分时型长波红外高帧频偏振成像实验研究

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微偏振片阵列型长波红外成像系统定标方法

微偏振片阵列型长波红外成像系统定标方法微偏振片阵列型长波红外成像系统是一种常见的红外成像技术,可用于检测和识别物体的温度和结构。

定标是这种系统的重要组成部分,以确保成像系统的精度和可靠性。

本文将介绍微偏振片阵列型长波红外成像系统定标方法,并探讨如何进一步拓展该技术。

一、微偏振片阵列型长波红外成像系统的定标方法1. 校准仪器微偏振片阵列型长波红外成像系统的校准仪器通常用于测量系统的偏振态和红外响应。

校准仪器应具有适当的精度和稳定性,以确保成像系统的精度和可靠性。

常用的校准仪器包括偏振片校准器、红外光谱仪和红外热像仪等。

2. 测量系统参数在进行定标之前,需要测量系统的各项参数,包括红外光谱响应、偏振态和分辨率等。

这些参数对成像系统的精度和可靠性至关重要。

红外光谱仪是一种常用的测量仪器,可以测量系统的光谱响应。

偏振片校准器可以校准系统的偏振态,红外光谱仪可以测量系统的红外响应。

分辨率是成像系统的一个重要参数,决定了系统可以检测出物体的大小和形状。

3. 对比测量在测量系统的各项参数后,需要将测量结果进行比较,以确定系统的精度和可靠性。

比较测量可以采用类似于定标的方法,包括校准仪器测量和对比测量等。

通过比较测量,可以确定系统的精度和可靠性,从而为系统的应用提供保障。

二、微偏振片阵列型长波红外成像系统进一步拓展随着技术的发展,微偏振片阵列型长波红外成像系统的应用范围越来越广泛。

以下是微偏振片阵列型长波红外成像系统进一步拓展的一些技术:1. 多光谱成像多光谱成像是一种将红外光谱和可见光谱等多种光谱信息融合成像的技术。

多光谱成像可以提高系统的分辨率和精度,同时扩展了系统的应用范围。

2. 非破坏性检测非破坏性检测是一种可以检测出系统中是否有损坏或缺陷的技术。

非破坏性检测可以提高成像系统的精度和可靠性,从而为系统的应用提供更保障。

3. 三维建模三维建模是一种可以将系统内部和外部的信息转化为三维模型的技术。

三维建模可以提高成像系统的可视化程度,为系统的优化设计提供参考。

分焦平面偏振成像关键技术

分焦平面偏振成像关键技术罗海波;刘燕德;兰乐佳;叶双辉【摘要】偏振成像是一项具有巨大应用价值的前沿技术,近年得到了业内人士的广泛关注.文章介绍了偏振成像的原理、特点、应用以及国内外研究现状,还介绍了几种常用的实现方法及其优缺点,最后对当前偏振成像的主流方法——分焦平面法的关键技术进行了讨论.%Polarization imaging is an advanced technology with increasing applications and it has attracted wide atlention in recent years. In this paper, theories, characteristics, applications and the research status of polarization imaging are introduced. The implementation of several common methods and their advantages and disadvan-tages are also explored. Finally, the key technologies of division of focal plane polarimeters which is the current mainstream method of polarization imaging are analyzed.【期刊名称】《华东交通大学学报》【年(卷),期】2017(034)001【总页数】6页(P8-13)【关键词】成像;偏振成像;分焦平面法;插值;非均匀性校正【作者】罗海波;刘燕德;兰乐佳;叶双辉【作者单位】中国科学院沈阳自动化研究所,辽宁沈阳 110016;华东交通大学机电与车辆工程学院,江西南昌 330013;华东交通大学机电与车辆工程学院,江西南昌330013;华东交通大学机电与车辆工程学院,江西南昌 330013【正文语种】中文【中图分类】TP391偏振是光波的基本属性之一,其中蕴含着被测物的众多特征信息。

