红外偏振在目标探测识别中的研究进展_夏寅辉_骆守俊_白廷柱_宋佩珊_乔育花
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第 46 卷
第8 期
激光与红外 LASEＲ ＆ INFＲAＲED
Vol． 46 ， No． 8 August， 2016
2016 年 8 月
文章编号： 1001 － 5078 （ 2016 ） 08 － 0909 － 07
·综述与评论·
红外偏振在目标探测识别中的研究进展
1 1 2 2 1 夏寅辉 ， 骆守俊 ， 白廷柱 ， 宋佩珊 ， 乔育花
图2 直接旋转偏振器件的红外成像设备结构图和实物图
Fig． 2 The structure and figuration of a infrared polarization imaging equipment using direct rotated polarimeter
这类系统通常可分为以 另一类是无运动部件， 下三种情况： 第一种是使用多个偏振分光器及探测 器， 用分束器对入射的红外辐射进行分束 ， 然后将分 开的红外辐射分别投射到已设定的不同方向的偏振 片上， 同时采集多个方向的偏振图像， 进而实现红外 偏振系统的实时成像。 结构图如图 3 所示， 其特点 是结构非常复杂， 使用了多个分束镜、 偏振片和聚焦 透镜， 从而使整机系统的成本相对较高， 对配准提出 了更高的要求； 第二种是将线偏振阵列放置到二次 成像光学系统的实像面处， 由中继镜传送到焦平面 阵列， 如图 4 所示。 这种偏振成像系统可以实时获 取所需的偏振信息， 且整个系统只需要单个探测器， 大大节约了成本， 缺点是所使用的光学系统非常复 杂， 设计加工难度较大， 并且能量衰减很大， 在技术 实现时， 像元的配准非常困难； 第三种是将不同偏振 方向的线偏振器件直接耦合在焦平面探测器阵列
20 世纪的 60 年代， 对背景和目标材质的偏振特性 也已经有了较多的研究。以色列的 B． Ben
［1 ］
等在研
Lawrence B． Wolff［4］研究了在中红外波段， 不同 材质目标（ 玻璃和塑料） 的偏振特性， 结果表明目标 的偏振特性主要由其表面粗糙度决定 。
究地物背景的偏振度时得出结论： 不同材质的地物 背景的偏振度是不同的， 沙石、 岩石和裸土等背景的
图1
偏振度与强度计算示意图
Fig． 1 The calculation sketch map of the degree of polarization and the intensity
偏振度计算公式为 DoP = （ I max － I min ） / （ I max + I min ） × 100 % I max 为偏振光在某方向上能量的最大 值； I min 为在其垂直方向上能量的最小值 。 从偏振度公式可知： 红外偏振成像技术对红外 热图像非均匀性同样有重要的意义 。红外热成像器 件的工艺造成每个探测元的响应不一致 ， 探测源的 响应也会随着时间的变化而发生变化， 因而导致了 红外热成像存在非均匀性问题， 而偏振红外成像技 术中可以利用两幅不同线偏振角的偏振图像进行求 差得到新的偏振图像。 因此， 如果每一个探测元能 够符合线性响应， 偏振红外成像则不需要复杂的红 外热图像非均匀性校正。 大量的实验研究结果表明， 不同物体的红外偏 振度有很大差异： 自然环境中地物的偏振度一般小 于 1． 5% ， 水的偏振度一般在 8% ～ 10% ， 金属材料 的偏振度大约为 2% ～ 7% 。 显然， 军用车辆 （ 主要 以金属材料制作） 的偏振度与地物背景的偏振度差 别较大， 所以利用红外偏振成像技术可以很轻易地 探测识别到车辆目标。 2． 2 红外偏振成像系统结构 红外偏振成像系统结构可分为两类 。 一类是 有运动部件 ， 通过采用直接旋转偏振器件或固定
第 46 卷
抑制成像图中的杂乱背景， 在复杂的辐射背景下检 测出有用的信号， 突破传统设备的局限性。 2 2． 1 红外偏振成像技术 红外偏振成像特点 红外偏振成像技术中， 所要测量的偏振度是辐 射值之比， 因此， 对于偏振测量来说， 辐射量不需要 准确的校准， 就可以使测量结果达到很高的精度 ， 图 1 为偏振度与强度计算示意图。
偏振器件 旋 转 1 /4 波 片 的 方 法 来 实 现 偏 振 成 像 。 其特点是简单灵活 、 成本较低 ， 但以损失时间分辨 率为代价 ， 实时性较差 ， 对于变化的场景或者移动 的目标 ， 偏 振 图 象 的 配 准 较 为 困 难。 图 2 为 一 直 接旋转 偏 振 器 件 的 红 外 成 像 设 备 结 构 图 和 实 物 图， 通过步进电机带动偏振器件旋转 ， 获得不同角 度的偏振信息 。
