大气对红外偏振成像系统的影响_邹晓风

标的偏振特性及偏振辐射大气传输进行研究 。 首先采用双向反射分布函数对反射辐射偏振特性进行 根据表达式模拟了目标的物理特征对反射偏振特性 了分析， 推导出了反射辐射偏振度的一般表达式 。 随后利用 MODTRAN 软件在典型大气条件下对红外波段的大气吸收以及程辐射进行了建模 的影响 。 和计算 。 大气中的悬浮颗粒对目标的红外辐射进行散射， 场景的偏振度随传输距离衰减 。对目标反射 辐射偏振特性的仿真结果与实测数据基本吻合， 验证了理论的正确性 。 考虑大气对偏振辐射传输的影 响使得计算结果更加合理和准确 。
收 稿 日 期 ： 2011-06-11 ；
修 订 日 期 ： 2011-07-12
基 金 项 目 ： 国 家 自 然 科 学 基 金 (61077077) ； 国 家 部 委 预 研 基 金 （ 9140A01060110BQ0108 ） 作 者 简 介 ： 邹 晓 风 (1987-) ， 男 ， 硕 士 生 ， 主 要 从 事 红 外 偏 振 成 像 及 图 像 处 理 方 面 的 研 究 。 Email:zxiaofeng1987@ 导 师 简 介 ： 王 霞 (1972-) ， 女 ， 副 教 授 ， 博 士 生 导 师 ， 博 士 ， 主 要 从 事 光 电 检 测 、 光 谱 分 析 、 微 光 与 红 外 成 像 方 面 的 研 究 。
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2
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(2)
光波偏振态的传输特性用穆勒矩阵 M 来描述。 穆 勒 矩 阵 是 一 个 4×4 矩 阵 ， 表 示 物 质 对 不 同 偏 振 方 向 的 透 射/反 射 特 性 ， 由 物 质 的 特 性 决 定 ， 全 面 记 录 光学介质对入射光偏振度的影响。
1.2 粗 糙 表 面 反 射 辐 射 偏 振 特 性
Gabriel Stokes 于 1852 年 开 发 的 用 于 描 述 非 相 干 光
偏 振 状 态 的 四 元 素 向 量 [4] ， 如 公 式 (1) 所 示 ， 用 I 、 Q 、
U 、 V 表 示 Stokes 矢 量 的 四 个 元 素 。 对 于 确 定 量 的 入
射 的 非 相 干 辐 射 ，I 表 示 成 像 系 统 接 收 的 总 辐 射 强 度 ；Q 表 示 水 平 和 垂 直 偏 振 方 向 的 辐 射 强 度 之 差 ；U 表 示 对 角 线 方 向 的 辐 射 强 度 之 差 ；V 表 示 左 、 右 旋 圆
偏振光强度之差。
polarization transmission;
atmospheric effects;
0 引 言
红外偏振成像技术是利用目标和背景的红外偏 振特性来获取场景 的 信 息 ，可 以 抑 制 复 杂 背 景 信 号 ， 将杂乱环境下的目标提取出来 [1] 。 场 景的红外辐射偏 振特性及传输是一个比较复杂的过程， 不同物体或 者同一物体的不同 状态(例如：物体含水量、构成材 料 的 理 化 特 征 、 表 面 粗 糙 度 、 物 体 折 射 率 [2-3] 等 ) 可 能 会有不同的 偏振状 态 ，且 与 波 长 有 密 切 关 系 ，形 成 偏 振光谱； 同时， 在不同的大气环境条件及探测距离 下，大气对红外偏振辐射的吸收 、散射、辐射叠 加 等 也是需要考虑的因素。 目 前 ， 偏 振 双 向 反 射 分 布 函 数 (pBRDF) 是 对 粗 糙表面反射偏振特性研究的典型模型之一， 其基于 微面元理论描述某个方向的入射辐射经目标表面反 射 、在 目 标 表 面 上 半 球 空 间 偏 振 辐 射 分 布 状 况 。 经 目 标反射 / 辐射的偏振辐射 ， 需经场景和探测器之间的大 气作用过程后被探测器接收 。 文中基于 Priest - Germer 模 型 [4] 研 究 了 目 标 反 射 辐 射 偏 振 特 性 ， 分 析 了 其 影 响 因 素 。 并 利 用 MODTRAN 软 件 对 来 自 目 标 的 偏 振 辐射大气的影响进行了分析和计算， 模拟了偏振辐 射随距离传输的关系。
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红外与激光工程
第 41 卷
射 到 目 标 表 面 的 辐 照 度 dE i ( θi ， 准 i ) 之 比 ， 即 ：
面反射辐射偏振度为：
ρ ( θi ， 准i ， θr ， 准r ， λ )= dLr( θi ， θr ， △准 ， λ ) dE i ( θi ， 准 i ， λ )
(3)
图 1 BRDF 几 何 关 系 图
Fig.1 Geometrical illustration of BRDF
BRDF 定 义 为 ： 经 过 目 标 表 面 反 射 沿 着 ( θr ， 准r) 方
向 出 射 的 辐 亮 度 dL r ( θi ， 准 r ， △ 准 ) 与 沿 着 ( θi ， 准 i ) 方 向 入
1.1 偏 振 信 息 的 Stokes 矢 量 表 示
在分析粗糙表面反射辐射偏振特性之前， 首先 对偏振辐射的表示方法进行简要介绍。 用于描述偏 振 信 息 的 方 法 主 要 有 斯 托 克 斯 矢 量 (Stokes Vector) 和 琼 斯 矢 量 (Jones Vector) 。 Stokes 矢 量 是 George