红外偏振成像对伪装目标的探测识别研究

给出了试验分析数据和偏振融合效果图。研究表明，用红外偏振成像技术可以有效地实现对采
地面伪装目标的探测和识别。研究结果还可以扩展到对人工假目标、中隐身目标等的探测和空
识别。
关键词：外偏振成像；托克斯参量；振融合图像；红斯偏伪装目标；测和识别探
第３３卷第３期
２１０２年５月
应用光学 NhomakorabeaＶ０．３Ｎｏ３Ｉ３．
Ｍａｙ２０１２
ＪｕｎｌｆＡｐｌｄＯｐｉｓｏｒａｐｉｔｏｅｃ
文章编号：０２２８（０２０ — ４１０１０ — ０２２１）３０４ — ５
中图分类号：ＴＮ６；Ｐ５５Ｔ７１文献标志码：Ａｄｉ１．７８Ｊｏ：０５６／ＡＯ２１３．３１０Ｏ２３０００１
Ｉｒｒｄｐｏａｉａｉｎｉａｉｇ：ｅｅｔｏｎｅｏｎｉｉｎｎｆａｅｌｒｚｔｏｍｇｎｄｔｃｉｎａｄｒｃｇｔｏ
ＧＡＯｅｇ，ＳＭｎＵＮ —ｅｇ，ＧＡＯｏｂＫｅｆｎＪａ－ｏｉ
（ ’ｎＩｓｉｔｆＡｐｌｄＯｐｉｓｘｉｎｔｕｅｏｐｉｔ，Ｘｉｎ７０６ａｔｅｃ ’ １０５，Ｃｈｎ）ａｉａ
ＡｂｔａｔＤｕｏｔｅｌｗｅｅｅｔｎａｄｒｃｇｉｏｒｂｂｌｙｏａｕｌｇａｇｔｙｃｒｅｔｓｒｃ：ｅｔｈｏｒｄｔｃｉｎｅｏｎｔｎｐｏａｉｔｆｃｍｏｆａｅｔｒｅｕｒｎｏｉｉｂｏｔ — ｌｃｒｃｌｉａｉｇｓｓｅｓｔｉｉｏｔｎｏｄｖｌｐａｎｗｅｈｏｏｙｔｅｅｔａｄｒｃｐｏｅｅｔｉａｍｇｎｙｔｍ，ｉｓｍｐｒａｔｔｅｅｏｅｔｃｎｌｇｏｄｔｃｎｅ —

红外偏振成像对伪装目标的探测识别研究_王军

机组合，探测波段在可见光、近红外波段，每个通探测３个Ｓ体积较道各自选择波片，ｔｏｋｅｓ矢量，大，有运动部件。
英国Ｔｈａｌｅｓ光学有限公司开展了红外偏振成像探测研究，利用长波偏振热成像仪与普通热成像仪进行了比对试验研究。图２为被沙土掩埋的采用偏振融３种金属材料物体的强度图和偏振图，
图２ＬＷＩＲ偏振成像与普通热成像试验效果比较Ｆｉ．２ＥｘｅｒｉｍｅｎｔｅｆｆｅｃｔｃｏｍａｒｉｓｏｎｂｅｔｗｅｅｎＬＷＩＲｇｐｐｉｍａｅａｎｄｃｏｍｍｏｎＩＲｉｍａｉｎｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｇｇｇｐ
１国内外情况
近年来，发达国家在偏振成像探测技术研究取得了很大方面开展了大量的理论与试验研究，的进展。美国军方和ＢＡＥＳＹＳＴＥＭＳ高级技术中心对偏振成像探测技术在军事上的应用开展了
４］。图１为普大量研究工作，取得了大量试验数据［
；收稿日期：２０１１１１１４２０１２０３０２－－修回日期：－－，作者简介：王军（男，江苏沛县人，研究员，主要从事军用目标光学特性、光谱成像及仿真评估技术研究工作。１９６８－）：Ｅ－ｍａｉｌｘａ２０５ｗａｎｕｎ６３．ｃｏｍ＠１ｇｊ
：／中图分类号：ＴＮ６５；ＴＰ７５１文献标志码：Ａｄｏｉ１０．５７６８ＪＡＯ２０１２３３．０３０１００１

长波红外偏振探测的数学模型分析与计算

ＬＩＵＹｕ — ｘｕａｎ，ＧＵＭｉｎｇ－ｊｉａｎ
（ＳｈａｎｇｈａｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｉｃａｌＰｈｙｓｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００８３，ＣｈｉｎａＪＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｌｏｎｇ－ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｉｎｒｆａｒｅｄ（ＬｗＩＲ）ｐｏｌｒｉａｚａｔｉｏｎｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，ａｍａｔｈ－
摘要：为了分析研究长波红外偏振探测机理，根据实际的探测结构，建立了系统数学
模型。运用相关公式对其中的各个因素进行了理论分析和数学计算，分析得出了整个模型中的元器件对最终偏振探测结果的影响。根据分析结果，提出了提高整个系统探测精度的相应方法与措施。本文的数学模型以及理论分析为整个长波红外偏振探测系统研究提供了一定的理论基础，并为进一步的实验验证及实际应用提供了有一定参考
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＬＷＩＲ；ｐｏｌｒｉａｚａｔｉｏｎｉｍａｇｉｎｇ；ｒａｄｉａｔｉｏｎｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ
文章编号：１６７２－８７８５（２０１３）０５ — ００２９－０６

