热红外偏振成像的目标探测技术研究*

易 瑔 严志强 唐湘燕 杨建昌

(1.西安交通大学电子与信息工程学院，西安 710049; 2.装甲兵工程学院控制工程系,北京 100072 ; 3.中国兵器装备研究院,北京 100089)

0 引言

热红外成像是一种透过烟尘能力强、可昼夜工作的被动成像技术，在民用和军用上均得到了广泛应用[1-3]。其工作原理为测量物体的热辐射强度，通过目标与背景的辐射强度差别来发现目标。当目标与背景的辐射强度差很小时，目标与背景信噪比很低，就无法有效将目标区分出来。随着红外伪装技术的广泛使用，目标与背景的辐射特性发生改变，目标的热红外特征发生歪曲，进入探测系统的能量大幅衰减，导致目标背景辐射对比度降低，严重削弱了热红外成像系统对目标的探测能力。

研究表明，自然界中的地物(水除外)偏振度往往较低，而人造目标由于表面的规则性和光滑性等因素，偏振度较强[3]。由于偏振度反应的是不同方向上能量的相对大小，而与进入探测器的能量大小关系不大，因此能在低热对比度的场景中有效提高探测性能。基于红外偏振成像技术是近十年来国外发展迅速的新型成像技术，其不仅利用目标景物的辐射强度信息 而且利用目标景物辐射的偏振度信息提高成像系统在复杂背景下目标的探测，具有广阔的军用和民用前景。

本文利用热红外成像仪前加装可旋转线偏振片的方法，考察了8～14μm波段下目标与背景的红外偏振特性，并对偏振信息进行了融合处理，发现融合图像较原始红外图像对比度增加，且较好保留了细节信息。

1 红外偏振产生的机理

光波经过均匀介质分界面时，根据边界条件，入射光、反射光和折射光的传播方向由反射定律和折射定律确定，振幅和相位之间的关系由菲涅尔公式确定。由于任一偏振态的光均可分解为两个相互垂直的量[5]，一般将其分解成在入射面内的分量(平行分量或称P分量)和垂直于入射面的分量(垂直分量或称S分量)。而平面电磁波在反射和折射时这两个分量是相互独立的，即平行分量在折射和反射时只产生平行分量，垂直分量在折射和反射时只产生垂直分量，因此可以分别讨论这两个分量。

定义平行分量反射率Rp和垂直分量反射率Rs如下，根据菲涅尔公式，

(1)

严格意义上，上式仅对光滑表面成立，但通常我们将粗糙表面看成光滑微平面的一种统计近似[7]。

热红外偏振是辐射和反射共同作用的结果。如果不考虑散射等其它形式的能量损耗，入射光不被吸收即被反射[6]。根据热平衡原理可以知道，透射率与辐射率相同，这样辐射光的偏振可以像反射光的偏振那样通过菲涅尔系数直接计算出来。因此，介质表面辐射率为

Es,p=1-Rs,p

(2)

上式表明，入射光总能量在反射光和辐射光中按照反射率和辐射率进行重新分配。

图1 反射率(辐射率)与入射角(观察角)的关系示意图

图1 所示为当介质折射率n1=1，n2=1.8时，反射率、辐射率与入射角(观察角)的关系示意图。当入射角为布儒斯特角时，反射光平行分量为零，此时反射光只有垂直分量。

反射光线偏振度和辐射光线偏振度可根据以下公式计算

(3)

从图2可以看出：

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1)反射光线偏振度为正，辐射光线偏振度为负；

2)反射光线偏振度在布儒斯特角处取得极大值，辐射光线偏振度随观察角单调递增；

3)一般地，反射光线偏振度比辐射光线偏振度大。

图2 DOLP随入射角(观察角)的变化关系图

2 偏振测量原理

光波是横电磁波，电矢量和磁矢量相伴而行，振动方向与传播方向垂直。电场矢量大小和方向随时间变化的方式成为光的偏振，通常用电矢量轨迹描述。光的宏观状态有自然光、部分偏振光及完全偏振光。其中完全偏振光有椭圆偏振光、圆偏振光及线偏振光。

2.1 偏振光的描述

描述偏振光有三角函数表示法、琼斯(Jones)矢量法、斯托克斯(Stocks)矢量法和邦加(H.Pioncare)球法[5]。其中三角函数表示法、琼斯矢量法只能描述完全偏振光，邦加球法是表示任一偏振态的图示法。Stocks矢量法用四个参量(均为光强的时间平均值)描述光波的强度和偏振态，可以描述完全偏振光、部分偏振光和自然光，可以是单色光也可以是非单色光。Stocks矢量表示式为

S=[S0S1S2S3]T

(4)

