多角度探测的不同材质表面偏振特性实验分析_王莉雅.pdf

文章编号：1002-2082(2023)01-0137-08多角度探测的不同材质表面偏振特性实验分析王莉雅1，段锦1,2，付强1,2，郝有菲1，刘鹏1，范新宇1（1.长春理工大学电子信息工程学院，吉林长春130022；2.长春理工大学空间光电技术研究所，吉林长春130022）摘摘 要：要：相比于强度探测，使用偏振探测的方法能有效增强地物目标（如伪装目标）识别的准确性。设计并搭建偏振特性测试系统，对铁板、玻璃板、绿漆涂层铁板、绿漆涂层玻璃板、草皮这5 种目标进行多角度偏振成像实验。首先，通过旋转偏振片将入射光源设置为完全线偏振光。其次，在偏振相机镜头前加滤光片，来获取同一中心波段下 5 种材质在各个探测天顶角、探测方位角下的图像。最后，将获得的偏振图像进行偏振度计算。结果表明，不同材质的保偏特性不同，且物体偏振度只与材质表面涂层有关，与内部组成成分无关；在镜面反射方向，目标的偏振度最大。这说明偏振光探测能作为材料分类的依据，可应用于遥感探测、物证搜寻等方面，还对反偏振侦察的特殊伪装材料制作有一定指导意义。关键词：关键词：偏振；偏振度；天顶角；方位角；地物目标识别中图分类号：TN206;O436.3文献标志码：ADOI：10.5768/JAO202344.0103004Experimental analysis of polarization properties of different materialsurfaces by multi-angle detectionWANGLiya1，DUANJin1,2，FUQiang1,2，HAOYoufei1，LIUPeng1，FANXinyu1（1.SchoolofElectronicalandInformationEngineering,ChangchunUniversityofScienceandTechnology,Changchun130022,China；2.InstituteofSpaceOptoelectronicsTechnology,ChangchunUniversityofScienceandTechnology,Changchun130022,China）Abstract：Comparedwithintensitydetection,thepolarizationdetectioncaneffectivelyenhancetheaccuracyofgroundobjecttarget(suchascamouflagedtarget)recognition.Apolarizationpropertiestestsystemwasdesignedandbuilttoconductthemulti-anglepolarizationimagingexperimentsonfivetargets,namelyironplate,glassplate,greenlacquer-coatedironplate,greenlacquer-coatedglassplateandturf.First,theincidentlightsourcewassettocompletelylinearlypolarizedlightbyrotatingthepolarizer.Then,afilterwasaddedinfrontofthepolarizedcameralenstoobtaintheimagesoffivematerialsinthesamecentralbandatvariousdetection zenith angles and detection azimuth angles.Finally,the polarization degree of the obtainedpolarizationimagewascalculated.Theresultsshowthatthepolarizationpreservingpropertiesofdifferentmaterialsaredifferent,andthepolarizationdegreeoftheobjectisonlyrelatedtothesurfacecoatingofthematerial,andhasnothingtodowiththeinternalcomposition.Inthedirectionofspecularreflection,thetargethasthelargestdegreeofpolarization.Thisindicatesthatthepolarizedlightdetectioncanbeusedasabasisformaterialclassification,whichcanbeappliedtoremotesensingdetection,materialevidencesearchandotheraspects,and has certain guiding significance for the production of special camouflage materials for anti-polarizationreconnaissance.Key words：polarization；degreeofpolarization；zenithangle；azimuthangle；groundobjectidentification收稿日期：2021-11-02；修回日期：2022-09-09基金项目：国家重大科研仪器研制项目（62127813）作者简介：王莉雅（1995），女，硕士研究生，主要从事偏振传输与成像方面的研究。E-mail：通信作者：段锦（1971），男，教授，博士生导师，主要从事偏振传输与成像、图像处理等方面的研究。