偏振遥感在伪装目标识别上的应用及对抗措施

第20卷 第4期强激光与粒子束Vol.20,No.4 2008年4月H IGH POWER LASER AND PART ICLE BEAM S A pr.,2008

文章编号: 1001 4322(2008)04 0553 04

偏振遥感在伪装目标识别上的应用及对抗措施*

张朝阳, 程海峰, 陈朝辉, 郑文伟

(国防科学技术大学航天与材料工程学院,长沙410073)

摘 要: 为了研究偏振遥感对伪装目标的识别特点,分别对不同颜色的伪装网进行了偏振参数测量和成

像实验。通过数据分析发现,伪装网的散射偏振度受观测条件和材料自身特性(如反射率、折射率和表面粗糙

度)影响很大;伪装涂层对入射光的散射作用可以分为面散射和体散射,其中面散射具有起偏振作用而体散射

具有消偏振作用;与自然背景相比,伪装目标的偏振特征非常显著,利用偏振遥感可以有效地识别出常规侦察

手段所不能发现的伪装目标。通过偏振遥感的侦察原理和特点分析,提出了可以利用表面结构设计和烟雾等

方法对抗偏振遥感的侦察

关键词: 遥感; 偏振度; Sto kes矢量; 偏振成像; 伪装

中图分类号: 0436.3 文献标识码: A

偏振遥感是一种新型的侦察手段,融合了光强度侦察和偏振侦察的优点,国内外许多科研机构开展了偏振遥感仪器和目标偏振特征的研究。V. C.Vanderbilt等研究了树叶的偏振反射特征[1],指出树叶的偏振反射数据包含了树叶表面和内部的结构信息。B.Ben Dor在热红外波段对不同背景进行了偏振测试,指出可以用偏振图像来分辨人工目标和自然背景[2]。加拿大Q uebec海军研究中心和法国Brest的激光和光谱测量实验室利用偏振激光雷达研究了水下消偏振因素和散射体之间的关系[3 4]。偏振遥感可以辨别出常规遥感手段所无法识别的伪装目标。美国空军研究室的D.H.Goldstein对涂覆了军用油漆的铝板作了偏振检测[5]。G. For ssell和Y.Aro n,Y.Gronau分别对车辆和帐篷做了野外偏振成像实验[6 7],纽约大学的W.G.Egan研究了飞机以及军事伪装车辆的偏振特性[8 9]。研究表明利用偏振成像可以有效地消除背景噪声,提高图像对比度。本文在可见光和近红外波段对不同颜色的伪装网进行了偏振测试,研究了伪装涂层和背景的偏振散射特征。

1 偏振遥感侦察原理

光的偏振状态可以有几种表示方法,偏振遥感中常用的是Stokes矢量法[10 11]。一束光的偏振状态可以由4个Stokes参数表示,分别为I,Q,U,V0每个Sto kes参数都可用光强度表示,能够直接测量,定义

I= E2x(t)+ E2y(t)(1)

Q= E2x(t)- E2y(t)(2)

U=2 E2x(t) E2y(t)cos[ y(t)- x(t)](3)

V=2 E2x(t) E2y(t)sin[ y(t)- x(t)](4)式中:E x(t),E y(t), x(t), y(t)分别表示在x和y方向上电场的振幅和相位; E(t)的含义是求电场强度的时间平均值。通过Sto kes矢量可以定义偏振度P和偏振角 分别为

P=(Q2+U2+V2)1/2/I(5)

=(1/2)arctan(U/Q)(6) 目标表面的反射光和透射光满足Fr esnel定律

E(r)s=-sin( i- d)

sin( i+ d)

E(i)s(7)

E(t)s=2sin d cos i

sin( i+ d)

E(i)s(8)

*收稿日期:2007 08 15; 修订日期:2007 12 24

基金项目:国防科学技术大学科研计划项目(JC07 01 03)

作者简介:张朝阳(1980!),男,博士,从事偏振遥感和伪装隐身技术的研究;zhangcy_n udt@。

E (t)p =2sin d cos i sin (

i + d )cos ( i - d )E (i)

p (9)E (r)p =-tan ( i - d )tan ( i + d )E (i )

p (10)