式中，S0为光波的总强度；S1为光波在 0°、90°方向的线偏振光强度之差；S2为光波在45°、135°方向的线偏振光强度之差；S3与左右旋的圆偏振有关。通常情况下目标的反射光或目标自身的辐射都是线偏振分量占主要部分，V分量可近似为0，因此只需提取目标的线偏振特征。

2.2 偏振测量

Sout=M·Sin

(5)

式中，M为该光学器件的穆勒(Muller)矩阵；Sin、Sout分别为入射光、出射光的Stocks矢量。

当入射光通过理想线偏振片时，根据上式可算出出射光强为

I(θ)=0.5(S0+S1cos2θ+S2sin2θ)

(6)

式中，θ为偏振片的方位，即透光轴与参考面X轴夹角。由式(6)知，任意测出3个不同的方位(本实验选择0°、60°、120°)上的出射光强图，联立方程就可以解出S0、S1、S2，见式(7)。另一方面，当已知S0、S1、S2时，代入式(6)就能算出任意方位上的出射光强度图。

(7)

偏振度P(degree of polarization)作为整个强度中完全偏振光的比例，P=0时入射光为自然光，P=1时入射光为完全偏振光，0

(8)

偏振方位角(angle of polarization)微观上描述了入射光的偏振方向与参考面X轴夹角，宏观上则表示能量最大的偏振方向与X轴夹角，其表达式为

(9)

3 热红外偏振系统与实验

3.1 实验系统组成

实验中图像采集系统由红外热像仪加可旋转的线偏振片构成。红外热像仪探测器为非制冷焦平面阵列(FPA)，工作波段范围为8～14μm，有效像素为640×480，位深度为8。线偏振片为ZnSe金属线偏振片，消光比为300。

为了消除冷反射效应，线偏振片光轴与红外成像系统光轴之间存在一定的角度。这样偏振片旋转到不同的角度得到的图像之间会产生微小的位移，从而影响偏振信息的正确计算。因此在将测得的图像带入到式(7)中计算Stocks参量之前，应先对测得的图像进行配准。

3.2 实验条件

本实验对树林、高压输电线铁塔进行红外图像和红外偏振图像的采集，背景为天空，偏振片旋转的角度为0°、60°、120°，距离约为300m。时间为2012年10月17日上午10点，天气晴朗，温度约20℃。

3.3 实验数据与分析

图3给出了红外图像采集系统采集到的图像，可以看出：原始红外图像比红外偏振图像亮度大，这是因为偏振片对入射光能量有衰减；并且红外偏振图像比原始红外图像细节更丰富。

图3 原始红外图与偏振图

图4给出了根据式(8)和式(9)计算得到的偏振度图和方位角图，可以看出：

1)输电铁塔、电线的偏振度较大，天空、树林的偏振度几乎为零。这是因为表面特性是影响物体偏振度的重要因素，输电铁塔、电线等人造目标一般是由规则光滑的表面组成，且各个面的线偏振度分布相似，因此整体上表现出较强的偏振特性；而自然背景局部光滑，但是各个表面取向是杂乱无章的，整体无规则，因此每一次反射或散射偏振都不具有一致性，光经过多次的反射和散射后偏振度降低。

2)树林边缘偏振度很大，使得树林轮廓显现出来；从偏振图就能大致判断出目标的外形。从整幅图像看偏振度图较好保留了图像的细节。

3)从方位角图可判断出图像的内容，但存在着较大干扰。

图4 目标与背景的偏振度图和方位角图

4 基于HSI色彩变换法的偏振图像融合

偏振度图像和方位角图像描述了场景的不同信息，为方便有效的利用这两种信息、提高图像质量，本文运用基于HSI色彩变换法将偏振度图像、方位角图像和辐射强度图融合成一幅图像。用辐射强度图S0作为亮度(Intensity)图、偏振度图作为饱和度(Saturation)图、方位角图作为色度(Hue)图，得到的HSI融合图像如图5a所示。通过融合图像和原始红外图像(图5b)的对比，可以看出，融合图像比原始红外图像清晰、对比度增加、轮廓鲜明，且较好保留了细节信息。这表明将偏振图像进行HIS色彩融合可有效反映场景的强度和偏振信息，提高了图像质量和场景中目标的可识别性。

图5 HSI融合图像与原始红外图像

5 结论

本文首先介绍了热红外偏振探测目标的机理，然后利用热红外偏振成像系统采集了典型场景的偏振图像，并对图像中的偏振信息进行提取，最后采用基于HSI色彩变换的方法对偏振信息和强度信息进行了融合。结果表明：利用偏振信息可以获取场景中的细节，提高了目标的可探测性；将偏振信息和强度信息融合成一幅图像，有利于提高成像质量及远距离目标的探测与识别。

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