偏振成像探测技术发展现状及关键技术

考虑偏振成像探测技术在目标探测中具有独特优势,本文介绍了偏振成像探测技术的概念,概括了国外偏振成像探测技术的研究历程和发展现状。基于上述描述,针对偏振成像探测的关键技术进行了深入的讨论,包括目标偏振特性、信道环境下的偏振传输特性和偏振成像目标全偏振图像的获取等。最后总结了该研究领域存在的主要问题,归纳了偏振成像探测技术的发展趋势。     

利用偏振干涉成像光谱仪进行偏振探测的新方法

以往对干涉成像光谱仪的研究通常仅限于对光的干涉特性的利用,即由目标干涉图得到其光谱图,而忽略了其丰富的偏振信息.为了在利用光的干涉特性的同时还充分利用光的偏振特性,在原有偏振干涉成像光谱仪的基础上,结合现有的干涉成像光谱技术与偏振探测原理,提出了一种利用现有偏振干涉成像光谱仪获取探测目标的偏振参数(偏振度、偏振方位角等)的新方法,并对其精度误差进行了理论分析,证明了其不但具有较高的稳定性而且具有极高的测量精度.因此,若把以往的偏振干涉成像光谱仪看作是照相机与光谱仪功能的结合,则现在可以将之理解为成像仪、光 关键词： 偏振探测 偏振干涉成像光谱仪 Stokes参量 Savart偏光镜     

偏振-微光一体化EMCCD相机的设计与开发

多维度的信息获取是微光夜视探测技术未来的发展方向,偏振成像是光电探测领域中的一种维度,偏振相机的研制是研究偏振成像技术的前提。基于集成偏振阵列结构的电子倍增CCD(electron multiplying CCD, EMCCD)器件,集合EMCCD微光探测的优势和偏振维度的探测功能,论述了偏振-微光一体化相机的硬件电路设计和开发方案,完成偏振维度信息与光强度信息一机同步采集作业,并通过FPGA对原始数据进行偏振运算与图像传输处理。搭建测试系统,对设计与开发的偏振样机进行性能测试。实验结果表明,在温度273 K、读出频率2 MHz条件下,器件的读出噪声为8.81e-,动态范围约为74 dB,样机的消光比可达50.95,透过率可达60.16%,并可实时地选择性输出偏振度图像、偏振角图像、光强度与偏振融合图像,极大地提高了夜间环境下对目标的识别探测能力。     

量子点增强硅基探测成像器件的研究进展

硅基探测成像器件具有可靠性高、易集成和成本低等优点,是目前应用最广泛的探测成像器件。随着人工智能和无人驾驶等技术的日益发展,对探测成像器件提出了更高的要求,而硅基探测成像器件性能的提升成为重要的研究方向。量子点具有吸收系数大、光谱可调、发光效率高和易集成等优点,是一类优异的光谱转换和光调制材料。利用量子点材料可调制的光学特性,可以对硅基探测成像器件的功能进行拓展,从而实现紫外响应增强、红外响应拓展、紫外偏振探测和多光谱成像等功能。经过多年的研究,这一领域已经取得了一定的进展,部分技术展现出较好的应用前景。本文介绍了量子点增强硅基探测器在紫外探测、红外成像、偏振探测和多光谱成像方面的研究进展,希望能够引起国内学术界和工业界的关注和重视。     

基于微光像增强器的偏振成像系统设计与实验

为验证用微光像增强器实现偏振成像的可行性,根据偏振成像原理,设计了基于分时型偏振成像技术的微光偏振检偏器。选用三代像增强器和高动态范围数字CCD,设计了相应大口径成像物镜和中继光学耦合透镜,获得了高透过率、高调制函数（MTF）的图像耦合性能。采用数字CCD、数字图像采集卡,编写了相应图像处理软件,实现了实验室和野外微光条件下的人造目标和自然景物的偏振探测成像。结果表明,原始图像中目标与背景对比度之比为1.35,基于微光像增强器的偏振成像系统的目标与背景对比度之比为2.35,微光偏振成像能够提高夜间环境下人造目标和自然背景的对比度。     

多尺度水下偏振成像方法

水下偏振成像技术利用散射光偏振特性能够有效提高水下成像质量,在水下目标探测和识别领域具有重要应用价值.针对该技术在背景散射光和目标信息光分离时由于噪声放大现象导致重建图像质量受限的问题,提出多尺度水下偏振成像方法.该方法利用图像分层处理思想,结合小波变换的多尺度特性,对体现图像高对比度的基础层和低对比度但细节信息丰富的细节层分别进行处理,重建高对比度、高信噪比的清晰场景图像.实验结果表明,多尺度水下偏振成像方法不仅能够大幅提高对比度,复原图像细节信息,而且能够有效抑制放大噪声,提高重建图像的信噪比,在水下偏振成像领域具有良好应用前景.     

