偏振成像技术在各领域的应用

高明慧　赫美琳

摘 要：偏振成像技术是在近些年发展起来的一种技术，因其所采用的依靠获取物体光波偏振态的成像技术与原来采用的光强度成像相比更为先进，应用领域更为广阔，经过这些年的发展，已经在很多的领域都得到了广泛的应用。文章将就偏振成像的原理以及其在目标探测中的应用进行阐述。

关键词：激光遥感；偏振成像；目标探测

前言

偏振遥感是一种新兴的对地探测手段与技术，其在农业、林业、气象、海洋、生态等领域都有着广泛的应用，通过偏振遥感测量得到的是目标的偏振态信息，除能得到常规遥感测量的辐射量数据外，还能得到与目标的本征特性有关的偏振度差异，从而可以在一定程度上把目标的本质差异“强化”出来，提取常规遥感方法不易得到的信息，因此可以进一步提高目标探测和地物识别的精度。文章将就偏振成像的原理以及其在目标探测中的应用进行阐述。

1 偏振成像简介

光是一种电磁波，电磁波是横波。而振动方向和光波前进方向构成的平面叫做振动面，光的振动面只限于某一固定方向的，叫做平面偏振光或线偏振光。振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振，它是横波区别于其他纵波的一个最明显的标志，只有横波才有偏振现象。偏振光的分类：线偏振光、部分偏振光、椭圆偏振光和圆偏振光。偏振光与目标发生相互作用后的散射光中会包含由目标自身特性所决定的偏振信息，偏振信息是一种独特的信息，它与我们传统探测得到的信息不同，由于这种偏振信息是目标自身特性所决定的，因此，我们通过收集偏振光中的信息就可以对所需测量的目标信息有着清晰的认识。而以上这一通过收集目标光波偏振态进而成像的技术就是偏振成像。偏振成像以其特有的优势迄今已经得到了广泛的应用。通常情况下，人的视觉系统对光的强度特征和波长特征都比较敏感，但对于同样是光的基本特征的偏振特征是无法感知的，因此在传统的图像处理、分析、理解过程中所使用的技术都是基于光的强度特征和波长特征所提供的信息，这就使得现用的图像处理、分析以及理解算法很复杂，只能进行一些初步的判断，但是对于图像中目标的一些本质特性（如目标的材质、目标的细节特征等）难以做出正确的理解。但是通过研究偏振光与物质的相互作用，找出它们的规律，就可以以此来检测物质的固有属性，同时可以利用对各向均匀的物质施加外界作用（电场、磁场、外力等）使之呈现出一定的偏振特性，通过检测这些偏振特性，以达到检测这些外界作用的属性。由于物质的固有属性，并且这些固有属性与偏振光相互作用有以下特性：旋光性，晶体、液体和液晶的光电效应，光测弹性效应等，利用以上这些特性可以实现偏振探测的具体应用。

2 偏振遥感的优势

利用偏振光来照射被测物质，经被测物质与偏振光的相互作用后偏振光的偏振信息将按规律产生相应的变化，通过检测这种偏振信息的变化来实现测量该被测物的属性，是偏振探测的物理基础。相较与可见光和近红外遥感技术以及雷达遥感技术经过了几十年的应用，偏振遥感在应用方面只是刚学步的婴儿，但是其所代表则是在未来空间遥感技术遥感探测的发展趋势。像可见光和近紅外遥感技术以及雷达遥感技术一般是通过收集目标对于发出电磁波的反射辐射或者是目标自身所发出的辐射强度来对目标进行探测，而对收集来的偏振信号则作为杂波进行清除。偏振遥感相较于可见光和近红外遥感技术以及雷达遥感技术等传统技术，可以测量一些普通光度学无法测量的一些数据。其对于目标的偏振测量精度可以达到很高的测量精度，同时，在得到偏振测量结果的同时，还可以得到地物辐射测量数据。偏振测量可以给出来自目标的光波偏振度、偏振角、偏振椭率和辐射率的测量值。偏振测量的准确度比辐射率测量的准确度要高偏振遥感已经受到人们的极大关注。