式中: i 和 d 分别为入射角和折射角;E (r),E (t)和E (i)分别是反射光、透射光和入射光的电场强度(下标p 表示

平行于入射面;s 表示垂直于入射面)。

2 测量仪器与方法

实验采用中国科学院安徽光学精密机械研究所研制的多波段偏振CCD 相机,工作波段为443~865nm,波段宽度为30~50nm 。通过不同偏振方向的强度测量得到目标偏振参数,在平面直角坐标系内,偏振方向与Fig.1 Sketch map of p olarim etric measu rem ent

图1 偏振测量示意图x oz 平面的夹角为 的光强可以表示为

I ( )=12(I +Q co s2 +U sin2 )(4)

根据0∀,60∀和120∀偏振方向的光强度,计算Stokes 矢量中的

I ,Q 和U 参数,进而求出偏振度P 和偏振角 。由于绝大部分地

物的圆偏振分量(V )非常微弱而被忽略[12]

。在晴朗少云的室外光

照条件下进行偏振测量,保持入射角度 i 和观测角度 r 相等,通

过调节CCD 相机的位置和滤波片,测试不同入射角度和探测波段

下伪装网样品的偏振特征,如图1所示。3 伪装网的偏振实验

以往的关于目标偏振散射研究[13 15]中发现,偏振特征受测试方位角!(图1)的影响很大,在方位角接近180∀方向时,目标的偏振散射特征差异显著;在方位角偏离180∀方向时,目标的偏振反射特征逐渐减小[16]。因此本文主要研究方位角为180∀时的目标偏振特征。选取国内某伪装网,其迷彩斑块分别为深绿色、中绿色和土黄色。实验过程中将伪装网平铺在草地上,按照图1所示条件进行测试。

图2是涂料型伪装网的偏振度测试结果。可以看出,入射角度对样品的偏振度影响很大,当入射角度增大时,偏振度也随之增大。伪装网样品表面涂覆有伪装涂层,一般来说,光线在涂层中的散射机制可以分为面散射和体散射两种,不同的散射机制对光线偏振特征的影响不同。面散射发生在涂层表面,主要受到涂层折射率和表面粗糙度的影响。根据Fr esnel 定律[10]可知,涂层折射率增大时,面散射光的偏振度会逐渐减小,粗糙度变大也会使面散射光的偏振度减小同时偏振角的取向性减弱。体散射是入射光进入涂层内部受到颜料和填料的散射作用,根据散射颗粒的大小可以用瑞利散射或米氏散射理论进行模拟计算。由于涂层内部颗粒散射的随机性,光在发生体散射后的偏振角度在各个方向趋于平均分布,使得出射光的偏振度较小。一般来说,面散射会产生较大的偏振度而体散射具有消偏振作用。

伪装网的偏振度与其表面状态和反射率密切相关,一般来说,反射率低的表面产生较大的偏振度。深绿色涂层在整个波段的反射率较低,其平均偏振度最大,反映在偏振度图像上就是深绿色涂层的亮度比较高;土黄色的偏振度最低,在偏振度图像中颜色最暗。图3是伪装网不同特征信息的成像照片,强度图像中1(区)是深绿色;2(区)是土黄色;3(区)是浅绿色。在强度图像中难以分辨的伪装网可以在偏振度图像和偏振角度图像中清楚地识别出来。光在低反射率区域中的作用以单次散射为主;而在反射率高的表面中,多次散射占有较大优势。单次散射会产生较大的偏振度,而多次散射由于光线的偏振方向随机性较大而产生较小的偏振度[17]。在入射角比较小时伪装网的散射光偏振度较小,主要是由于该方向上的散射光来自涂层内部的多次散射作用形成的。入射角增大时反射光中单次散射逐渐占优,使其偏振度增大。在偏振图像中,测得草地背景的偏振度在0.012~0.056之间,而伪装网偏振度在0.20~0.70之间。因此,只要选择合适的波段和角度成像,就可以得到对比度非常高的偏振图像。

伪装网在偏振角度图像中十分突出(图3),这是因为自然背景中的草地和沙土的表面非常粗糙,光在背景中的散射偏振角度在各个方向随机分布,取向性非常小。而伪装网表面涂层相对平滑,对光散射的偏振角度具有一定的取向性,偏振特征十分明显,因此通过偏振角度图像可以很好地消除杂乱背景的影响,分辨出其中的

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