偏振成像研究综述

偏振成像研究综述

西安工业大学光电工程学院

学生：刘彬彬指导老师：高明

摘要：偏振成像技术是光学领域得一项新技术，国内外十分重视对该技术及其应用的研究。地球表面和大气中的目标在反射、散射、透射及发射电磁辐射的过程中，会产生由它们自身性质决定的特征偏振。由于大气及地物光谱辐射的偏振敏感性，又由于偏振特性与物体的表面状态和固有属性密切相关，加上不同种类的目标具有不同的偏振特性，使得偏振成像逐步发展成地基、航空和卫星观测的新技术手段。在全球气候变迁研究，对地遥感探测和天文研究等领域得到应用。根据不同探测目标，从偏振分析机制和偏振信息获取模式等方面介绍了光学偏振成像技术的研究进展，并结合国内外相关领域偏振成像实验研究结果，描述了偏振成像技术在大气、自然地物、人工目标、医学诊断以及天文学探测领域的应用基础研究情况，最后总结和展望了偏振成像技术的问题和发展趋势。

关键字：偏振成像技术；特征偏振：遥感探测。

1 引言

光波的信息量是非常丰富的。依据光波的电磁理论，光波包含的信息主要有：振幅（对应于光强），波长（频率），相位，偏振态。通常的光辐射成像是获取目标的光谱，辐射强度及空间状态等信息，用于反演目标性质参数。但是，从电磁波的横波性质来看，偏振或称极化也是电磁波的重要特征之一。偏振特性与物质性质密切相关，是遥感需要获取的主要信息参数。在光学波段，无论是可见还是红外谱段，不同目标都具有各自一定的偏振特性。偏振参数能够很好的表征被探测目标的性质特征。因此，人们将光学遥感与偏振测量技术相结合，促进了偏振成像技术的发展。

传统的遥感方法获取的信息主要是电磁强度特征和几何特征,而偏振特性取

决于其表面的固有属性，如其介质特征，结构特征，粗糙度，水分含量等，还与观察角度和辐照条件有关，正是由于偏振测量同非偏振测量（通常为光强测量）相比能获得与物质自身特性相关的偏振信息，所以，通过解析目标的偏振信息可以更加容易的识别目标，同时由于偏振测量所具有的上述优点，它在云和大气气溶胶的探测、地质勘探、海洋开发、农牧业发展和军事等相关领域都具有重要的应用价值。同时，传统偏振成像一般采用被动工作方式，具有隐蔽性好的优点，但成像效果和距离均受到气象条件、目标温度对比度和天空背景照度等因素的限制。激光照明偏振成像技术克服了被动成像的缺点，在远距离暗目标探测和水下探测方面有着重要的应用。相对于被动成像而言，主动成像不依赖目标自身辐射(热成像)和目标对太阳或月亮等次光源的反射(可见光或近红外成像)，而是依靠仪器自身(激光雷达)发出激光作为照明光源，由被探测目标反射或散射光子来提取目标的信息。所以激光照明偏振成像技术不受气象条件、目标温度及背景照度

的影响，在遥感尤其是军事目标识别方面有着广泛的应用前景。

偏振是各种矢量波的一种基本性质，是指用一矢量波来描述空间某一固定点所观测到的矢量波随时间变化的特征。在偏振遥感中，我们常用stokes矢量法表示光的偏振态。光学偏振遥感探测在获取目标光辐射参数的基础上，能够得到目标stokes参数I,Q,U,V，它们既可以作为独立的信息，又可以计算得到目标的偏振信息，比如偏振度、偏振角以及偏振率等。为偏振成像解译提供更多维的数据源。并且由于偏振态是偏振辐射分量经过计算后的比值，因此在保证测量时刻相对精度的情况下，可以得到较高的偏振解析精度。对于偏振定标而言，只需要保证定标测量时刻的相对稳定源。偏振定标精度能够达到较高的水平。另外，偏振信息及其变化具有角度敏感性，将有助于目标状态特征的反演。光学偏振成像的这些独特之处，使其成为光学遥感技术的有限补充，在大气探测，对地遥感和天文学观测领域得到重要应用。

