红外偏振成像探测技术综述

第 28 卷 第 2 期 2006 年 2 月红 外 技 术 Infrared TechnologyVol.28 No.2 Feb. 2006〈综述与评论〉红外偏振成像探测技术综述聂劲松[1]，汪 震[2]（1.电子工程学院 503 室，安徽 合肥 230037；2.中科院安徽光机所，安徽 合肥 230031）摘要：论文对红外偏振成像技术进行了全面系统的综述，在论述红外偏振特性物理本质的基础上，指 出了红外偏振成像技术比较传统的红外成像技术具有的优势；给出了国内外该技术的研究概况；分析 了国外研究红外偏振成像技术得到的主要结论；最后，指出红外偏振成像技术不仅是红外侦察技术的 一次革命性进步，而且对传统的红外伪装技术提出了严峻的挑战，需要引起我们高度的重视。

关键词：偏振；红外；成像；探测技术 中图分类号：TN219 文献标识码：A 文章编号：1001-8891(2006)02-0063-05Summarize of Infrared Polarization Imaging Detection TechnologyNIE Jing-song[1]，WANG Zhen[2]（1.503 office, Institute of Electronic Engineering, Anhui Hefei, 230037, China; 2.Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, the Chinese Academy of Sciences, Anhui Hefei, 230031, China）Abstract：The technology of infrared polarization imaging detect was discussed. The advantages of infrared polarization imaging detect to traditional infrared imaging detect were given, and the main conclusion of overseas on infrared polarization imaging detect was analyzed. In the end, the significance of infrared polarization imaging detection technology and the challenge of this technology to traditional detect technology were pointed out. Key words：polarization；infrared；imaging；detection technology 式显示隐蔽的军事目标。

红外偏振成像技术作为比较传统的红外成像技术 具有以下几点优势： 1） 偏振测量无需准确的辐射量校准就可以达到相 当高的精度，这是由于偏振度是辐射值之比。

而在传 统的红外辐射量测量中红外测量系统的定标对于红外 系统的测量准确度至关重要。

红外器件的老化，光电 转换设备的老化，电子线路的噪声，甚至环境温度、 湿度的变化都会影响到红外系统。

如果红外系统的状 态已经改变，但是系统又没有及时定标，那么所测得 的红外辐射亮度和温度必然不能反映被测物的真实辐 射温度和亮度。

2） 根据调研国外公开发表的文献的数据说明， 目 标和背景差别较大，其中自然环境中地物背景的红外收稿日期：2005-07-05；修改日期：2005-11-08 作者简介：聂劲松（1970－），男，博士，现在解放军电子工 程学院从事军用光学工程专业教学和科研工作，主 要研究方向是激光技术和光电子技术。

引言由菲涅耳反射定律可知当非偏振光束从光滑介质 表面反射时，会产生部分偏振光。

另外根据基尔霍夫 理论，热辐射也表现出偏振效应。

所以地球表面和大 气中的任何目标，在反射和发射电磁辐射的过程中都 会产生由他们自身性质和光学基本定律决定的偏振特 性。

不同物体或同一物体的不同状态（例如粗糙度、 含水量、构成材料的理化特征等）会产生不同的偏振 状态，且与波长有密切关系，形成偏振光谱。

由于偏 振信息是不同于辐射的另一种表征事物的信息，相同 辐射的被测物体可能有不同的偏振度，使用偏振手段 可以在复杂的辐射背景下检出有用的信号，以成像方偏振度非常小（＜1.5%） ，只有水体体现出较强的偏 振特性， 其偏振度一般在 8%～10%。

而金属材料目标 的红外偏振度相对较大，达到了 2%～7%，因此以金 63第 28 卷 第 2 期 2006 年 2 月红 外 技 术 Infrared TechnologyVol.28 No.2 Feb. 2006属材料为主体的军用车辆的偏振度和地物背景的偏振 度差别也较大，所以利用红外偏振成像技术识别地物 背景中的车辆目标具有明显的优势。