LED的偏振特性实验及其在机器视觉中的应用

D O I :10.3969/j.i s s n .1001-5337.2022.2.087 *收稿日期:2021-11-03基金项目:福建省中青年教师教育科研项目(科技类J A T 191419㊁J A T 171100);漳州职业技术学院校级课题(Z Z Y 2021B 042).作者简介:曹兰,女,1982-,硕士,讲师;研究方向:人工智能,机器视觉;E -m a i l :157621421@q q.c o m.L E D的偏振特性实验及其在机器视觉中的应用*曹兰(漳州职业技术学院电子工程学院,363000,福建省漳州市) 摘要:通过实验测试了5种光源在偏振特性试验中的偏振光强随偏转角度变化.实验结果表明:采用单色L E D 光源,结合起偏和检偏等光学元件进行打光,可获得较理想的线偏振光,这种L E D 偏振光源能明显改善图片的反光现象.关键词:L E D ;偏振特性;机器视觉;偏振成像中图分类号:T P 242 文献标识码:A 文章编号:1001-5337(2022)02-0087-050 引言在光的偏振实验中,我们认识了起偏和检偏,以及光的偏振特性.光的偏振特性被广泛应用于视觉检测里的图像采集[1-2].在进行图像采集时,由于金属或绝缘表面反射光线时会产生部分偏振,造成镜面反射,影响成像效果.解决的方法是,在相机前面加上偏振滤镜,旋转偏振滤镜到一定位置可以抑制部分偏振.但由于非偏振光被物体反射后会产生部分偏振,所以更好的解决方法是使光线到达检测物时先转换成偏振光.这样我们用2个偏振片,安装在镜头上的偏振片起到检偏镜的作用,光源上的偏振片起到起偏镜的作用.只要将检偏镜和起偏镜呈90度,反射造成的偏振光就会被消除或减弱了[3-4].为进一步探究偏振实验及L E D偏振光源在工程中的应用,本课题根据偏振光检测原理,测量了5种光源的偏振光强,分析了各种光源的偏振特性.图1 偏振光检测原理1 偏振光检测原理偏振光检测原理图如图1所示,旋转检偏器P 2一周,可以看到屏幕上会逐渐交替显现两次最明两次最暗.其光强变化分析如下:自然光经过起偏器P 1后,得到振动平面平行于P 1偏振化方向的平面偏振光,其振幅为A .在经过晶片其光强为A o =A s i n α,A e =A c o s α,α为起偏器主界面与晶片光轴的夹角.过检偏P 2器后,只存在振动平面平行于检偏器P 2主截面的分量A o e 和A e e .A o e =A o s i n β=A s i n αs i n β,(1)A e e =A e c o s β=A c o s αc o s β.(2)这两束光是同频率㊁不等振幅㊁振动平面在同一平面的相干光.透射光的光强为I 2=A 2o e +A 2e e +2A o e A e e c o s δ=I 1c o s 2(α-β)-s i n2αs i n2βs i n 2δ2éëêêùûúú.(3) 第48卷第2期2022年4月曲阜师范大学学报J o u r n a l o f Q u f u N o r m a l U n i v e r s i t yV o l .48 N o .2A p r .2022若强度为I 的平面偏振光直接通过检偏器,即δ=0,出射光强为I =I c o s 2(α-β)=I c o s 2θ,(4)其中θ为平面偏振光偏振面和检偏器主截面的夹角.2 L E D 光源偏振实验2.1实验原理图2 L E D 光源偏振实验原理图L E D 光源偏振实验原理如图2所示[5-6].光源经过平行光学装置可以得到平行光,经过起偏器P 1之后形成线偏振光,经检偏器片P 2到达光电池,光电池将偏振光强转换为电压信号,经差分放大和A /D 转换为数字信号在计算机中进行处理和分析.实验时,起偏器P 1和检偏器片P 2采用光电直径为2.54c m 的教学实验偏振片,光电池的参数是采光面积为10ˑ10mm 2,工作光谱范围为300~1000n m [7-8].为减少共模信号干扰,采用差分放大器,24位A /D 转换器[9].测量时旋转台在水平面上绕垂直轴旋转,步进角度为1.0ʎ,每间隔20ʎ采集一次数据,每个数据测量6次取平均值.正反各转180ʎ之后共采集到20个数据.2.2 实验结果及分析本次L E D 的偏振实验主要用到白色和蓝色的L E D 光源,作为对比,添加激光㊁白炽灯㊁以及白炽灯与滤光片组合3种光源.每种光源在P 2旋转一周时测得的光电压值如表1所示,每种光源的偏振光强随角度的变化曲线如图3所示,结果分析如下:(1)光的偏振特性实验中,理想光源应满足到达光电池的最小光强为零,从图3可看出只有激光作为光源到达光电池时最小光电压为零,L E D 光源的最小光强也接近零.