伪装目标与背景的偏振对比特性

为解决传统光强探测手段难以有效探测和识别伪装目标这一难题,基于偏振探测技术搭建了光谱偏振探测成像系统,利用该系统在位于442.0,545.5,670.5,850.5 nm的窄波段对典型草地、土壤背景下的某型深绿色和土黄色伪装涂层进行了光谱偏振探测实验研究。并通过编制的图像处理软件对测试结果进行处理分析以提取其中的偏振信息,获得了目标与背景偏振度和偏振对比度随探测波长和探测角的变化规律。研究结果表明,合理地选择偏振成像探测条件可以使伪装涂层与背景之间存在较大的偏振对比度,可以实现对传统伪装涂层涂覆的目标的有效探测和识别。     

基于偏振特性对石英玻璃和绿漆涂层的反演

物质的偏振特性与其复折射率、表面粗糙度以及观测几何条件有关,为了应用偏振探测技术实现对目标的定量反演,本文首先对两种典型目标(绿漆涂层和石英玻璃)的偏振特性进行了实验测定,并对偏振度与探测天顶角的关系进行了分析。利用实验数据并基于描述目标偏振特性的PG模型首次在考虑了粗糙度的影响下,对目标的折射率、消光系数进行了定量反演,最后将反演结果与参考结果进行比较。结果表明,石英玻璃的折射率相对误差为4.944 9%,绿漆涂层的折射率与消光系数的相对误差分别为11%和21.558 9%。该方法在考虑表面粗糙度的条件下能够更精确地测定物质的复折射率,同时也为偏振技术应用于目标定量反演提供了依据。     

基于遗传LM算法的涂层目标光谱偏振BRDF建模分析

通过比较测量方法测量得到绿漆涂层木板探测目标在400～720 nm的光谱偏振二向反射分布函数值,从获得的户外试验测量数据入手,分析与探测角、波长之间的关系,通过有限探测条件得到的光谱偏振二向反射分布函数值(BRDF)建立光谱偏振BRDF模型,来描述探测目标的偏振二向反射特性。其中利用基于小面元的模型建立光谱偏振BRDF模型,利用遗传算法和Levenberg-Marquardt(LM)算法相结合的优化算法来获得非线性模型参数。仿真实验结果表明采用的遗传LM优化算法具有较好的性能,能较快较准确得到非线性的模型参数。真实实验数据证明了基于小面元模型的正确性,表明光谱偏振二向反射分布函数建模方法结果的可靠性。最后与绿漆涂层铁板目标的模型反演参数进行比较得出：2种不同材质、相同颜色涂层的目标,具有较为接近的折射率,其较小差别可以理解为由涂层的厚度、均匀程度的不同导致,而非不同的材质所引起。     

微粗糙基底上多层涂层光散射偏振建模与特性研究

为满足多层涂层目标的偏振探测需求,基于一阶矢量扰动理论,结合偏振传输矩阵,建立微粗糙基底上多层涂层的光散射偏振双向反射分布函数模型,研究多因素影响下两种典型涂层目标,单层减反射涂层和多层高反射涂层的光散射偏振特性,结果表明单层减反射涂层目标的偏振度受观测位置影响,峰值左侧的偏振度较之裸基底增大,右侧反之,探测不同观测角下的偏振度可区分无涂层和涂层目标。不同观测角和入射波长下,多层高反射涂层目标的偏振度与涂层层数和涂层光学厚度显著相关,层数增加,多层涂层在镜反射附近具有去偏作用。仿真结果符合测量数据,验证了多涂层目标散射偏振模型的正确性与合理性,为实现多涂层目标偏振探测和反射隐身技术提供理论依据。     

伪装涂层材料的二向偏振散射研究

目标的偏振散射特征研究是偏振遥感应用的基础。在不同的条件下测量了伪装涂层的偏振参数,研究了入射角、观测方位角对涂层偏振散射特征的影响。研究发现,伪装涂层的面散射会产生较大的偏振度,而体散射具有消偏振效应;深色涂层因为面散射起主要作用而具有较大的偏振度;涂层散射光的偏振度与入射角成正比,在观测方位角接近镜面反射方向时最大,随着方位角的增加而迅速减小;草地的偏振度很小,与伪装涂层形成鲜明对比。利用偏振遥感可以有效地识别草地背景中的伪装目标,偏振测量在遥感和目标识别方面具有重要意义。     