3）军事上的红外防护的主要方法是制造复杂背 景，在背景中杂乱无序地放置各种红外点热源和面热 源， 使背景不均匀， 红外系统无法从背景中区别目标。

但是这种杂乱的热源和目标的偏振特性可能存在不 同，因此这种形式的防护对红外偏振成像侦察就存在 局限性。

4）红外偏振成像系统在取得偏振测量结果的同 时，还能够提供辐射量的数据。

直接旋转偏振片方式的结构框图和实物照片[1]。

2红外偏振成像技术的研究结果研究结果表明目标的反射辐射和自发辐射都含有偏振信息，偏振度与目标表面的光滑程度、探测器观 测角、目标温度有很大关系。

自然环境中地物背景的 红外偏振度非常小， 只有水体体现出较强的偏振特性。

水体表面的偏振度一般在 8%～10%。

2.1 B. Ben-Dor[2]等对地物背景研究的结论（观测条 1）植物背景（草，树等）偏振度小于 0.5%； 2）岩石，沙石，裸土等背景偏振度介于 0.5%～ 1.5%； 3） 水面， 水泥路面， 房顶等背景偏振度大于 1.5%。

2.2 Stephanie[3]等的研究表明红外偏振对于增强材料 的探测具有优势（观测条件：8 µm～12 µm，探测器 观测角 80°） 。

图 2 是其红外偏振热像仪的结构图。

其 选用的探测器是 256×256 元的 HgCdTe 面阵， 金属线 。

栅偏振片（消光比在 8.9 µm 是 300） ： 件：8 µm～12 µm，探测器观测角 70°）1国内外的研究概况1）国外从上世纪 60 年代开始就对红外偏振进行了大量的理论研究和包括室内外的实验研究。

通过调 研公开发表的文献，国内尚未对红外偏振成像技术进 行深入的研究。

图2 Fig.2国外某型红外偏振热像仪结构图The structure of a overseas infrared polarization thermal imaging system2.3Timothy J.Rogne 等[4]对军方提供的油漆样品的偏振特性进行了研究（观测设备是热像仪加旋转金属 线栅偏振片， 可以同时测量垂直和水平方向） 证明红 ， 外偏振图像可以较好的抑制普通红外图像中背景杂乱图1 国外某型直接旋转偏振片方式的 红外偏振成像设备结构和外形图 Fig.1 The structure and figuration of a overseas infrared polarization imaging equipment using direct rotated polarimeter的问题。

3 是不同油漆样品的测量结果 图 （观测条件： 温度 270 K，天空晴朗，太阳光入射角 45°，探测器观 测角 45°） 。

图中标记 REF 的是垂直观测的结果。

2.4 Lawrence B. Wolff[5]在实验室中对金属和塑料的 偏振特性进行了研究。

实验中对聚甲醛树酯塑料和钢 材料分别制作的圆柱加热到 70℃，采用工作波长为 3 µm～5 µm 的探测器，使用偏振成像的方法消除背景 的影响，结果如图 4 所示。

2） 随着红外热像仪的发展， 近年来国外红外偏振 成像设备都采用了面阵红外成像器件，测量不同偏振 方向红外偏振辐射的方法有两种，一种是直接旋转偏 振片，另一种是偏振片固定，旋转 1/4 波片。

图 1 是 64第 28 卷 第 2 期 2006 年 2 月聂劲松等： 红外偏振成像探测技术综述Vol.28 No.2 Feb. 20068 7 Degree of Polarization % 6 5 4 3 2 1 0 Ref1 1A 1B 1C 1D 1E Ref2 2A 2B 2C 2D Ref3 3A 3B 3C 3D R e f 4 4 A 4 B 4 C 4 D Measurement Group Ideal Surface图3 Fig.3不同的油漆样品在 7.5 µm～12 µm 波段、45°观察角度情况下的热辐射偏振度The polarization degree of thermal radiation from a kind of paint samples in the 7.5 µm～12 µm band at 45° Empirical data VS. theoretical prediction optically smooth aluminum surface(3 µm～5 µm)Partial polarization %plastic cylinderEmpirical data VS. theoretical prediction optically smooth plate glass(3 µm～5 µm)Partial polarization %steel cylinder 图4 聚甲醛树酯塑料和钢材料的 3 µm～5 µm 的偏振成像 Infrared polarization imaging on 3 µm～5 µm of polyoxymethylene resin plastic and steel 图5 光滑金属铝和光滑平板玻璃表面不同发射角度情况 下偏振率的理论值与实验值的比较 Fig.5 Comparison on the theoretic value and experiment value of the polarization degree of aluminium and glass on different emission angleFig.4同时对于表面光滑的铝板和玻璃，观测角度和偏 振度的关系进行了研究，结果如图 5 所示。