（ 1． North China Ｒesearch Institue of Electro － optic， Beijing 100015 ， China； 2． Beijing Institute of Technology， Beijing 100081 ， China） Abstract ： The characteristics and the advantages of infrared polarization imaging technology are firstly introduced， and the structure of infrared polarization imaging system is discussed． Then， the research progress of the infrared polarization technique for target detection and recognition at home and abroad is introduced in detail． Finally， according to the characteristics of infrared polarization technology， the concept of circular polarized light for target detection and recognition is proposed． Key words： infrared polarization； polarization image； anti － counterfeiting identification； circularly polarized light
（ 1． 华北光电技术研究所， 北京 100015 ； 2． 北京理工大学， 北京 100081 ）
摘
要： 简要论述了红外偏振成像技术的特点及其优势 ， 并分类讨论了红外偏振成像系统的结 构； 随后， 重点介绍了红外偏振技术在国内外被应用于目标探测与识别方面的研究进展 ； 最后，
基于红外偏振技术的特性， 提出了采用圆偏振光进行目标探测识别的概念 。 关键词： 红外偏振； 偏振图像； 防伪识别； 圆偏振光 中图分类号： TN219 文献标识码： A DOI： 10． 3969 / j． issn． 1001 － 5078． 2016． 08． 001
1
引
言
振原理进行成像， 通过偏振器件对场景的反射或自 然后通过光电成像器件得到不同 身辐射进行滤波， 方向上的偏振图像。 通常的光电传感器是直接描述目标及所处环境 使一些干扰因素也被叠加到目标 辐射的强度差异， 的成像图上， 而这些因素往往对目标的跟踪与识别 有负面影响， 直接效果是在所获得图像上生成大量 杂乱背景， 特别在某些条件下， 这种杂乱背景的信号 通过研究发现， 这些干扰 会将有用的目标信号淹没， 热源往往和目标的偏振特性是不完全相同的 。利用 不同物体对辐射偏振特征影响的差别， 可以有效地
3 3． 1
国外研究进展 背景和目标材质的偏振特性 国外红外偏振成像技术的研究最早可以追溯到
图7
不同的油漆样品在 7． 5 ～ 12 μm 波段、 45° 观察角度情况下的热辐射偏振度
Fig． 7 The polarization degree of thermal radiation from a kind of paint samples in the 7． 5 ～ 12 μm band at 45°
激光与红外
No． 8
2016
夏寅辉等
红外偏振在目标探测识别中的研究进展
911
上， 如图 5 所示， 其特点是无需改变红外光学系统， 结构紧凑， 同时保证了较高的红外辐射强度 ， 但对探 测器的制作工艺要求较高， 且探测器的均匀性校正 也比较困难。
偏振度在 0． 5% ～ 1． 5% 之间； 草、 树等绿色植被背 景的偏振度大约为 0． 5% 左右； 沥青、 混凝土公路的 偏振度是 1． 7% ～ 3． 4% ； 水面和海面的偏振度大约 是 1% ～ 2% 。 Stephanie［2］等利用红外偏振技术对增强材料进 行了研究， 图 6 是实验使用的红外偏振热像仪的结 构图， 采用 256 × 256 像元的 HgCdTe 面阵探测器， 8． 9 μm 时偏振 使用的偏振器件是金属线栅偏振片 ， 片的消 光 比 为 300 ， 观 测 波 长 为 8 ～ 12 μm， 观测 角 80° 。
图3
多偏振分光器构成的偏振成像系统
பைடு நூலகம்
Fig． 3 The polarization imaging system consisting of Multi － polarization beam splitter