这说明在偏振特性试验中,激光是一种理想光源,L E D 也是较为理想的光源.图3 5种偏振光源的光电压随偏振角度变化的曲线(2)除激光外,其它偏振光源,到达光电池的光强恒大于0,L E D 光源的最小光强也接近零,这说明激光是相干光,而白炽灯并非相干光.这里需要说明的是,激光的相干性是激光器里的谐振腔产生出来的,不是任何两束激光都是相干光,一般要求是同一个光源发出的激光.88 曲阜师范大学学报(自然科学版) 2022年(3)白炽灯光作为偏振光源,光电池端测得的光电压波动很小,说明起偏器和检偏器对白炽灯的整个光谱几乎不起作用.在其后添加宽带蓝色薄膜滤光片后,从图3可以看出,滤光片吸收了某些波长的光,使测得的光强减弱,但并不影响其偏振特性.这说明在偏振特性试验中,白炽灯不是理想的光源.(4)L E D 灯作为偏振光源,光电池端测得的光电压变化较明显.L E D 已遍及可见光㊁红外线及紫外线,光度也提高到相当的宽度,而且光的单色性较好㊁寿命长㊁调整方便.这说明在偏振特性试验中,L E D 光源是较为理想的光源.表1 5种偏振光源的光电压随偏振角变化的值角度θ/ʎ光电压u /m v激光白炽灯白炽灯加滤光片L E D 白色L E D 蓝色18043231327210013016039831027080108140282306267599012011630126324541002829625892790029425539802829525810286011730026223554028330526860912039931127181105043231327286120-2039831127182106-402753062695990-601182992632456-80292962571027-90029425638-100292962591127-1201173012642453-1402823052685989-16039930826981109-1804323122721001303 L E D 偏振光源的工程应用3.1 偏振成像原理在光源中,通常用斯托克斯矢量S =[IQ U V ]T来描述光的偏振特性.I ,Q ,U ,V 分别是X 方向线偏振,Y 方向线偏振,+45ʎ线偏振,左旋圆偏振.当光照射在物体上时,物质的偏振性质会改变光的强度以及偏振状态.光学元件对光偏振态的变化,一般用M u e l l e r 矩阵来描述,其入射光的斯托克斯参量S i n 与透射光的斯托克斯参量S o u t 的关系如公式[10-11]S o u t =M ㊃S i n ,S 0o u t S 1o u t S 2o u t S 3o u t éëêêêêêùûúúúúú=m 11m 21m 31m 41 m 12m 22m 32m 42 m 13m 23m 33m 43m 14m 24m 34m 44éëêêêêêùûúúúúú S 0i n t S 1i n t S 2i n t S 3i n t éëêêêêêùûúúúúú.(5) M u e l l e r 矩阵包含了物质的各种结构特征,通过研究物质的M u e l l e r 矩阵就可以得到物质的结构特征信息.物质的M u e l l e r 矩阵可以根据光的偏振状态的改变计算得到.例如偏振片的M u e l l e r 矩阵为98第2期曹兰:L E D 的偏振特性实验及其在机器视觉中的应用M P =121c o s 2θs i n2θ0 c o s 2θc o s 22θs i n2θc o s 2θ0 s i n2θ-s i n2θc o s 2θs i n 22θ00000éëêêêêêùûúúúúú,(6)其中,θ表示偏振片的偏振化方向与水平方向上的夹角.如1/4玻片的M u e l l e r 矩阵表示为m B =121000 0c o s 22θs i n2θc o s 2θs i n2θ 0s i n2θc o s 2θs i n 22θ-co s 2θ 0-s i n2θc o s 2θ0éëêêêêêùûúúúúú.(7) M u e l l e r 矩阵包含了物质全部的偏振特征信息,表示偏振信息的主要参量有强度㊁偏振角和偏振度,其中线偏振度和偏振角如公式(8)所示D O L P =Q 2+U 2I,(8)AO P =12a r c t a n U Q æèçöø÷.(9) 根据式(8)和式(9),以及如上计算斯托克斯向量原理,就可以测量得到入射光照射在物体上的偏振信息,这即为偏振成像.3.2 L E D 偏振光源在机器视觉中的应用在机器视觉检测系统中,L E D 偏振光源克服了大量的工件反光问题[12-13].