基于偏振激光辅助照明的ICCD探测技术研究

刘 宇，李旭东，刘 冰，茹志兵，张安锋，张晓亮

(1. 微光夜视技术重点实验室，陕西 西安 710065；2. 西安应用光学研究所，陕西 西安 710065)



基于偏振激光辅助照明的ICCD探测技术研究

刘 宇1,2，李旭东2，刘 冰2，茹志兵2，张安锋2，张晓亮2

(1. 微光夜视技术重点实验室，陕西 西安 710065；2. 西安应用光学研究所，陕西 西安 710065)

为了验证偏振激光辅助照明ICCD探测目标的可行性，I以偏振成像探测原理为基础，提出一套基于偏振激光辅助照明的ICCD探测系统。该系统采用808 nm人眼不可见偏振激光辅助照明，ICCD对后向散射激光进行检偏和光电信息转换，实现背景中目标的偏振成像探测。通过在野外环境中对该系统的探测能力进行实验测试，结果表明，在0°、45°和90°检偏角下，人造金属涂漆目标对照射偏振激光退偏小于10%；绿色背景对照射偏振激光退偏度约50%；沙土地面退偏度约30%，人造金属涂漆目标相对于自然背景随检偏角增大图像对比度也越大。

偏振激光；偏振度；ICCD探测

引言

光波的信息量非常丰富，包括振幅(光强)、频率(波长)、相位和偏振态，探测景物光波偏振态的成像技术就是偏振成像。偏振成像技术是近年来国外发展很快的一项新的成像技术，具有广泛的军用和民用前景[1-5]。偏振探测作为强度探测的有益补充，能够提供关于目标与背景的更多信息，近年来，国内外多个研究小组开展了偏振成像探测系统的设计研究[6-10]。自然界中的物质可以说都是起偏器，不同物体或同一物体的不同状态(例如粗糙度、含水量、构成材料的理化特征等)都会对照射偏振激光产生不同程度的退偏，由于偏振信息是不同于辐射的另一种表征事物的信息，相同辐射的被测物体可能有不同的偏振度，使用偏振手段可以在复杂的辐射背景下检出有用的信号，以成像方式显示隐蔽的军事目标，为此，本文设计了一套基于偏振激光辅助照明的ICCD探测系统对放置在背景中的仿军事目标体进行了探测。

1 偏振激光辅助照明成像探测原理

偏振激光辅助照明的ICCD探测技术主要基于目标对照射偏振激光的退偏原理。光照射到粗糙物体表面时，会发生散射现象。对于不同的材料表面，散射光的偏振态会发生不同的变化。

一束平面偏振光照射到物体表面上，表面沿后向(背向)产生的散射光不再保持完全的线偏振状态，而是产生一定程度的消偏振现象。对于表面粗糙度较大，漫射比较强的非金属自然材料，消偏振性比较明显；而对于表面比较规则的人工目标，消偏振比较弱，其后向散射光仍保持比较明显的偏振特性。

假定目标及背景由p方向偏振激光照射，经目标及背景消偏的后向散射光的2个偏振分量的光强度Ip和Is，退偏振度Dop定义[11]为

(1)

光的偏振态的描述通常采用Stokes矢量，探测器接收到的Stokes矢量[6]为

S=[I,Q,U,V]T

(2)

式中：I表示总的光强；Q表示水平线偏振分量与垂直线偏振分量之差；U表示45°线偏振分量与135°线偏振分量之差；V表示右旋圆偏振分量与左旋圆偏振分量之差。在可见光和近红外波段，非金属目标对照射辐射的反射光中圆偏振成分很少，可以认为V近似为0。因此，对于目标及背景的后向散射光，要完全确定其偏振状态，只需确定Stokes矢量中的I、Q和U 3个参量即可。I、Q 和U分量一般通过测量0°、45°和90° 3个偏振方向的光强后处理得到：

(3)

利用Stokes矢量定义可以计算得到目标及背景表面后向散射的偏振度P和偏振角θ：

(4)

为探测系统设计简单，成像探测系统中的检偏器拟选取0°，45°和90°。

2 偏振激光辅助照明成像系统设计与实验

2.1 系统组成及工作原理

图1为系统结构示意图，系统主要由激光辅助照明光源、探测器、供电电源及信息采集与处理器等组成。其中，激光辅助照明光源由808 nm人眼不可见偏振半导体激光器及光束整形器组成，主要功能是发射光功率密度均匀的照明激光；探测器由检偏器、光电阴极、微通道板(MCP)、倒像管、荧光屏、光锥及CCD等组成，主要是将激光辅助照明光源照射在图像场景上的后向散射光进行检偏和光电信息转换；供电电源由电池和直流电源分配模块组成，主要功能是给系统供电；信息采集及处理器主要功能是对探测器输出的光电转换信号进行采集和处理，清晰地分辨目标。

