1994~2004年，美國(guó)蒙特利分校為研究偏振成像探測(cè)技術(shù)，以便為海面艦船所用。2001年，F(xiàn)rankCremer在小目標(biāo)海面領(lǐng)域，引進(jìn)偏振成像系統(tǒng)并應(yīng)用其中。2006年，美國(guó)Polarissensor公司在開(kāi)展海上搜救實(shí)驗(yàn)中，有效運(yùn)用了偏振成像探測(cè)技術(shù)，詳情見(jiàn)8示意圖。觀察下列四幅圖像發(fā)現(xiàn)：在運(yùn)用偏振成像技術(shù)后，可以將白天與晚上的海面情況，將海水、人與物體形成鮮明的對(duì)比；而在非偏振成像技術(shù)條件下，則未顯示特有的差異對(duì)比，因此人們借助這種差異性的目標(biāo)與背景，順利開(kāi)展海上目標(biāo)探測(cè)活動(dòng)。(a)白天非偏振成像(b)白天偏振成像(c)晚上非偏振成像(d)晚上偏振成像圖8偏振成像用于探測(cè)海上目標(biāo)示意圖3.4地面目標(biāo)探測(cè)2005年，Y.Aron等為完成野外成像實(shí)驗(yàn)，在以此降低了車輛與帳篷前視儀誤報(bào)率，并相應(yīng)提高了其信噪比。2006年，Tyo為精確識(shí)別復(fù)雜車輛背景，選擇與美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室等單位合作，采用長(zhǎng)波被動(dòng)偏振成像技術(shù)優(yōu)勢(shì)，得出如圖9所示圖像。其結(jié)果顯示出在多光譜可見(jiàn)圖像中，與非偏振長(zhǎng)波圖像相比，叢林邊緣的陰影部分覆蓋了背景車輛蹤跡，而有效利用長(zhǎng)波偏振信息后，不僅提升了系統(tǒng)探測(cè)能力，而且分離出清晰的背景車輛。圖9偏振與非偏振技術(shù)下叢林車輛背景的圖像3.5隱身探測(cè)美國(guó)為有效降低偏振效應(yīng)，部分機(jī)構(gòu)圍繞偏振成像技術(shù)，試圖研發(fā)出用于物體表面的隱身技術(shù)，以期打造類球面物體外觀。2003年，GǒranForssell等開(kāi)展了一系列野外實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，旨在驗(yàn)證偽裝遮障客觀性，其結(jié)果表明探測(cè)具備科學(xué)性特征。結(jié)語(yǔ)對(duì)于國(guó)內(nèi)而言，由于偏振成像探測(cè)技術(shù)處于初步發(fā)展階段，加之實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的研究成果，因此缺乏成熟的熱偏振成像理論、關(guān)鍵技術(shù)等研究。同時(shí)僅涉及了簡(jiǎn)單幾何運(yùn)算，需要深入探討偏振成像處理領(lǐng)域，以及有效再現(xiàn)與利用偏振信息。參考文獻(xiàn)[1]HessM,PrestR.Comparisionofpolarizationbidirectionalreflectancedistributionfunction(BRDF)moldels[J].IEEEAerospaceConferenceProceedings,1999,4:95-102.[2]RichardGPriest,ThomasAGermer.PolarimetricBRDFinthemicrofacetmodel:Theoryandmeasurements[C]//MilitarySensingSymposiaSpecialtyGrouponPassiveSensors,2000,1:169-181.[3]LagarasSE.ModeleddetectionandrecognitionrangeforapolarizationfilteredFLIRsensor[R].Monterey:NavalPostgraduateSchool,1999.[4]ZhouXiaofeng,WangXia,JinWeiqi,etal.Atmosphericeffectsoninfraredpolarizationimagingsystem[J].InfraredandLaserEngineering,2012,41(2):304-308.(inChinese)[5]ChenZhenyue,WangXia.Studyofatmosphericeffectsoninfraredpolarizationimagingsystembasedonpolarizedmontecarlomethod[C]//ProceedingsofSPIE,TheInternationalSocietyforOpticalEngineering,2012.[6]李淑軍,姜會(huì)林,朱京平,段錦,付強(qiáng),付躍剛,董科研.偏振成像探測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)[J].中國(guó)光學(xué),2013,6(06):803-809.[7]王霞,夏潤(rùn)秋,金偉其,劉敬,梁建安.紅外偏振成像探測(cè)技術(shù)進(jìn)展[J].紅外與激光工程,2014,43(10):3175-3182.[8]曾恒亮.紅外偏振成像實(shí)驗(yàn)研究[D].中國(guó)科學(xué)院研究生院(光電技術(shù)研究所),2016.[9]趙永強(qiáng),馬位民,李磊磊.紅外偏振成像進(jìn)展[J].飛控與探測(cè),2019,2(03):77-84.[10]張哲.長(zhǎng)波紅外偏振成像及實(shí)驗(yàn)研究[D].中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)