偏振遥感技术具有以下特性：（1）偏振测量除能得到常规遥感测量的辐射量数据外，还能得到与目标的本征特性有关的偏振度差异，从而可以在一定程度上把目标的本质差异“强化”出来，提取常规遥感方法不易得到的信息，因此可以进一步提高目标探测和地物识别的精度。（2）实现简单，花费低。在常规遥感探测设备上加装偏振组件即可实现偏振测量，仪器研制周期短。

在机器视觉的应用上，偏振成像具有其独特性。其系统主要组成包括三个技术环节，偏振成像系统主要有三个技术环节组成，具体有对光波偏振态进行分解、扫描、编码（角度）。继而在获取图像后进行处理增强，并进一步处理、融合，形成可视化图像。最后从获得图像中获取需要了解的信息，对被测目标进行了解。

受到环境因素影响，光强强度成像精度会受到影响，若环境恶劣，或者光强度过于弱，成像就会具有一定的困难度。而偏振成像技术却可以在恶劣的环境下进行远距离的图像获取操作，在抑制背景噪声、提高探测距离、细节特征获取以及目标伪装识别等方面具有绝对优势。因此，其具有非常广泛的应用，例如：可探测隐藏或伪装的目标；可实现海面以及水下目标的探测和识别；可实现烟雾气候环境条件下的导航；有效区分金属和绝缘体或是从引诱物中区分真实目标；可进行癌症、烧伤等医学诊断；可对物体特征（如指纹等）进行识别；可实现星载或机载遥感；可与其它技术相结合，如多光谱偏振红外成像、超光谱偏振红外成像等。

3 偏振成像技术的应用及展望

偏振成像遥感在现今很多领域都得到了广泛的应用，例如：农业：不同种类农作物种植面积监测、作物长势监测、大面积农作物病虫害监测等。林业：林业资源规划调查、森林病虫害监测、森林长势监测、森林覆盖率监测、森林火灾监测等。气象：洪涝灾害监测（洪水面积、成灾面积、作物绝收面积）、冰雹灾害监测、云和气溶胶探测等。海洋：海洋赤潮监测（面积、赤潮的消长趋势）、近海海域污染物的监测等。生态：土地利用现状监测、土壤沙漠化监测、土壤侵蚀监测、水质污染动态监测等。偏振成像的应用与展望如下：目前，超光谱空间分辨率的偏振成像仪也已开始研制，并已经取得了阶段性的成果：（1）应用偏振成像技术可以对地球表面进行精确地探测，从偏振探测的原理及大量实验的数据表面，地球上的不同种类、不同地物在偏振成像中都会有其特殊的图像，从地表中普遍存在的岩石、矿物、土壤等甚至是生长其上的植物都会由于其叶茎对于偏振波产生的不同的回波信号而在偏振图像中有所反应，因此，偏振遥感技术在地物的探测中能够准确地识别和区分地形的类型。（2）偏振成像技术在导弹的飞行安全保障中发挥着重要的作用，通过对导弹在着弹区域内卷云和其他云层进行探测，先出合适的发射路径避开卷云和其他云层等容易对导弹飞行安全造成影响的区域，保障导弹和其他飞行器的飞行安全。（3）偏振成像技术在导弹制导方面也可发挥着重要作用，通过采用偏振成像技术可以避免大气气溶胶对于传统的光电探测系统的影响，进而在导弹制导，保障导弹的精确性方面发挥重要作用。（4）原有的探测技术在探测浑浊介质中探测目标是一项比较困难的事情，由于浑浊介质通过吸收和散射导致光的穿透力明显下降，进而对于传统的光探测的探测距离会产生重要的影响。而通过偏振成像技术则可以很好地规避这些问题。

4 结束语

文章对偏振成像的原理及其在各项领域的应用进行了介绍，着重突出了偏振成像技术在遥感领域中的应用。

参考文献

[1]孙晓兵，乔延利，洪津，等.人工目标偏振特征实验研究[J].高技术通讯，2003.

[2]赵永强.成像偏振光谱遥感及应用[M].国防工业出版社，2012.

[3]聂劲松，汪震.红外偏振成像探测技术综述[J].红外技术，2006.