图1 基于偏振激光辅助照明ICCD探测系统结构示意图Fig.1 Schematic diagram of ICCD detection system based on polarized laser illumination

光束整形器将偏振半导体激光器向外辐射的人眼不可见红外激光均匀照射在场景上，由于场景中目标特性的不同，其对偏振照明激光的退偏程度也不尽相同。目标退偏后的后向散射激光经过检偏器检偏，被探测器中的光学系统聚焦照射在光电阴极上，光电阴极将接收到的光子图像变换为相应时空分布的光电子图像，MCP将光电子图像进行电子倍增，再经倒像管的倒像轰击荧光屏，此时，荧光屏显示图像即为目标或场景对照明激光退偏后的后向散射光图像，CCD接收荧光屏上的光信息，并被信息采集及处理器处理，形成可供人眼观察的目标及场景图像。

2.2 探测系统及实验结果

为验证探测方法的正确性，使用表1所示组件研制了图2所示的基于偏振激光辅助照明ICCD探测系统，选用图2所示的涂有军用绿漆的金属罩作为目标，在50 m的探测距离下，对检偏器旋转角分别为0°、45°和90°时进行野外探测试验。

表1 偏振激光辅助照明ICCD探测系统各部件主要参数

图2 基于偏振激光辅助照明ICCD探测系统野外探测实验Fig.2 Detecting experiment for polarization laser assistant illumination ICCD detection system in field

图3 检偏器分别旋转0°、45°和90°时探测器采集图像Fig.3 Detector output imaging at 0°、45° and 90° polarization angle respectively

从图3中可看出，涂敷军用绿漆的金属罩在0°和90°检偏角下光亮度变化明显，对照射激光几乎不退偏；绿色树叶背景在0°、45°和90°检偏角下光亮度几乎不变化，对照射激光退偏度达50%左右；沙土地面在0°、45°和90°检偏角下有些许变化，退偏度介于金属罩和绿色背景之间。

计算机采集到0°、45°和90°时的偏振态图像后，经过灰度变换，将其图像灰度值代入公式(3)，通过Matlab，得到如图4所示的(I，Q，U)参数图像。根据公式(4)得出θ偏振相位图像，偏振度图像中每个像点的灰度值仅与该像点的偏振度有关，不同材料表面、不同探测角的偏振度图像有明显的差异。

图4 解算Stokes参数图像Fig.4 Stokes parameter image by calculating

从图4中可以看出，采集的图像经过计算后，参数I、Q和U图像对比度比原图像对比度加强，自然目标和人造目标相比，退偏度明显，完全可对战场中的人造目标进行探测。

3 应用前景分析

从探测系统理论分析和实验结果可知，典型战场人工目标与自然背景所表现出来的对照射偏振激光退偏度不同的差别，说明目标偏振成像能够提高微光系统探测信噪比，识别一些伪装目标，可在侦察、监视和特种探测领域广泛应用，如：1) 探测隐藏或伪装的人工目标；2) 海面目标的探测和识别；3) 水下目标的探测和识别；4) 区分金属和绝缘体，或从引诱物中区分真实目标；5) 医学诊断，如癌症和烧伤诊断；6) 物体特征识别，如指纹识别；7) 检测材料的物理特性；8) 可与其他技术结合，如多光谱偏振成像。

4 结束语

本文对基于偏振激光辅助照明的ICCD探测系统的理论可行性进行了分析，为验证探测理论的可行性，研制了一套基于偏振激光辅助照明的ICCD探测原理性实验装置，在野外选取涂覆军用绿漆的人造目标、沙土道路，树木等目标进行了实验，实验结果表明：人造目标与自然目标(沙土或绿色植被)相比，人造目标对偏振照明激光退偏度小于10%，自然目标对偏振照明激光退偏度达50%左右，因此，采用偏振激光辅助照明ICCD探测成像技术能够提高人造目标和自然背景的对比度，使人造目标能够从自然背景中识别出来。这一特性使之可以应用在夜间搜救方面，或者对隐藏的、伪装的军事目标进行探测识别。

[1] Mo Chunhe, Duan Jin, Fu Qiang,et al. Review of polarization imaging technology for international military application(Ⅱ)[J]. Infrared Technology,2014,36(4): 265-271. 莫春和，段锦，付强,等. 国外偏振成像军事应用的研究进展(下)[J]. 红外技术,2014，36(4)：265-271.