本课题在视觉基础实验平台上进行打光实验,采用L E D 光源结合偏光镜片和偏光板,可以消除打光时产生的反光现象.在对金属螺钉进行打光实验时,金属螺钉纹理光滑且有部分突起特征.图4为采用普通L E D 环光照明时,检测目标与背景对比不够突出,检测目标较为模糊.图5为采用L E D 双偏振环光打光的效果,金属螺钉与背景对比突出,便于图像处理.图4 L E D 普通环光对金属螺钉打光效果图5 L E D 双偏振环光对金属螺钉打光效果在工业应用上,以工件表面字符检测为例.图6的工件上包着包装膜.若用常规L E D 光源照明,会因为薄膜上的强反光而阻止大部分光进入到工件,而使工件模糊不清.图7为采用L E D 双偏振光源能克服反光,增加漫反射,让大部分光进入到工件从而使工件更清楚.因此,采用偏振光源进行打光可以消除或减弱光滑工件表面的反光或亮斑.图6 L E D 常规光源对工件薄膜表面打光效果图7 L E D 双偏振光源对工件薄膜表面打光效果09 曲阜师范大学学报(自然科学版) 2022年4 结论本课题研究了5种光源的偏振特性试验,通过对比偏振光强变化来分析5种光源的偏振特性.实验表明偏振镜或检偏镜具有光谱波段选择性;L E D 光源由于单色性好㊁光谱波段窄,偏振光强会变化明显,可以作为机器视觉的理想光源.将L E D 偏振光源应用到工业机器视觉打光实验中,可以明显消除或减弱工件表面的反光,突显良好的图像效果,在机器视觉检测系统中发挥着重要作用,解决了大量工程难题.参考文献:[1]朱宝伟.机器视觉中的光源照明设计[J ].电子科技,2013,26(3):80-82.[2]张正林.复杂目标红外偏振特性研究[D ].南京:南京理工大学,2020.[3]周强国,黄志明,周炜.偏振成像技术的研究进展及应用[J ].红外技术,2021,43(9):817-828.[4]赵永强,马位民,李磊磊.红外偏振成像进展[J ].飞控与探测,2019,2(3):77-84.[5]L iXB ,L eTB ,B o f f e t y M ,e t a l .T h e o r y o f a u t o c a l i b r a t i o n f e a s i b i l i t y 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g D e p a r t m e n t ,Z h a n g z h o u I n s t i t u t e o fT e c h n o l o g y ,363000,Z h a n g z h o u ,F u ji a n ,P R C )A b s t r a c t :T h e s u b j e c t h a s t e s t e d f i v e o f l i g h t s o u r c e s t o a p p e a l p o l a r i z a t i o n i n t e n s i t y c h a n ge s a n d c h a r -a c t e r i s t i c s of t h e mo n t h e p o l a r i z a t i o n c h a r a c t e r i s t i c t e s t .T h e e x pe r i m e n t a l r e s u l t d i s c o v e r s t h a t i t h a s g o t i d e a l l i n e a r l yp o l a r i z e d l i g h t b y a p p l y i n g m o n o c h r o m a t i c l i g h t s o u r c eL E D w i t h p o l a r i z a t i o na n da n a l y z e r ,a n d t h i s h a s a l s o i m p r o v e d s i g n if i c a n t l y th e r e f l e c t i o no f p i c t u r e s .K e y wo r d s :L E D ;p o l a r i z a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s ;m a c h i n e v i s i o n ;p o l a r i z a t i o n i m a g i n g 19第2期曹兰:L E D 的偏振特性实验及其在机器视觉中的应用。