目标表面发射率对红外辐射偏振特性的影响分析

偏振探测不仅可以获得目标的光谱、强度、偏振态以及空间几何形状等参数,还可以获得更丰富的目标信息,有利于改善对目标的探测和识别能力。红外辐射偏振成像是近年来发展起来的一种新的红外探测技术,主要通过目标与场景的红外辐射偏振特性差异进行目标探测与识别。但由于红外辐射偏振信息在传输过程中,其偏振态会受到传输介质的影响,而通常基于实验分析总结目标红外偏振特性的方法难以对偏振传输过程中的影响因素进行估计,也不能定量描述各相关参数对于红外偏振信息的影响。通过微面元理论的双向反射分布函数模型,建立了基于偏振双向反射分布函数的红外辐射偏振传输方程, 推导分析了目标表面发射率对红外辐射偏振度的影响,结果表明：目标表面发射率对目标红外偏振度影响可以忽略;在理论分析基础上,有针对性的开展红外光谱偏振探测试验,试验数据分析与理论推导结论吻合。这表明：材料表面发射率的变化不影响目标表面的红外辐射偏振度。该研究成果有利于提高红外伪装探测的目标识别效率,可为进一步提高红外偏振成像系统的伪装目标探测提供新的途径和方法,如在伪装目标探测识别中,通过探测其表面的红外辐射偏振特性的改变实现伪装目标识别探测。     

基于偏振菲涅尔反射比分布的主动偏振成像目标辨别方法

由于偏振特性是材料自身所决定的物理特性,其偏振图像含有丰富的目标信息,利用偏振信息对目标进行识别一直是国内外目标探测领域的研究热点,而主动偏振成像较之被动偏振成像更具有信噪比高以及可控性好等优势。在详细分析了偏振菲涅尔反射比分布的理论基础上,提出了一种利用探测物体表面的偏振菲涅尔反射比的主动偏振成像方法。该方法在发射端将偏振方向正交的两种偏振态的光源交替照射到目标场景中,在探测端用分别装有两个偏振方向垂直的偏振片的CCD采集偏振图像。同时,将探测端架构在不同的探测方向采集目标经主动光源照射后的偏振数据,最后将这些数据传输到计算中心,通过最优化拟合技术反演出不同目标的光学常数,由于不同目标的表面材质不同,其反映出的光学常数就不同,从而达到辨识不同材质目标的目的。实验分别采用了仿真数据和实测数据来验证该方法的有效性。仿真实验显示,所提出的方法利用材料的光学常数对不同材料进行区分不仅是科学的而且更方便有效。实测数据进一步验证了该方法能够较好的恢复出目标的相关光学常数,尤其在区分金属和非金属材料方面表现突出,并且探测方法结构简单实用,在目标探测、伪装识别等领域中有较大应用前景。     

偏振光谱的土壤湿度遥感方法实验研究

偏振探测作为一种新型遥感技术,是对传统光谱遥感探测的有益补充,为目标遥感探测提供更丰富的信息。用地物偏振光谱仪实验测量,分析土壤湿度与偏振光谱的相关性,同时研究不同观测角下的土壤表面反射光偏振光谱特性。结果表明：在土壤湿度较高的情况下,偏振光谱与土壤湿度具有一定的相关性,尤其在500～700 nm波段,湿度与偏振度呈正比关系;低湿度的情况下,偏振光谱与土壤湿度相关性不明显;此外,不同观测角对偏振光谱也有影响,如入射角固定为50°,观测角在20°～60°区间测量时,偏振度随观测角增大而增大,且观测角愈大,偏振度随湿度的变化愈显著。     

基于偏振光成像的材质分类研究

为了降低偏振光成像技术的使用要求,提出了一种环境光照明条件下研究材质分类的方法。根据菲涅耳反射定律,目标表面的反射光带有偏振成份,采用偏振成像探测偏振角得到探测器与反射面的方位角,对偏振片的4个方向强度进行补偿得到被测表面对应的水平与垂直偏振度,通过测量反射光的反射偏振度与反射率比可以分类出目标材质。对橡胶板和金属铝板两种不同材质目标的反射偏振度与反射率比进行了仿真模拟与实验研究,研究结果表明金属与非金属在一定观测角度范围内存在明显的反射率比差异,采用菲涅耳反射率比作为衡量依据可以更有效区分金属与非金属目标。     

基于涂层材料散射光偏振度的复折射率反演

基于微面元P-G模型,结合涂层材料的表面特征,对半经验遮蔽函数进行了改进,推导了一种基于散射光偏振度反演复折射率的方法,开展了中绿涂层材料偏振散射实验,讨论了相关参量对偏振度和反演误差的影响。研究表明,入射角对偏振度和反演误差的影响较大,其次为折射率实部、虚部和探测角;反演结果能客观地反映涂层材料的复折射率,反演误差小于2%,可作为一种涂层材料复折射率反演的新方法,在目标识别领域有着重要的应用价值。     