图6
红外偏振热像仪结构图
Fig． 6 The structure of a infrared polarization thermal imaging system
像相对于普通的红外图像， 背景杂乱的问题可以起 到很好的抑制作用， 图 7 为油漆样本偏振特性的测 量结果， 观 测 波 段 为 7． 5 ～ 12 μm， 探测器观测角 45° ， 外部环境条件为： 温度 270 K， 天空晴朗， 太阳 光入射角 45° 。
图5
微偏振元件与焦平面探测器相结合
Fig． 5 Micro polarizing array combined with the focal plane array detectors
912 3． 2 目标探测识别应用进展
激光与红外
第 46 卷
将红外成像技术应用到实际的目标探测中， 根 据所探测目标所处背景的不同， 国外的主要研究大 致可以分为： 空间目标探测、 海上目标探测和地面伪 装目标的探测。 3． 2． 1 空间目标探测 红外偏振特性和它的变化规律能够用来表征空 间目标的表面信息和状态信息。空间目标的偏振特 性会随着目标特定材料的不同以及运动轨道的不同 而存在差异， 因此使用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 。 Keith Bush［5］等对近地和同步轨道卫星的偏振 特性分别进行了仿真研究。研究发现卫星上偏振特 性最为明显的部位是太阳能电池板， 在不同时间卫 星表现出的偏振特性存在非常明显的差异， 这种差 异主要是太阳能电池板对太阳的跟踪转动引起的 ， 该研究同时发现， 相对于可见光波段， 空间目标的偏 振特性在红外波段更为显著。 Stead［6］等对卫星的偏振度进行了测量， 测量方 法是将偏振分析器加在光电望远镜上， 该实验成功 测量出卫星的偏振度最大可以达到 39% 。 Sanchez［7］等研究了目标的偏振度与光度条件 的关系， 研究发现当光度信号强的时候， 目标偏振度 约为 10% ， 但是在黎明时光度特性弱的时候， 目标 的偏振度能够达到 40% ， 说明目标的偏振特性在不 同光度条件下存在较为明显的差异 。 3． 2． 2 海面目标探测 Cooper［8］等人用偏振成像技术对海面背景和舰 船目标进行了实验研究， 研究表明海面背景主要表 现为垂直偏振度， 而舰船目标的偏振度不明显； 在长 波红外波段， 背景与目标的水平偏振度的对比相较 于中红外波段有明显的增强。 荷兰代尔夫特理工大学的 Frank Cremer 搭 建 了红 外 偏 振 成 像 系 统 ， 并将其用于海面小目标 探测 。 Polarissensor 公司将红外偏振成像技术应用于 海上搜救， 如图 8 所示。可以看出： 不管是白天还是 晚上， 人、 物体和海水由红外偏振所成的像要比由非 偏振红外成像所成的像的对比度大的多 ， 该实验可 以证明， 利用偏振成像可以增大目标和背景的对比 度， 对海上目标的探测有很大意义。 3． 2． 3
作者简介： 夏寅辉（ 1977 － ） ， 男， 高级工程师， 在读博士， 主要从事红外成像整机， 光电侦察系统总体技术等方面的研究 。 E － mail： xyh_simon@ 163． com 收稿日期： 2015 － 11 － 20 ； 修订日期： 2016 － 01 － 12
910
激光与红外
Timothy J． Ｒogne［3］等研究了多种油漆样本的偏 振特性， 样本全部由军方提供， 研究表明红外偏振图
图4 偏振阵列置于二次成像光学系统的实像面处 Fig． 4 The polarization array in the real image plan of the second imaging optical system
随着科技工艺与加工技术的不断发展， 红外热 像器件有了越来越高的的分辨率和灵敏度 ， 但是， 利 用现有的红外成像技术依然不能更有效地从复杂的 背景辐射中将目标进行探测和识别 。这个问题也是 成为了现在红外成像领域的一个研究热点 。偏振是 光的四个基本特性之一， 位于地表和大气中的任何 目标， 都存在一定的偏振特性， 而偏振特性由他们自 不同物体或同一物 身的性质和光学基本定律决定， 体的不同状态（ 例如粗糙度、 含水量、 构成材料的理 化特征等） 都会产生不同的偏振状态。 利用红外偏
Ｒesearch progress of infrared polarization in target detection and recognition
XIA Yin － hui1 ， LUO Shou － jun1 ， BAI Ting － zhu2 ， SONG Pei － shan2 ， QIAO Yu － hua1