在我们生活中的科学探测试验中，传统的光强成像技术已经不能够满足我们的需求，随着偏振成像技术在最近一二十年的快速发展。偏振成像技术已经从可见光偏振成像技术向短波红外，中波红外到长波红外偏振成像技术的方向不断发展。同时，为了克服现有发展的各种偏振成像技术存在的问题，人们慢慢的研究探索着各种改进方法。例如像同时偏振成像技术，多光谱偏振成像技术，超光谱偏振成像技术等。比如说同时偏振成像技术就是通过一次曝光来获取同一景物的多幅不同偏振方向的偏振图像，它从根本上解决了一般偏振成像技术探测精度不高的问题；还比如说由于光强成像技术的不足，它在探测隐蔽或伪装的目标，实现对小温差目标的探测和识别，水下目标的探测和识别，在烟雾环境条件下的导航等等方面的严重不足，偏振成像技术就能很好的探测。像红外偏振成像技术能很好的探测隐蔽或伪装的目标，热红外偏振成像技术能实现对小温差目标的探测和识别，用偏振图像去雾算法就能很好的解决烟雾环境条件下的各种成像问题……

多年来，人们广泛开展了偏振探测系统技术，偏振机理及实验，偏振信息建模和解译等工作，应用于地面偏振测量，航空偏振探测和卫星偏振遥感的成像/非成像光学偏振仪器系统技术日趋成熟，各项偏振信息应用基础研究工作也逐步走向系统化、专业化方向发展。

实际上，偏振光的应用可谓历史悠久，比如，偏振测量在天文学上的应用，至今已经有一百多年的历史。除了遥感探测之外，偏振光在其他方面的应用也是非常广泛的：摄影、立体电影、汽车车灯、偏振太阳镜和望远镜、激光器谐振腔、偏振显微镜、糖度计等。椭圆偏振测量术已经应用于材料光学性质测定，半导体、电化学、生物学和医学等。近年来，又产生了利用偏振光读出光盘记录信息的技术。此外，还在固体的辐射损伤探测中得到应用。人们还从多方面开展了光学偏振遥感研究。从探测平台及探测装置看，国内外已经发展了地面、机载偏振成像探测试验装置，国外已研制成功星载偏振成像装置……所有这些，人们已经积累了大量经验成果。

2 偏振成像基本机理

光波是横波，其电矢量振动面与传播方向相互垂直，电场振动方向相对于传播方向的不对称性称为偏振，光的偏振程度可以用偏振度P来定义：

定义偏振度，Imin 和Imax 分别是一束光在两个垂直偏振方向上的最小和最大光强。显然，该定义在表示圆偏振光或者椭圆偏振光的偏振度时有局限性，不能将它们与部分偏振光和自然光有效地区分开来。

在光学偏振遥感领域，通常用stokes矢量法表示出光的偏振态：

偏振度为

偏振方位角为

式中，I为非偏振光强，Q、U分别代表两个方向上的线偏振光强，V代表圆偏振光强, ,,,,,分别表示置放在光传播路径上一理想偏振片在00、900、+450、-450方向上的线偏振光以及左旋(Z)和右旋(r)圆偏振光强。

当光束与物质相互作用时，出射光束的4个Stokes参数分别与入射光束的4个Stokes参数成线性函数关系，写成矩阵形式就是

M即称作米勒矩阵，是一个4×4阶矩阵，它表示这种物质的特性及取向。米勒矩阵是一种描述光学器件对光束改变(包括光强的衰减和退偏等)的理想方法。如果入射光的偏振信息完全已知，即已知地物的二向性反射的Stoke8矢量，那么通过米勒矩阵对其进行变换，就可得到光束经过偏振器之后的输出stokes矢量。通过米勒矩阵的换算，可以计算出光束经过偏振器后不同偏振方位角的光强变化，从而建立模型，实现二向性反射与多角度偏振反射之间的互相转化。

考虑到stokes参数为四元矢量，即最少需要四个方程才能解出一个目标待测点的完整的Stokes参数。当入射光通过一理想起偏器时，与参考方向成p角的理想起偏器的米勒矩阵为