分时型长波红外高帧频偏振成像实验研究

张 哲， 刘欣悦， 王建立， 姚凯男， 李天赐

(1. 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033；2.中国科学院大学，北京 100039)

1 引 言

作为电磁辐射的一种，红外辐射存在于周围各事物中，其包含了偏振特性、辐射强度等重要信息。目前，红外成像技术已广泛应用于国防、商业等多个领域。其中在8～12 μm的长波波段，属于地物(包括人造物)的发射波谱，在昼夜战场侦察、人脸识别、高温目标识别等方面有重要意义。但由于长波红外成像技术仅利用了辐射强度信息，而长波红外偏振成像技术既可以探测到目标与背景的辐射强度，又可以探测到代表目标景物特性的偏振信息[1-2]，由于不同类型的目标具有不同的偏振特性，所以可实现在复杂地物背景下，弱化背景噪声，提高探测与识别能力。因此国内外对此做了很多相关的实验研究，近几十年在我国也逐步受到重视[3-5]。

早在20世纪，国外就已开始了从可见光波段偏振成像到红外偏振成像技术的研究。在国外，2001年，Forssell等开始进行长波范围的地雷探测；2002年，Tan等人对空间物体进行长波波段的识别研究；2006年，Tyo等人发现利用长波红外偏振探测技术可以识别出杂乱背景中的车辆。至今，国外的长波红外偏振成像技术一直走在前沿。在国内，虽然起步较晚，但以安徽光机所及西北工业大学等为代表，已利用长波热红外偏振成像探测系统，对自然背景和伪装目标进行了相关偏振成像研究[6-7]；其中，北京理工大学王霞等人对高温目标进行陆地探测，并发现长波波段对高温目标偏振成像的优势[8]。

红外偏振成像系统可分为4种类型，有体积较大的分振幅型偏振成像系统；还有体积小，但是离轴系统，光学设计复杂的分孔径型偏振成像系统；以及将微偏振元器件集成到探测器像素上但会牺牲空间分辨率的分焦平面型偏振成像系统。本文选取的是装置结构最简单紧凑、数据容易处理、精度较高以及成本较低的分时型长波红外偏振成像系统，但该系统无法实现在同一时刻对目标成像，所以不利于运动目标的探测[9-14]。

为了解决分时型结构实时性较差的问题，本文基于红外偏振探测原理，在8～12 μm的长波红外波段，采用超高速高定位精度旋转轮，搭建了分时型长波红外高帧频偏振成像装置，在实验室环境下进行高温目标动态探测实验。对系统完成选型、搭建，得到目标的实时偏振度视频数据，并可同时显示出目标的红外热视频，实现对比结果。实验结果表明，分时型成像装置可以实现动态目标的准实时偏振探测，并体现出长波红外偏振成像独特的优势与特点。

2 基本原理

2.1 Stokes公式

依据电磁学理论，光波属于横波，因此会出现偏振现象。偏振光的描述方式主要为两种，琼斯矢量和斯托克斯矢量。其中斯托克斯矢量利用4个光强度的时间平均值来表示偏振光，可直接被探测测量，表示为：

(1)

其中：s0表示入射光强，s1为水平方向的线偏振分量，s2为45°方向的线偏振分量，s3与圆偏振有关。

图1 长波红外偏振成像过程图Fig.1 Imaging process diagram of long wave infrared polarization

2.2 测量原理

为了描述出射光的偏振态变化，在光的传输过程中，用4×4的米勒矩阵表示偏振元件的传输矩阵。假设入射辐射斯托克斯矢量为S，出射辐射的斯托克斯矢量为S′，它们之间的数学关系可以写作：

S′=M×S，

(2)

本文采用一个线偏振片为基础的线偏振测量系统，其出射光的Stokes矢量可表示为：

S′=Mα×S，

(3)

其中：Mα为理想线偏振片的穆勒矩阵，α表示偏振片透射方向与参考方向之间的角度。

(4)

由于成像探测器只能探测到辐射强度，即总光强的大小，所以只有Stokes的第一个参量可已被直接探测，经过计算：

(5)

在实际的探测过程中，圆偏振分量相比于线偏量较小，所以不列入考虑，即令s3=0。从表达式(5)中得知，有3个未知量需要求出，为了使计算结果更加准确，选取测量4个角度的方法，即只需测量出0°，45°，90°，135° 4个角度方向的光强，即可计算出s0、s1和s2，进而根据公式推算出偏振度和偏振角等相关参数。

3 长波红外偏振成像实验系统

实验选取了装置结构最简单紧凑、数据容易处理、精度较高的分时型长波红外偏振成像系统。为了解决分时型长波红外偏振成像结构实时性较差的问题，采用高速旋转轮带动旋转偏振片，通过镜头成像在长波非制冷焦平面探测器上，来采集不同角度的偏振光强图像，进而解算出偏振度，实现线偏振测量。