红外偏振成像探测技术及应用研究_姜会林

2003 年，瑞典国防研究局利用红外偏振探测能在复杂背景中检出伪装目标的特点，测量证明表面覆盖空心微珠结构的伪装物体散射光的退偏振度是入射角的函数。同年，又利用偏振成像透视三层伪装网，效果如图 6 所示。
旋转偏振片型时序式，机械旋转分振幅型液晶/声光调制型分波前/ 分孔径型分焦平面型通道调制型多光路、多探测器，实时成像时序式，电控旋转多光路、单探测器，实时成像单光路，单探测器全偏振、实时成像单光路、单探测器全偏振、实时成像
(1. Space opto-electronics institute, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China 2. Electronical-information Engeering institute, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China)
0
问题的提出
红外偏振成像是在红外成像基础上，通过获得每一点的偏振信息而增加信息维度的一种成像技术，不仅能获得目标二维空间的红外图像，而且能获得图像上每一点偏振信息。利用增加的偏振维度，可明显增强伪装、暗弱等目标与背景的差异，提高目标探测与识别能力[1-4]。根据其获取的偏振信息，红外偏振成像可分为红
收稿日期：2014-03-18；修订日期：2014-05-05. 作者简介：姜会林（1945-），男，博士，博士生导师。主要从事空间激光通信、光电测试、偏振成像等方面的工作。基金项目：国家“973 项目”。
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第 36 卷第 5 期 2014 年 5 月

红外偏振成像技术的研究进展

红外偏振成像技术的研究进展在科技的浩瀚星空中，红外偏振成像技术犹如一颗新星，其光芒逐渐闪耀，照亮了遥感探测的新天地。

这项技术，宛如一把锐利的钥匙，打开了传统光学成像无法触及的宝库大门，让我们得以窥见物质世界的另一面——偏振信息的世界。

传统的光学成像技术，就像是在黑白电视上观看节目，虽然能够捕捉到物体的基本轮廓和形状，但色彩和细节却丢失了。

而红外偏振成像技术，则像是将这台电视机升级为高清彩电，不仅保留了原有的图像信息，还增添了丰富的色彩和层次感。

它通过捕捉物体表面反射光的偏振状态，揭示出物体的材料特性、表面粗糙度甚至是温度分布等重要信息。

近年来，随着材料科学、光学设计和数据处理技术的飞速发展，红外偏振成像技术也迎来了前所未有的发展机遇。

研究人员们就像是一群勤劳的蜜蜂，不断采集着科技花蜜，酿造出更加甜美的成果。

他们利用新型的偏振敏感材料和先进的成像算法，大大提高了成像的灵敏度和分辨率。

如今的红外偏振成像系统已经能够在复杂的背景下，清晰地识别出目标物体，就像是一位经验丰富的侦探，在混乱的线索中迅速锁定嫌疑人。

然而，技术的发展从来都不是一帆风顺的。

红外偏振成像技术在迈向更高目标的道路上，也面临着种种挑战。

其中最为棘手的便是如何克服大气扰动对偏振信息的影响。

大气中的水汽、气溶胶等粒子就像是一面面扭曲的镜子，它们改变了光线的传播路径和偏振状态，给成像结果带来了不小的误差。

为了解决这一问题，研究者们纷纷投入到大气校正技术的研究中。

他们试图通过建立精确的大气模型和使用先进的信号处理算法来消除这些扰动带来的影响。

这就像是在波涛汹涌的大海上航行，需要精准的导航仪和稳定的舵手来确保航船不偏离航线。

除了大气校正的挑战外，如何将红外偏振成像技术更好地应用于实际也是研究者们关注的焦点。

从环境监测到医学诊断再到军事侦察等领域都迫切需要这种新技术的加入。

研究者们正在努力探索不同应用场景下的最佳成像方案，并开发出更加便携和经济的设备来满足市场需求。

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分时型长波红外高帧频偏振成像实验研究张哲;刘欣悦;王建立;姚凯男;李天赐【摘要】为了弥补传统分时型长波红外偏振成像系统不能实时探测的不足,本文通过采用超高速高定位精度旋转轮,在分时型红外偏振成像装置的基础上,实现了准实时动态高温目标偏振度图像的探测.采用超高速高定位精度旋转轮,快速带动偏振片旋转,改变了目标信息的偏振态,红外相机同步采集图像数据,每4幅不同角度的光强图,解算出偏振度图,循环此过程,得到运动目标偏振度视频数据,使装置能够实现运动物体的偏振探测.利用软件控制整个装置成像过程,由于实验所用红外相机帧频的限制,所以整个装置实现了15帧/s的目标偏振度探测,得出目标偏振度变化曲线,以及强度图与偏振度图的融合结果.本文研究的基于高速旋转轮的分时型长波红外偏振成像,在具有传统装置优点的基础上,可以实现探测15帧/s的动态高温运动目标的偏振度图像.该装置在未来的火场救援、燃烧诊断和高温目标的精细成像等领域,具备潜在应用价值.【期刊名称】《液晶与显示》【年(卷),期】2019(034)005【总页数】7页(P508-514)【关键词】长波红外偏振;运动目标;偏振探测【作者】张哲;刘欣悦;王建立;姚凯男;李天赐【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033;中国科学院大学,北京100039;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033;中国科学院大学,北京100039;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033;中国科学院大学,北京100039;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033;中国科学院大学,北京100039【正文语种】中文【中图分类】O436.31 引言作为电磁辐射的一种，红外辐射存在于周围各事物中，其包含了偏振特性、辐射强度等重要信息。