E-mail:第44卷第1期应用光学Vol.44No.12023年1月JournalofAppliedOpticsJan.2023引言光属于电磁波，偏振是它的固有属性。在光的传播途中，不同目标会产生由它本身特性决定的不同偏振属性1。随着波长、角度、辐射强度以及外界温度的改变，目标的偏振态也会发生变化。在上个世纪，国内外众多学者便对目标开始了偏振特性的探索。Wolff.L.B 等发现，目标表面的偏振特性与它本身的粗糙度相关联2。Vimal 等做了大量实验，表明目标偏振度（degreeofpolarization,DOP）与复折射率有关3。安徽光机所借助地物光谱仪，总结出不同水含量的土壤在不同角度的光谱特性4。长春光机所研究了探测天顶角对目标偏振度的影响，还建立了 PG 模型来反演粗糙度和折射率5。国防科技大学张朝阳等人在草地背景放置各色伪装涂层来采集它们在不同波段的偏振信息，并指出在杂乱背景环境中发现伪装目标的最佳探测波段和角度6。北京信息科技大学秦绪志、牛春晖等人从微面元理论入手，建立“猫眼”目标表面的回波散射偏振模型，发现目标表面粗糙度越大，其所得偏振度越小的规律7。熊志航、廖然等人对多种金属、非金属材质目标进行多波段偏振成像实验,并不断调整入射光源角度,实现了在爆炸现场对金属碎屑的寻找识别8。以上研究大多以辐照度不断变化的完全非偏振光太阳光为入射光源，且未对地物目标进行全方位的入射角度、出射角度探究，不能对决定目标表面偏振特性的影响因素做出全面的分析。让光源通过起偏器获取完全线偏振光，经空气传输后折射到物体表面，再经相机捕捉成像数据，计算剩余偏振光所占百分比，分析不同材质的保偏效果，以支撑复杂环境下目标种类识别研究。基于偏振双向分布反射函数，建立可见光偏振反射传输方程，得出偏振信息与目标观测角度等参数的关系，可支撑偏振双向反射分布函数（polariza-tion bidirectional reflection distribution function,pBRDF）模型的反演研究。1 偏振探测基本原理当一束非偏振光在光滑物质表面反射时，垂直的反射光 s 分量和平行的反射光 p 分量会发生变化，因而产生偏振光。可用菲涅尔公式定量计算反射光振幅与入射光振幅的比值关系9：rs=ErsEis=sin(12)sin(1+2)（1）rp=ErpEip=tan(12)tan(1+2)（2）12式中：E为振幅；i、r 为入射和反射；、为入射角和折射角，其关系为n1sin1=n2sin2（3）介质折射率各不相同，可用统一公式将光强表示为I=1200nE2（4）00式中：表示在真空中的介电常量；为真空磁导率；n 为光在介质中的折射率；E 为光的振幅。反射光中s光和p光的反射率为Rs=IrsIis=|Ers|2|Eis|2=sin2(12)sin2(1+2)（5）Rp=IrpIip=Erp2Eip2=tan2(12)tan2(1+2)（6）将上式同 Snell 定律联立，可得经介质表面反射后光的偏振度10：Pr=IrsIrpIrs+Iip=cos21arcsin(n1sin1/n2)cos21+arcsin(n1sin1/n2)cos21arcsin(n1sin1/n2)+cos21+arcsin(n1sin1/n2)（7）实际中检测的物质并非光滑表面，因此需引入二向反射分布函数（bidirectionalreflectiondistribu-tionfunction,BRDF），最早由 Nicodemus在 20 世纪70 年代正式提出。把物体表面看作是由一系列的微面元组成，这些面元的反射也符合菲涅耳关系11-12，其表达式为fr(i,r,i,r,)=dLr(r,r,)dEi(i,i,)（8）i,ri,r式中：分别为光的入射角和出射角；分别=riLrEi为光的入射与接收方向在水平方向的投影和 X 轴之间形成的夹角，有；和分别为反射光与入射光的斯托克斯矢量，下标 i 和 r 分别为入射和反射；和 分别为方位角与天顶角；Z 为目标表面的平均法线方向，则 BRDF 几何关系图如图 1所示。基于标量 BRDF 引入偏振概念，形成了偏振 BR-DF。它量化了方向散射，且全面表示了目标的偏振特性和反射特性，改进的偏振 BRDF 表达模型可分138应用光学第44卷第1期为镜面反射、漫反射和体散射三部分，其表达式为13：F=ks fs+kmfm+kvfv（9）kskmkv式中：为镜面反射系数；为漫反射系数；为体散射系数。fsjk(i,i;r,r)=121421cos4exp(tan2/22)cosicosrMjk(i,i;r,r)（10）fm=12mexp(2r22m)Mmjk（11）2Mj,krsrpMmjkMm0,0MvjkMv0,0fv00=1式中：j,k 代表矩阵行列，取值在 03 范围内；为目标表面粗糙度的斜度方差；为粗糙面法线和小面元法线中的夹角；为入射光与散射光的穆勒矩阵，可由 和得出14；为退偏矩阵，仅为1，其余元素都为 0。同理退偏矩阵仅为 1，其余元素都为 0，入射光与粒子碰撞后沿每个方向出射概率相同，可取。Ei=1 1 0 0T在入射光源为 0线偏振光的情况下，入射光用斯托克斯表示为，求得反射光斯托克斯表达式为Lr=L0L1L2L3=f00f01f02f03f10f11f12f13f20f21f22f23f30f31f32f33E0E1E2E3=ksfs00+kmfm00+kvfv00+ksfs01ksfs10+ksfs11ksfs20+ksfs21ksfs30+ksfs31（12）偏振度表达式为DOP=(f10+f11)2)/(f00+f01)=(f10+f11)2+(f20+f21)2+(f30+f31)2)/(f00+f01)=ks121421cos4exp(tan2/22)cosicosrG(i,r,)(M210+M211)+(M220+M221)+(M230+M231)ks121421cos4exp(tan2/22)cosicosrG(i,r,)(M00+M10)+km12exp(2r22)+kv（