分别表示右旋和左旋圆偏振光的光强。 在实际应用 中 ，圆 偏 振 分 量 通 常 很 小 ，相 对 于 仪 器 的 误 差 来 说 可 以 忽 略 ， 故 通 常 假 定 V =0 ， 从 而 得 到 线 偏 振 度 DoLP(Degree of Linear Polarization) ：
DoLP =
DoP =
s
姨( f
s
10 s
) +( f 20 )
d
2
s
2
(6)
式 中 ： △准 = 准r - 准i 为 入 射 面 和 反 射 面 的 相 对 方 位 角 ； λ 为 入 射 辐 射 的 波 长 。 BRDF 表 征 了 目 标 表 面 对 辐 射 的反射传输特性。 反射辐射量与入射、 接收几何角 度 、辐 射 的 光 谱 特 性 及 表 面 的 物 理 特 性 等 因 素 有 关 。 为 了 表 征 目 标 反 射 辐 射 的 偏 振 特 性 ， 在 BRDF 中加入了偏振元素。 一般认为偏振双向反射分布函 数包括偏振的镜面反射成分 f s 和非偏振的漫反射 f d 成 分 两 部 分 ， 即 [4] ：
双 向 反 射 分 布 函 数 (BRDF) 是 用 来 对 粗 糙 表 面 散 射特性进行建模研究的一种常用函数 。 BRDF 的几何 参数如图 1 所示 ， 表面法向 为 z 。 其 中 ，θ 、准 分 别 代 表 天顶角和方位角 ， 下 标 i 、r 分 别 代 表 入射和反射 。
1 目标反射辐射偏振特性
Email:angelniuniu@
第2期
邹 晓 风 等 ：大 气 对 红 外 偏 振 成 像 系 统 的 影 响
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results more reasonable and accurate. Key words: infrared polarization imaging; simulation calculation
Zou Xiaofeng, Wang Xia, Jin Weiqi, Chen Weili, Chen Zhenyue
(School of Optoelectronics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)
Abstract: As the infrared polarization imaging system detects the target and background radiation's intensity in a specific direction of polarization, it's necessary to study polarization properties of different objects and polarized radiation propagation in the atmosphere. Firstly, bi - directional reflectivity distribution function was used to analyze polarization properties of the reflection radiation by objects and a general expression of the degree of polarization was deduced. Through the expression, the reflection polarization properties influenced by the target ′ s physical characteristics was simulated. Secondly, the atmospheric absorption coefficient and path radiation in infrared waveband were modeled and calculated by using MODTRAN software in some typical atmospheric conditions. Due to the infrared radiation scattered by the suspended particles in the atmosphere, the degree of polarization of the scene was attenuated with the transmission distance. The result of simulation experiments about the polarization properties of objects ′ reflection radiation coincides with the measured data well, which means that the theory is correct and robust. Considering the atmospheric effects on the transmission of polarization radiation makes calculated