[2] Nie Jinsong, Wang Zhen. Summarize of infrared polarization imaging detection technology[J]. Infrared Technology,2006,28(2): 63-67. 聂劲松，汪震. 红外偏振成像探测技术综述[J]. 红外技术,2006,28(2): 63-67.

[3] Pust N J, Shaw J A,Dahlberg A . Visible-NIR imaging polarimetry of painted metal serfaces viewed under a variably cloudy atmosphere[J].SPIE, 2008,6972:69720g: 1-9.

[4] Tyo J S, Goldstein D L, Chenault D B, et al. Review of passive imaging polarimetry for remote sensing applications[J]. Applied Optics, 2006,45(22):5453-5469.

[5] Yang Zhiwen. Measurement and achievement of polarimetric spectrum[J]. Chinese Journal of Spectroscopy Laboratory,2003, 20(8):815-820. 杨之文.偏振光谱的测量及研究进展[J]. 光谱实验室,2003，20(8)：815-820.

[6] Zhang Xuguo, Jiang Yuesong, Zhao Yiming. Application of polarimetric imaging in target detection[J]. Opto-Electronic Engineering,2008, 35(12):56-60. 张绪国，江月松，赵一鸣.偏振成像在目标探测中的应用[J]. 光电工程，2008，35(12)：59-60.

[7] Zhao Jizhi, Jiang Yuesong, Lu Xiaomei et al. Polarized laser backscattering of atmospheric clouds distribution[J]. Journal of Applied Opitcs, 2011,32(5): 1037-1043. 赵继芝，江月松，路小梅,等. 大气云层分布的偏振激光后向散射研究[J]. 应用光学,2011,32(5): 1037-1043.

[8] Hu Fangrong, Xiong Xianming, Dong Tingjian. Target detection and identification based on linear polarization laser active imaging[J]. Laser & Infrared,2007, 37(2): 108-110. 胡放荣，熊显明，董挺进. 基于偏振激光主动成像的目标探测与识别[J]. 激光与红外,2007,37(2): 108-110.

[9] Wang Jun, Ding Na, Li Jianjun,et al. Infrared polarization imaging: detection and recognition of camouflage target[J]. Journal of Applied Opitcs, 2012,33(3): 441-445. 王军，丁娜，李建军,等. 红外偏振成像对伪装目标的探测识别研究[J]. 应用光学，2012，33(3)：441-445.

[10] Cornell S, Chun L, Firooza S. Target recognition study using polarimetric laser radar[J]. SPIE,2001,5426:274-284.

[11] Dong Haiqian, Yu Guoping, Peng Qianhua. Target measurement of polarimetric characteristic[J]. Wuhan University:Nat.Sci.Ed., 2006,52,(S1):198-202. 董汉钱，于国萍，彭钦华. 基于偏振特征的目标检测[J]. 武汉大学学报:理学版, 2006,52(S1):198-202.

ICCD detection technology based on polarization laser assistant illumination

Liu Yu1,2, Li Xudong2, Liu Bing2, Ru Zhibing2, Zhang Anfeng2, Zhang Xiaoliang2

(1.Key Lab of Science and Technology on Low-Light-Level Night Vision Laboratoy, Xi’an 710065, China;2. Xi’an Institude of Applied Optics, Xi’an 710065, China)

In order to validate the feasibility that the intensified charge-coupled device (ICCD) detect target by polarization laser assistant illumination, a polarization laser assistant illumination ICCD detection system was manufactured by polarization imaging detection technology. The system adopted an 808 nm semiconductor laser as illumination source to illuminate target, which wasn’t detected by human-eye, and the ICCD polarization detection system was used as electric-optic conversion module to detect target, and finally achieved the target detection on background. An experiment was designed to validate the result of the polarization imaging detection in the field environment. The result shows that the man-made-metal-target depolarization is almost 10%, and the green-background-target depolarization is 50%, and the sand-target depolarization is almost 30% 0° at 45°, and 90° polarization angle. The imaging contrast for the man-made target and the natural background is improved as the polarization angle enlarging.

polarization laser; polarization degree; ICCD detection

1002-2082(2015)02-0300-05

2014-07-31；

2014-10-15

微光夜视技术国防科技重点实验室资助项目(J20112510)

刘宇(1965-)，男，湖北荆州人，博导，研究员，主要从事光电系统技术研究工作。E-mail:e-liuyu@sohu.com

TN249

A

10.5768/JAO201536.0207001