基于红外偏振特性的空间目标探测可行性探讨

红外偏振特性及其变化规律能够表征空间目标的表面信息与状态信息。结合当前偏振探测的最新进展,分析了基于红外偏振特性对空间目标进行探测的思路与可行性。由于空间目标偏振特性会随空间目标特定的材料以及运动轨道不同而存在差异,因此红外偏振探测技术可以为空间目标的探测和识别提供更多的依据。通过对空间目标常用的不同材料、同一材料不同表面状态以及在不同观测角下偏振特性的分析,得出光滑钢板红外平均偏振度是粗糙钢板的1.3倍左右。     

基于最大和最小光强图像的偏振去雾方法

相对于传统光学探测技术,偏振探测在目标探测、识别方面有着独特的优势。针对雾、霾等天气下图像退化的问题,提出一种利用偏振信息的图像去雾方法,通过获取3个角度下目标的偏振图像,求解出场景目标的斯托克斯矢量,从斯托克斯矢量与穆勒矩阵的关系出发,分析偏振图像光强随着偏振角度的变化规律,获取最大和最小光强下的正交偏振图像,利用偏振滤波和亮通道先验方法分别估算大气光偏振度和其无穷远处大气光强值,最终重构出无雾图像。实验结果表明,在雾霾天气下,利用获取的正交偏振图像能够重构出清晰的图像,且重构图像的平均梯度和边缘强度均提升了约3倍,灰度标准差提升了约88%。     

物光的偏振性对全息记录质量的影响

通过对菲涅耳三维漫反射全息记录光路中物光与参考光偏振状态的实验检测，发现线偏振的激光被不同表面材料的物体散射和漫反射后变成“部分偏振光”，几乎所有目标物都有显著的消偏振现象，全息干板上实际记录的是线偏振的参考光与“部分偏振”的物光形成的相干度较低的干涉条纹。物光偏振度的大幅度下降影响干涉条纹的衬比度，并增加全息图的噪声。给出实验方案和检测光路，采用在参考光路中插入1/4波片的方法，可充分利用非偏振物光各个振动方向的光能，提高条纹的衬比度。     

不同材质的偏振成像特性实验研究

偏振成像具有很多强度成像所不具备的优势,在某种特定背景下能够更加突显目标,是研究地表、大气等领域的良好辅助手段。在红（670 nm）、绿（530 nm）、蓝（450 nm）这3种比较典型的可见光波段下,采用旋转偏振片求取斯托克斯矢量的方法,分别对草地,石板,沥青地面,玻璃,橡胶和铁板6种材质做了偏振特性成像实验,并对它们的偏振度以及偏振度对比度进行了详细分析。实验结果表明,在某种背景下,目标的某些部分在强度成像中不易观测到,而偏振图像具有足够的亮度信息,包含了丰富的细节信息,更加易于人眼识别;另外,偏振成像特性与目标材质、观测时刻、成像波段均有较大关系。     

水下目标物偏振成像特性研究

偏振图像比传统强度图像包含更丰富的物体表面反射及散射信息。用萨尔萨(SALSA)相机在自然光照下获取水下偏振图像，研究不同材质物体、放置深度、牛奶浓度及波段因素对水下目标物偏振成像的影响。结果表明:蓝色波段偏振成像能够较好地获取水下物体的边界轮廓等信息; 不同材质的目标物在水下呈现不同的偏振特性, 紫铜偏振度最高达0.69;在1.40 mg/L牛奶浑浊度的水下，偏振图像仍能通过比较目标物的偏振度(degree of polarization，DOP)信息来检测出水下目标物，瓷片的DOP仅降低0.31;此外，在水下约40 cm深度下，偏振成像获取的图像比强度图像轮廓更为清晰，如铁的偏振对比度比强度对比度高5.26%。     

非球形粒子散射光的去偏振特性研究

目标对入射偏振光的散射特性反映了目标的属性信息。在Rayleigh散射理论的基础上，通过单层非球形粒子对入射偏振光的散射数学模型，应用矢量传输方程来计算非球形粒子散射的Mueller矩阵元，求解散射介质的偏振度，讨论在不同介质层厚度、粒子半径和探测角的条件下，非球形粒子散射光去偏振度的变化特性，给出了模拟仿真结果。该方法为研究目标的内部结构、厚度和粗糙度等特征以及目标的探测和识别提供了一种新的途径。     