第8 期
激光与红外 LASEＲ ＆ INFＲAＲED
Vol． 46 ， No． 8 August， 2016
2016 年 8 月
文章编号： 1001 － 5078 （ 2016 ） 08 － 0909 － 07
·综述与评论·
红外偏振在目标探测识别中的研究进展
1 1 2 2 1 夏寅辉 ， 骆守俊 ， 白廷柱 ， 宋佩珊 ， 乔育花
图2 直接旋转偏振器件的红外成像设备结构图和实物图
Fig． 2 The structure and figuration of a infrared polarization imaging equipment using direct rotated polarimeter
这类系统通常可分为以 另一类是无运动部件， 下三种情况： 第一种是使用多个偏振分光器及探测 器， 用分束器对入射的红外辐射进行分束 ， 然后将分 开的红外辐射分别投射到已设定的不同方向的偏振 片上， 同时采集多个方向的偏振图像， 进而实现红外 偏振系统的实时成像。 结构图如图 3 所示， 其特点 是结构非常复杂， 使用了多个分束镜、 偏振片和聚焦 透镜， 从而使整机系统的成本相对较高， 对配准提出 了更高的要求； 第二种是将线偏振阵列放置到二次 成像光学系统的实像面处， 由中继镜传送到焦平面 阵列， 如图 4 所示。 这种偏振成像系统可以实时获 取所需的偏振信息， 且整个系统只需要单个探测器， 大大节约了成本， 缺点是所使用的光学系统非常复 杂， 设计加工难度较大， 并且能量衰减很大， 在技术 实现时， 像元的配准非常困难； 第三种是将不同偏振 方向的线偏振器件直接耦合在焦平面探测器阵列
20 世纪的 60 年代， 对背景和目标材质的偏振特性 也已经有了较多的研究。以色列的 B． Ben
［1 ］
等在研
Lawrence B． Wolff［4］研究了在中红外波段， 不同 材质目标（ 玻璃和塑料） 的偏振特性， 结果表明目标 的偏振特性主要由其表面粗糙度决定 。
究地物背景的偏振度时得出结论： 不同材质的地物 背景的偏振度是不同的， 沙石、 岩石和裸土等背景的
图1
偏振度与强度计算示意图
Fig． 1 The calculation sketch map of the degree of polarization and the intensity
偏振度计算公式为 DoP = （ I max － I min ） / （ I max + I min ） × 100 % I max 为偏振光在某方向上能量的最大 值； I min 为在其垂直方向上能量的最小值 。 从偏振度公式可知： 红外偏振成像技术对红外 热图像非均匀性同样有重要的意义 。红外热成像器 件的工艺造成每个探测元的响应不一致 ， 探测源的 响应也会随着时间的变化而发生变化， 因而导致了 红外热成像存在非均匀性问题， 而偏振红外成像技 术中可以利用两幅不同线偏振角的偏振图像进行求 差得到新的偏振图像。 因此， 如果每一个探测元能 够符合线性响应， 偏振红外成像则不需要复杂的红 外热图像非均匀性校正。 大量的实验研究结果表明， 不同物体的红外偏 振度有很大差异： 自然环境中地物的偏振度一般小 于 1． 5% ， 水的偏振度一般在 8% ～ 10% ， 金属材料 的偏振度大约为 2% ～ 7% 。 显然， 军用车辆 （ 主要 以金属材料制作） 的偏振度与地物背景的偏振度差 别较大， 所以利用红外偏振成像技术可以很轻易地 探测识别到车辆目标。 2． 2 红外偏振成像系统结构 红外偏振成像系统结构可分为两类 。 一类是 有运动部件 ， 通过采用直接旋转偏振器件或固定
第 46 卷
抑制成像图中的杂乱背景， 在复杂的辐射背景下检 测出有用的信号， 突破传统设备的局限性。 2 2． 1 红外偏振成像技术 红外偏振成像特点 红外偏振成像技术中， 所要测量的偏振度是辐 射值之比， 因此， 对于偏振测量来说， 辐射量不需要 准确的校准， 就可以使测量结果达到很高的精度 ， 图 1 为偏振度与强度计算示意图。
偏振器件 旋 转 1 /4 波 片 的 方 法 来 实 现 偏 振 成 像 。 其特点是简单灵活 、 成本较低 ， 但以损失时间分辨 率为代价 ， 实时性较差 ， 对于变化的场景或者移动 的目标 ， 偏 振 图 象 的 配 准 较 为 困 难。 图 2 为 一 直 接旋转 偏 振 器 件 的 红 外 成 像 设 备 结 构 图 和 实 物 图， 通过步进电机带动偏振器件旋转 ， 获得不同角 度的偏振信息 。
