紅外偏振成像

紅外偏振成像是紅外探測成像科學中的一個全新領域。它將可見光中的偏振成像技術引入到紅外領域，為紅外探測和紅外圖像處理提供了新的思路和方法。本文主要通過查閱文獻資料，了解有關紅外偏振成像的原理、紅外偏振成像相對于傳統紅外成像的優點，紅外偏振成像的系統等。

?如今紅外探測的精度和靈敏度越來越高，可以探測的目標溫差越來越小，但是，由于雜亂背景信號的限制，目標發現和識別的概率卻仍不是很高。使用偽裝技術，在目標物周圍放置溫度相同的噪聲源，那么現有的紅外熱像儀就無法進行識別了。如何解決這一問題，就是將偏振成像引入紅外領域的目的。

不同物體或同一物體的不同狀態會產生不同的偏振狀態，形成不同的偏振光譜。傳統紅外技術測量的是物體的輻射的強度，而偏振測量的是物體輻射在不同偏振方向上的對比度，因此它能夠將輻射強度相同而偏振性不同的物體區別開來。

紅外偏振成像技術優勢

（1）紅外偏振測量無需準確的輻射量校準就可以達到相當高的精度，因為偏振度是輻射值的比值。而紅外測量系統的定標對于紅外系統的測量準確度至關重要。紅外器件的老化、光電轉換設備的老化、電子線路的噪聲甚至環境溫度、濕度的變化都會影響到紅外系統。

（2）根據調研國外公開發表的文獻的數據說明，其中自然環境中地物背景的紅外偏振度非常小（＜1.5%），只有水體體現出較強的偏振特性，其偏振度一般在8%～10%。而金屬材料目標的紅外偏振度相對較大，達到了2%～7%，因此以金屬材料為主體的車輛的偏振度和地物背景的偏振度差別也較大。兩物體偏振度值差別達到1%，成偏振圖像后我們就能夠很好地分辨出兩物體之間的差異。所以利用紅外偏振成像技術識別地物背景中的車輛目標具有明顯的優勢。

（3）軍事中經常使用偽裝涂料對目標進行偽裝，噴涂了紅外偽裝漆的金屬板的發射率會改變。輻射率比較低的熱紅外偽裝漆可以使目標在紅外輻射強度圖中有較低的灰度值，與普通材料相比，偽裝涂料能有效地減弱目標的紅外特征，達到紅外波段偽裝目標的目的。然而經過偽裝的目標板的偏振度沒有隨發射率的變化而有較大改變，改變金屬板發射率的偽裝方法對半的偏振度的影響比較小。因此在偏振圖像中經過偽裝的目標失去了偽裝效果而很容易被發現。

偏振理論

當一束光在兩種介質的界面上反射和折射時，反射光和折射光的偏振方向會發生改變。振動的方向要根據光的電磁理論，有電磁場的邊界條件決定。

由菲涅爾公式可以知道，當光以除0°和90°外的任何角度入射時，反射光中電矢量的平行分量總是小于電矢量的垂直分量值。這兩個分量值的不同，引起了反射波部分偏振。

偏振光的偏振程度可以由偏振度P來表示

為偏振光沿某一方向上所具有的能量最大值，為在其垂直方向上具有的能量最小值。

斯托克斯表示法

斯托克斯表示法是目前最常用的偏振度的表示方法，它既可以將關于偏振的所有信息很好的表達出來，斯托克斯指出，一束光的偏振狀態可以由四個參數I、Q、U、V完全描述，這組參數稱為斯托克斯參數。每個斯托克斯參數都可用光強表示，因此可以直接測量。

Ex(t)、Ey(t)和δ(t)表示電場在x、y垂直方向上的振幅和相位。<v>的含義是求v的時間平均值。

若用光強來表示則為：

Io為光波的總強度，I0、I90、I+45、I-45、Ir?、I1分別表示置放在光波傳播路徑上一理想偏振片在0°、90°、+45°、-45°方向上的線偏振光以及左旋（l）和右旋（r）圓偏振光強。

I?表示光波的總強度，因而總是正的。Q表示x方向與y方向上的線偏振光的強度差，根據x方向占優勢、y方向占優勢或是一樣，Q取值正、負或零。U表示+1/4π方向與-1/4π方向上的線偏振光的強度差，根據+1/4π方向占優勢、-1/4π方向占優勢或是一樣，U取值正、負或零。V表示右旋還是左旋圓偏振分量占優勢，根據右旋方向占優勢、左旋方向占優勢或是一樣，V取值正、負或零。

在自然界大氣背景及目標物對太陽入射的偏振效應中，圓偏振的分量極少，圓偏振分量在儀器可以檢測的范圍內很小，相對于儀器的誤差來說可以忽略，故通常假定V=0。因而,要完全確定一束光線的偏振狀態，還需要三個獨立數來確定I、Q、U這三個參量。

偏振度用斯托克斯參數來表示就是：

測量系統的結構

圖1?紅外偏振成像系統結構框圖

圖2?偏振測量原理圖

偏振器的設計，根據測量方法的不同，其設計結構也不同。一般的斯托克斯參量的測量方法有兩類，一類是偏振光調制法，這種方法是在待測光路中引入起偏器和相位延遲器，如（圖2）并對它進行調制，通過測量調制光強求得斯托克斯參量；另一類則是采用分波前或分振幅的方法，把待測光束分為四束，用四個光探測器，同時完成對某一瞬時各斯托克斯參量的測量。

第二種方法需要四個探測器，而如今高質量的紅外探測器成本很高，所以不宜采用。

第一種方法根據延遲器的不同也可分為兩類。一類是通過旋轉波片來調節相位的，這就需要給偏振系統加一個機械傳動裝置，比較麻煩。為了盡量避免加入機械裝置，力求儀器的簡潔高效，使用電光效應來控制相位就比較理想了。這樣只需調節電壓的大小，就能控制相位變化了。

偏振測量對圖像的影響

由于漫反射的原因，一般自然物不顯示出偏振特性或者顯示出很小的偏振特性（在這里忽略不計），而一般的人造物體，在特定的角度下能夠顯示出很強的偏振特性。假設車輛在垂直方向具有52%的偏振度，水平方向的偏振度為0，而自然光（在這里指不帶有偏振特性的紅外光）經過偏振器的透過率為50%。將這些直接反映到灰度值上面，就是自然光經過偏振器后將會有50%的衰減，而偏振光透過偏振片的主透過率為80%。所以在垂直方向上經過偏振器后車輛目標的灰度值為：

而在水平方向上的灰度值為

其他背景的灰度值為50%I

經過偏振器后，雖然圖像總的灰度值降低了，但是車輛和背景的灰度值差加大了，這使得原圖中不易提取得車身的輪廓明顯了，車身和背景可以很輕易的辨別出來。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的红外偏振成像的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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