高性能涂层材料La2Zr2O7的反射偏振光谱特性

稀土锆酸盐(RE₂Zr₂O₇, RE为稀土元素)体系材料具有热导率低、高温相结构稳定、抗化学腐蚀和价格相对低廉等优势,近年来在热障涂层、环境障涂层和核防护涂层等领域得到广泛而深入的应用,获得了广泛关注。然而,目前对该涂层材料的研究主要还是集中在热学、力学及电学性能等,对光学性能特别是反射光的偏振特性研究则鲜见报道。以锆酸镧(La₂Zr₂O₇)为代表,系统研究了稀土锆酸盐光学偏振特性,特别分析了材料表面属性与光学偏振特性的对应关系。实验中利用固相反应法分别合成制备了La₂Zr₂O₇粉体和致密块体材料,并利用XRD(X-ray diffraction), Raman spectra和SEM (scanning electron microscope)等分析表征其微观结构,结果显示制备的La₂Zr₂O₇材料为立方焦绿石相结构。在光学性能分析中,分别用自然光和线偏振光作为探测光源,在不同探测角下研究其反射光偏振特性。研究表明,对于自然光入射,La₂Zr₂O₇块体和粉体材料的线偏振度（DOLP）与入射光波长呈现显著的依赖关系,随着波长的增加,DOLP呈现出先增大后减小的趋势。值得注意的是在红外波段,DOLP迅速降低并接近于0,表明该材料在红外波段表现出良好的偏振隐身特性。研究还发现,在自然光入射时,致密块体材料的DOLP分别在波长~720和~773 nm出现极大值,且峰值波长对探测角度不敏感,粉体材料在~714和~774 nm附近也出现两个峰。在线偏振光入射,块体材料在大角度探测角下,DOLP在~720和~763 nm出现两个峰,与自然光入射光不同的是,同一个探测角下两个峰的峰值大小基本相同,粉体材料则在~720和~755 nm附近出现两个峰,且峰值强度减弱,说明涂层材料的粗糙度对反射光的偏振特性有一定影响,研究进一步显示,两个峰值对应的波长与探测角无显著依赖关系。本研究结果为稀土锆酸盐涂层材料的偏振光谱学的开发、应用和设计提供理论和实验支撑。     

光的偏振性对Hanbury Brown-Twiss实验的影响

在理论和实验上研究了完全偏振光的不同偏振态和光的偏振度对Hanbury Brown-Twiss实验二阶关联函数g(2)的影响.实验中用线偏振光通过1/4波片获得椭圆偏振光,并通过旋转波片实现对完全偏振光偏振态的改变;用两柬振动方向相互垂直,传播方向相同且相位差随机的线偏振光合成部分偏振光,并通过调节一束光的光强实现对合成光偏振度的改变.结果表明:对于完全偏振光,其偏振态的改变对g(2)没有影响;对于不同偏振度P的光源,g(2)为P的二次函数.特殊地,自然光情况下P=0,g(2)的理论最大值为1.5;完全偏振光情况下P=1,g(2)的理论最大值为2.理论与实验符合得较好.     

基于RSP的植被多角度偏振特性研究

偏振探测能够获取新的反应目标属性的信息。相对于传统遥感观测,多角度偏振信息具有更稳定的相关性和规律性。植被是地表最典型的地物之一,利用光与植被相互作用后表现出的偏振特性可以进行植被相关性质研究。RSP（research scanning polarimeter）是美国研制的星载偏振遥感探测器APS(aerosol polarimetery sensor)的原型样机,提供有九个光谱偏振通道,通过对航空飞行试验获取的扫描偏振数据预处理得到的稳定的多角度、多波段偏振探测信息分析,可以得到植被的光学特性和微物理特性。以植被密集区、植被稀疏区（接近裸地）为研究对象,根据仪器飞行时姿态信息进行配准,对比分析了可见光波段和近红外波段在-30°和65°观测天顶角下的强度反射特性和偏振反射特性。结果表明,植被密集区和植被稀疏区在不同的观测角度均表现出规律的偏振度特性,偏振反射在接近热点区域能量小,相比于常规强度反射在接近热点区域反射能量大,可有效防止因反射能量过强影响探测器的稳定性,根据在可见光波段植被密集区偏振度高于植被稀疏区,在近红外波段植被密集区偏振度低于植被稀疏区的反射特性,说明探测器在研究区域的植被密集区接收的可见光波段信号以单次散射为主而在近红外波段以多次散射为主。