目前，红外成像技术已广泛应用于国防、商业等多个领域。

其中在8～12 μm的长波波段，属于地物(包括人造物)的发射波谱，在昼夜战场侦察、人脸识别、高温目标识别等方面有重要意义。

但由于长波红外成像技术仅利用了辐射强度信息，而长波红外偏振成像技术既可以探测到目标与背景的辐射强度，又可以探测到代表目标景物特性的偏振信息[1-2]，由于不同类型的目标具有不同的偏振特性，所以可实现在复杂地物背景下，弱化背景噪声，提高探测与识别能力。

因此国内外对此做了很多相关的实验研究，近几十年在我国也逐步受到重视[3-5]。

早在20世纪，国外就已开始了从可见光波段偏振成像到红外偏振成像技术的研究。

在国外，2001年，Forssell等开始进行长波范围的地雷探测；2002年，Tan等人对空间物体进行长波波段的识别研究；2006年，Tyo等人发现利用长波红外偏振探测技术可以识别出杂乱背景中的车辆。

至今，国外的长波红外偏振成像技术一直走在前沿。

在国内，虽然起步较晚，但以安徽光机所及西北工业大学等为代表，已利用长波热红外偏振成像探测系统，对自然背景和伪装目标进行了相关偏振成像研究[6-7]；其中，北京理工大学王霞等人对高温目标进行陆地探测，并发现长波波段对高温目标偏振成像的优势[8]。

红外偏振成像系统可分为4种类型，有体积较大的分振幅型偏振成像系统；还有体积小，但是离轴系统，光学设计复杂的分孔径型偏振成像系统；以及将微偏振元器件集成到探测器像素上但会牺牲空间分辨率的分焦平面型偏振成像系统。

本文选取的是装置结构最简单紧凑、数据容易处理、精度较高以及成本较低的分时型长波红外偏振成像系统，但该系统无法实现在同一时刻对目标成像，所以不利于运动目标的探测[9-14]。

为了解决分时型结构实时性较差的问题，本文基于红外偏振探测原理，在8～12 μm的长波红外波段，采用超高速高定位精度旋转轮，搭建了分时型长波红外高帧频偏振成像装置，在实验室环境下进行高温目标动态探测实验。

对系统完成选型、搭建，得到目标的实时偏振度视频数据，并可同时显示出目标的红外热视频，实现对比结果。

实验结果表明，分时型成像装置可以实现动态目标的准实时偏振探测，并体现出长波红外偏振成像独特的优势与特点。

2 基本原理2.1 Stokes公式依据电磁学理论，光波属于横波，因此会出现偏振现象。

偏振光的描述方式主要为两种，琼斯矢量和斯托克斯矢量。

其中斯托克斯矢量利用4个光强度的时间平均值来表示偏振光，可直接被探测测量，表示为：，(1)其中：s0表示入射光强，s1为水平方向的线偏振分量，s2为45°方向的线偏振分量，s3与圆偏振有关。

此外，偏振度偏振角长波红外偏振成像过程如图1所示。

图1 长波红外偏振成像过程图Fig.1 Imaging process diagram of long wave infrared polarization2.2 测量原理为了描述出射光的偏振态变化，在光的传输过程中，用4×4的米勒矩阵表示偏振元件的传输矩阵。

假设入射辐射斯托克斯矢量为S，出射辐射的斯托克斯矢量为S′，它们之间的数学关系可以写作：S′=M×S，(2)本文采用一个线偏振片为基础的线偏振测量系统，其出射光的Stokes矢量可表示为：S′=Mα×S，(3)其中：Mα为理想线偏振片的穆勒矩阵，α表示偏振片透射方向与参考方向之间的角度。

.(4)由于成像探测器只能探测到辐射强度，即总光强的大小，所以只有Stokes的第一个参量可已被直接探测，经过计算：.(5)在实际的探测过程中，圆偏振分量相比于线偏量较小，所以不列入考虑，即令s3=0。