（ 1． North China Ｒesearch Institue of Electro － optic， Beijing 100015 ， China； 2． Beijing Institute of Technology， Beijing 100081 ， China） Abstract ： The characteristics and the advantages of infrared polarization imaging technology are firstly introduced， and the structure of infrared polarization imaging system is discussed． Then， the research progress of the infrared polarization technique for target detection and recognition at home and abroad is introduced in detail． Finally， according to the characteristics of infrared polarization technology， the concept of circular polarized light for target detection and recognition is proposed． Key words： infrared polarization； polarization image； anti － counterfeiting identification； circularly polarized light
（ 1． 华北光电技术研究所， 北京 100015 ； 2． 北京理工大学， 北京 100081 ）
摘
要： 简要论述了红外偏振成像技术的特点及其优势 ， 并分类讨论了红外偏振成像系统的结 构； 随后， 重点介绍了红外偏振技术在国内外被应用于目标探测与识别方面的研究进展 ； 最后，
基于红外偏振技术的特性， 提出了采用圆偏振光进行目标探测识别的概念 。 关键词： 红外偏振； 偏振图像； 防伪识别； 圆偏振光 中图分类号： TN219 文献标识码： A DOI： 10． 3969 / j． issn． 1001 － 5078． 2016． 08． 001
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引
言
振原理进行成像， 通过偏振器件对场景的反射或自 然后通过光电成像器件得到不同 身辐射进行滤波， 方向上的偏振图像。 通常的光电传感器是直接描述目标及所处环境 使一些干扰因素也被叠加到目标 辐射的强度差异， 的成像图上， 而这些因素往往对目标的跟踪与识别 有负面影响， 直接效果是在所获得图像上生成大量 杂乱背景， 特别在某些条件下， 这种杂乱背景的信号 通过研究发现， 这些干扰 会将有用的目标信号淹没， 热源往往和目标的偏振特性是不完全相同的 。利用 不同物体对辐射偏振特征影响的差别， 可以有效地
3 3． 1
国外研究进展 背景和目标材质的偏振特性 国外红外偏振成像技术的研究最早可以追溯到
图7
不同的油漆样品在 7． 5 ～ 12 μm 波段、 45° 观察角度情况下的热辐射偏振度
Fig． 7 The polarization degree of thermal radiation from a kind of paint samples in the 7． 5 ～ 12 μm band at 45°
激光与红外
No． 8
2016
夏寅辉等
红外偏振在目标探测识别中的研究进展
911
上， 如图 5 所示， 其特点是无需改变红外光学系统， 结构紧凑， 同时保证了较高的红外辐射强度 ， 但对探 测器的制作工艺要求较高， 且探测器的均匀性校正 也比较困难。
偏振度在 0． 5% ～ 1． 5% 之间； 草、 树等绿色植被背 景的偏振度大约为 0． 5% 左右； 沥青、 混凝土公路的 偏振度是 1． 7% ～ 3． 4% ； 水面和海面的偏振度大约 是 1% ～ 2% 。 Stephanie［2］等利用红外偏振技术对增强材料进 行了研究， 图 6 是实验使用的红外偏振热像仪的结 构图， 采用 256 × 256 像元的 HgCdTe 面阵探测器， 8． 9 μm 时偏振 使用的偏振器件是金属线栅偏振片 ， 片的消 光 比 为 300 ， 观 测 波 长 为 8 ～ 12 μm， 观测 角 80° 。
图3
多偏振分光器构成的偏振成像系统
பைடு நூலகம்
Fig． 3 The polarization imaging system consisting of Multi － polarization beam splitter
图6
红外偏振热像仪结构图