因此，本文实验装置主要由高速旋转轮带动的偏振片、物镜以及探测器3部分组成。结构图如图2所示。

图2 偏振成像系统结构图Fig.2 Polarization imaging system structure

就本文选取的分时型长波红外线偏振成像系统，由于它是在离散时间下获取不同偏振方向的图像，探测时间较长，如果测量动态目标就会带来偏差信息，因此传统装置较适合静态测量。为了能够实现本文的实验目的，准确测量运动目标的偏振度图像，需要实现偏振片的准确定位和稳定停顿，并实现系统同步性。因此综合考虑后，选购了FLI公司的高速旋转轮，如图3所示，其采用集成电子技术，可以快速改变光学元件的取向变化 ，并精确计时，所需的变化时间曲线由图4给出，技术参数由表1给出。

图3 旋转轮实物图Fig.3 Rotating wheel map

图4 定向变化时间曲线Fig.4 Orientation change time curve

长波红外偏振片定制于美国Thorlabs公司，类型为硅基底线栅偏振片，具有高消光比，实物图及技术参数如图5和表2所示。

表1 高速旋转轮的主要技术参数Tab.1 Main technical parameters of high speed rotating wheel

图5 长波红外偏振片Fig.5 Long wave infrared polarizer

Tab.2 Main technical parameters of long-wave infrared polarizer

尺寸类型材料消光比ϕ12.5 mm金属栅硅>10 000

实验采用非制冷探测方式，且基于动态目标探测的目的，选购了可实时录制/传输/分析，可实现60 Hz、16 bit全温度红外视频数据，并且专用于高速成像的红外相机。红外相机各技术参数见表3、表4。实物如图6所示。

表3 长波红外偏振探测器的主要技术参数

Tab.3 Main technical parameters of long wave infrared polarization detector

探测器类型像素像元间距波长范围热灵敏度非晶硅非制冷型焦平面640×48017 μm8～12 μm<80 mK

表4 长波红外镜头的主要技术参数

Tab.4 Main technical parameters of long-wave infrared lens

视场焦距F数最小成像距离24.6°×18.6°25 mm1.00.3 m

图6 长波红外相机Fig.6 Long wave infrared camera

4 实 验

通过优化长波红外相机的操作界面功能，将高速旋转轮与长波红外相机进行同步，完成同步图像采集与处理过程，实现了15帧/s的目标偏振度视频数据采集。实验平台及长波红外相机的操作界面如图7所示。

图7 实验平台Fig.7 Experiment platform

图8 长波红外相机成像操作界面Fig.8 Operation interface of long wave infrared camera imaging

图9 探测目标区域Fig.9 Area of detection target

由于目前实验设备性能限制，以及长波红外偏振极易受环境影响，因此选择在实验室环境进行实验验证。

首先，目标选取高温金属罩暖炉，实验室环境，将暖炉预热完毕后，关闭电源，对暖炉由热至冷的变化过程进行偏振度动态探测。图9矩形框内为高温测量区域，图10为在6 s时间内采集的90幅偏振度图像中，其偏振度最大值的变化拟合曲线。可以看出，实验实现了15帧/s的动态偏振度探测，且在这个动态过程中，随着温度的骤变，偏振度也会有所减小。

接着，目标依旧选取高温金属罩暖炉，保持温度不变，针对目标实现红外强度图像与偏振度图像的对比显示。图11为该目标长波红外强度与偏振度的视频截图图像。

图10 偏振度最大值变化拟合曲线Fig.10 Curve of variation of maximum polarization degree

由于暖炉具有较高温度，热辐射能量高于背景环境，与背景的对比度很高。强度图像虽然可以实现目标的探测，但由于观察的目标区域温差很小，使得细节模糊，很难实现识别功能，细节部分没有很好显现。而偏振度图像相比红外强度图像，细节更加突出，有效提高了人造物和背景的对比度。炉身的金属外罩的轮廓清晰可见，加热管内部的加热丝以及边缘细节信息也可明显看出(圆圈圈出)。这进一步证实长波红外偏振成像技术可对高温目标进行探测与识别，与红外成像相比，红外偏振成像提供了更多目标的细节，证明了偏振成像在高温目标成像上较强度成像有一定的优势，有利于对长波红外偏振成像应用的进一步探究。

(a)无偏强度图像(a) Intensity image

(b)偏振度图像(b) Polarization image图11 金属外罩暖炉的长波红外偏振成像Fig.11 Long-wave infrared polarization imaging of metal cover heater

图12 融合结果Fig.12 Fusion result

此外，通过融合算法，将红外强度图像和偏振度图像融合，发现相比于融合之前的图像，其信噪比有所提高，细节信息并没有损失，说明通过偏振图像的融合处理，能使偏振具有更好的成像效果，这为我们今后的偏振图像处理提供了思路与方法。

5 结 论

本文解决了传统分时型长波红外偏振成像装置难以高帧频探测的问题。通过实验证明，针对分时型长波红外偏振成像装置，可以实现探测动态高温运动目标的偏振度图像，并完成15帧/s的目标偏振度探测。并进一步证实，长波红外偏振成像在高温目标识别上具有优势，不仅能识别目标，而且可以提供更丰富的细节信息，抑制背景，提高目标与背景的对比度，有利于我们对目标场景的观察与理解。可以得出，长波红外偏振成像技术是对传统红外成像的一种有效的补充和发展，其研究对于目标探测和识别有着重要的意义。