从表达式(5)中得知，有3个未知量需要求出，为了使计算结果更加准确，选取测量4个角度的方法，即只需测量出0°，45°，90°，135° 4个角度方向的光强，即可计算出s0、s1和s2，进而根据公式推算出偏振度和偏振角等相关参数。

3 长波红外偏振成像实验系统实验选取了装置结构最简单紧凑、数据容易处理、精度较高的分时型长波红外偏振成像系统。

为了解决分时型长波红外偏振成像结构实时性较差的问题，采用高速旋转轮带动旋转偏振片，通过镜头成像在长波非制冷焦平面探测器上，来采集不同角度的偏振光强图像，进而解算出偏振度，实现线偏振测量。

因此，本文实验装置主要由高速旋转轮带动的偏振片、物镜以及探测器3部分组成。

结构图如图2所示。

图2 偏振成像系统结构图Fig.2 Polarization imaging system structure就本文选取的分时型长波红外线偏振成像系统，由于它是在离散时间下获取不同偏振方向的图像，探测时间较长，如果测量动态目标就会带来偏差信息，因此传统装置较适合静态测量。

为了能够实现本文的实验目的，准确测量运动目标的偏振度图像，需要实现偏振片的准确定位和稳定停顿，并实现系统同步性。

因此综合考虑后，选购了FLI公司的高速旋转轮，如图3所示，其采用集成电子技术，可以快速改变光学元件的取向变化，并精确计时，所需的变化时间曲线由图4给出，技术参数由表1给出。

图3 旋转轮实物图Fig.3 Rotating wheel map图4 定向变化时间曲线Fig.4 Orientation change time curve长波红外偏振片定制于美国Thorlabs公司，类型为硅基底线栅偏振片，具有高消光比，实物图及技术参数如图5和表2所示。

表1 高速旋转轮的主要技术参数Tab.1 Main technical parameters of high speed rotating wheel旋转台类型旋转范围最大旋转速度最小运动增量最大角速度尺寸光学直径厚度直流伺服电机控制360°60°/4 ms,120°/5 ms2.5°25000°/s127 mm×102 mm×25 mm12.5 mm1～3 mm图5 长波红外偏振片Fig.5 Long wave infrared polarizer表2 长波红外偏振片的主要技术参数Tab.2 Main technical parameters of long-wave infrared polarizer尺寸类型材料消光比ϕ12.5 mm金属栅硅>10 000实验采用非制冷探测方式，且基于动态目标探测的目的，选购了可实时录制/传输/分析，可实现60 Hz、16 bit全温度红外视频数据，并且专用于高速成像的红外相机。

红外相机各技术参数见表3、表4。

实物如图6所示。

表3 长波红外偏振探测器的主要技术参数Tab.3 Main technical parameters of long wave infrared polarization detector探测器类型像素像元间距波长范围热灵敏度非晶硅非制冷型焦平面640×48017 μm8～12 μm<80 mK表4 长波红外镜头的主要技术参数Tab.4 Main technical parameters of long-wave infrared lens视场焦距F数最小成像距离24.6°×18.6°25 mm1.00.3 m图6 长波红外相机Fig.6 Long wave infrared camera4 实验通过优化长波红外相机的操作界面功能，将高速旋转轮与长波红外相机进行同步，完成同步图像采集与处理过程，实现了15帧/s的目标偏振度视频数据采集。

实验平台及长波红外相机的操作界面如图7所示。

图7 实验平台Fig.7 Experiment platform图8 长波红外相机成像操作界面Fig.8 Operation interface of long wave infrared camera imaging图9 探测目标区域Fig.9 Area of detection target由于目前实验设备性能限制，以及长波红外偏振极易受环境影响，因此选择在实验室环境进行实验验证。

首先，目标选取高温金属罩暖炉，实验室环境，将暖炉预热完毕后，关闭电源，对暖炉由热至冷的变化过程进行偏振度动态探测。

图9矩形框内为高温测量区域，图10为在6 s时间内采集的90幅偏振度图像中，其偏振度最大值的变化拟合曲线。

可以看出，实验实现了15帧/s的动态偏振度探测，且在这个动态过程中，随着温度的骤变，偏振度也会有所减小。

接着，目标依旧选取高温金属罩暖炉，保持温度不变，针对目标实现红外强度图像与偏振度图像的对比显示。

图11为该目标长波红外强度与偏振度的视频截图图像。

图10 偏振度最大值变化拟合曲线Fig.10 Curve of variation of maximum polarization degree由于暖炉具有较高温度，热辐射能量高于背景环境，与背景的对比度很高。