Fig． 6 The structure of a infrared polarization thermal imaging system
像相对于普通的红外图像， 背景杂乱的问题可以起 到很好的抑制作用， 图 7 为油漆样本偏振特性的测 量结果， 观 测 波 段 为 7． 5 ～ 12 μm， 探测器观测角 45° ， 外部环境条件为： 温度 270 K， 天空晴朗， 太阳 光入射角 45° 。
图5
微偏振元件与焦平面探测器相结合
Fig． 5 Micro polarizing array combined with the focal plane array detectors
912 3． 2 目标探测识别应用进展
激光与红外
第 46 卷
将红外成像技术应用到实际的目标探测中， 根 据所探测目标所处背景的不同， 国外的主要研究大 致可以分为： 空间目标探测、 海上目标探测和地面伪 装目标的探测。 3． 2． 1 空间目标探测 红外偏振特性和它的变化规律能够用来表征空 间目标的表面信息和状态信息。空间目标的偏振特 性会随着目标特定材料的不同以及运动轨道的不同 而存在差异， 因此使用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 。 Keith Bush［5］等对近地和同步轨道卫星的偏振 特性分别进行了仿真研究。研究发现卫星上偏振特 性最为明显的部位是太阳能电池板， 在不同时间卫 星表现出的偏振特性存在非常明显的差异， 这种差 异主要是太阳能电池板对太阳的跟踪转动引起的 ， 该研究同时发现， 相对于可见光波段， 空间目标的偏 振特性在红外波段更为显著。 Stead［6］等对卫星的偏振度进行了测量， 测量方 法是将偏振分析器加在光电望远镜上， 该实验成功 测量出卫星的偏振度最大可以达到 39% 。 Sanchez［7］等研究了目标的偏振度与光度条件 的关系， 研究发现当光度信号强的时候， 目标偏振度 约为 10% ， 但是在黎明时光度特性弱的时候， 目标 的偏振度能够达到 40% ， 说明目标的偏振特性在不 同光度条件下存在较为明显的差异 。 3． 2． 2 海面目标探测 Cooper［8］等人用偏振成像技术对海面背景和舰 船目标进行了实验研究， 研究表明海面背景主要表 现为垂直偏振度， 而舰船目标的偏振度不明显； 在长 波红外波段， 背景与目标的水平偏振度的对比相较 于中红外波段有明显的增强。 荷兰代尔夫特理工大学的 Frank Cremer 搭 建 了红 外 偏 振 成 像 系 统 ， 并将其用于海面小目标 探测 。 Polarissensor 公司将红外偏振成像技术应用于 海上搜救， 如图 8 所示。可以看出： 不管是白天还是 晚上， 人、 物体和海水由红外偏振所成的像要比由非 偏振红外成像所成的像的对比度大的多 ， 该实验可 以证明， 利用偏振成像可以增大目标和背景的对比 度， 对海上目标的探测有很大意义。 3． 2． 3
作者简介： 夏寅辉（ 1977 － ） ， 男， 高级工程师， 在读博士， 主要从事红外成像整机， 光电侦察系统总体技术等方面的研究 。 E － mail： xyh_simon@ 163． com 收稿日期： 2015 － 11 － 20 ； 修订日期： 2016 － 01 － 12
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激光与红外
Timothy J． Ｒogne［3］等研究了多种油漆样本的偏 振特性， 样本全部由军方提供， 研究表明红外偏振图
图4 偏振阵列置于二次成像光学系统的实像面处 Fig． 4 The polarization array in the real image plan of the second imaging optical system
随着科技工艺与加工技术的不断发展， 红外热 像器件有了越来越高的的分辨率和灵敏度 ， 但是， 利 用现有的红外成像技术依然不能更有效地从复杂的 背景辐射中将目标进行探测和识别 。这个问题也是 成为了现在红外成像领域的一个研究热点 。偏振是 光的四个基本特性之一， 位于地表和大气中的任何 目标， 都存在一定的偏振特性， 而偏振特性由他们自 不同物体或同一物 身的性质和光学基本定律决定， 体的不同状态（ 例如粗糙度、 含水量、 构成材料的理 化特征等） 都会产生不同的偏振状态。 利用红外偏
Ｒesearch progress of infrared polarization in target detection and recognition
XIA Yin － hui1 ， LUO Shou － jun1 ， BAI Ting － zhu2 ， SONG Pei － shan2 ， QIAO Yu － hua1