恶劣条件下多谱段偏振目视辅助光学成像技术

开展了多谱段信息融合的偏振成像探测方法和技术研究，提出了多谱段偏振成像仪器总体方案；深入分析了目标起偏和传输特性建模与测试、高消光比金属微纳格栅偏振元件的优化、多谱段偏振成像探测系统光学设计、多谱段偏振信息处理等关键技术方案。提出一种新颖的深度网络，通过自学习策略来解决偏振图像融合问题，为研制多谱段偏振成像探测实验样机提供技术支撑，以满足偏振光学成像中目视辅助和引导的实际应用需求。     

基于偏振成像技术的目标探测研究进展及分析

简述了利用偏振成像技术进行目标探测的物理特性,介绍了偏振成像技术的应用优点,概括分析了我国利用偏振成像技术进行目标探测的发展状况,指出了发展中存在的问题,叙述了国外在该研究方向所取得的主要成就。总结分析了基于偏振成像技术的目标探测的研究进展,并对其未来发展方向进行了展望。     

烟雾环境下的偏振差成像方法

基于激光主动成像的烟雾环境下的目标探测具有重要研究意义,有效抑制光的散射作用是提高烟雾环境下成像质量的关键。根据光的偏振理论,仿真分析了光子单次散射的偏振特性与散射角的变化关系,并利用蒙特卡罗方法模拟了光在烟雾环境中传输的偏振特性,提出了利用偏振差法来抑制光散射作用,最后进行了简单的成像实验。结果表明,光在烟雾中传输时散射光主要由小角度散射光构成,仍然保留了初始激光的部分偏振特性,相比于直接灰度成像,偏振差法能够有效滤除小角度散射光的影响,增强成像目标的细节信息和图像的对比度。     

热红外偏振成像技术在目标识别中的实验研究

简要分析了热红外偏振探测与热红外强度探测在物理含义方面的区别,由此提出了一种利用偏振信息在红外图像中识别目标的新方法。通过热红外偏振成像系统获得了目标的偏振图像,并由计算机提取出了图像中的偏振信息。由于目标与自然背景的热红外偏振特性有较大的差异,所以通过分析这些信息,可以更好的识别目标。实验结果表明,该方法不仅可以很好地识别自然背景中的人造目标,而且对热红外伪装目标的识别也很有效。     

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。     

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。     

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%。     

引信红外偏振成像探测机理及关键技术

目标处于复杂场景时会对目标探测带来负面影响的干扰,会给目标识别带来了很大的影响。红外偏振成像探测是利用人造目标与自然目标以及真实目标与伪装目标的红外辐射偏振特征的差异来提高目标识别效果的。在复杂背景下识别和攻击目标是引信智能化的重要体现,因此探讨如何将红外偏振探测技术应用于引信是十分必要的。在分析红外偏振成像探测机理的基础上,对该技术用于引信的关键技术问题进行了分析,为引信红外偏振成像探测的研究奠定了基础。     

基于Stokes矢量的实时偏振差分水下成像研究

偏振差分水下成像能够有效地克服光散射效应造成的图像退化问题, 在水下物体探测与识别领域具有重要应用价值. 传统的偏振差分方法靠光学检偏器的无规则机械转动来实现对散射背景的共模抑制, 限制了其在水下成像过程中的实时探测性能. 本文通过分析偏振差分探测原理来建立偏振差分成像模型, 从理论上提出了基于Stokes矢量的计算偏振差分水下实时成像系统, 并进行了实验验证. 研究结果表明, 基于Stokes矢量的计算偏振差分成像不仅与传统的偏振差分方法具有相同的水下探测效果, 更重要的是可以实现快速成像过程. 该方法可以应用到目前的偏振成像仪器系统, 实现无需人-机互动的自动化实时偏振差分水下成像, 进一步提高水下物体探测与识别的效率.     

红外偏振成像对伪装目标的探测识别研究

针对目前普通光电成像系统对伪装目标的探测和识别概率较低的状况,提出伪装目标的探测识别新技术研究。介绍了红外偏振成像系统的原理、组成和特点,研制的中波/长波红外偏振成像装置,其波段范围为3 m ~5 m和8 m~12 m,线偏振度95%,消光比大于100∶1,给出了试验分析数据和偏振融合效果图。研究表明,采用红外偏振成像技术可以有效地实现对地面伪装目标的探测和识别。研究结果还可以扩展到对人工假目标、空中隐身目标等的探测和识别。     

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。     

多光参量测量成像技术用于雾霾天气的实验研究

针对雾霾天气条件下目标对比度下降问题,研制成功了一套多光参量测量成像系统。通过多光参量成像的系统级辐射响应模型及模型参数分离式标定,实现雾霾天气情况下的多种场景目标成像实验观测。结果显示:楼房玻璃反射光中的偏振分量相对较强,通过线偏振、圆偏振、偏振角图像,可以清晰地分辨玻璃窗结构;普通的强度信息很难辨别雾霾天气下的路口车辆,在线偏振及偏振角图像中能够看到车辆,但是掺杂了树木的偏振信息,车辆信息较模糊;在圆偏振信息图像中,树木的圆偏振信息较少,车辆目标对比度提高20%。     

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。     

静态傅里叶变换超光谱全偏振成像技术

光谱偏振成像技术是成像光谱技术与偏振成像技术的有机融合, 是当前空间光学遥感技术研究的热点和前沿. 针对目前光谱偏振成像技术受测量原理、探测模式的限制, 普遍需要运动、电控调制等部件, 导致体积大, 结构复杂, 加工装调困难, 抗振能力差等问题, 我们于2010年在国际上首先提出了一种多信息融合的静态傅里叶变换超光谱全偏振成像方法. 本文在此基础上, 阐述了新方法的基本原理, 给出了具体实现方案. 新方案无需运动、电控调制部件, 可实现目标图像、光谱、全偏振信息的一体获取. 推导出了新方案的调制干涉强度数据表达式及Stokes矢量解调公式, 分析了新方法实现光谱、全偏振探测的物理过程. 对新方案进行了计算机数值模拟验证, 研制了原理验证样机开展了室内、室外验证实验, 首次获得了室外推扫光谱图像数据立方体和全色全偏振度图像, 模拟及实验结果均表明新方案原理正确, 技术可行. 上述研究为新型空间遥感器的开发提供了基础理论及实践支持. 关键词： 成像光谱 偏振成像 Stokes矢量