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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44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则出射光的Stokes参数Sout为可得出透射光的强度表达式为这样就可以在00、450、900方向上得到三个独立的方程，就可以推演出待测目标的完整的偏振信息。光的偏振态分为非偏振、圆偏振、线偏振、部分偏振、椭圆偏振五种要用二向反射反演多角度偏振反射，只要得出这五种偏振态通过偏振片后的偏振态及光强即可。根据马吕斯定律，强度为而的线偏振光，通过检偏器后，透射光的强度(在不考虑吸收的情况下)为其中，为检偏器的偏振化方向与入射偏振光的偏振化方向之间的夹角。一束光通过偏振片后的光强，非偏振光、圆偏振光变为原来的一半，而线偏振光、部分偏振光、椭圆偏振光是一个关于的函数，参数是已知的，也就是说将二向性反射分布函数(BRDF)模型乘以一个关于参数的关系式，即可以反演二向性偏振分布函数(BPDF)。3 偏振成像的应用 地球和其他行星表面和大气中的任何目标，在反射、散射、透射、吸收和发射电磁波的过程中，会产生由其自身的特性所决定的特殊偏振信息，某些物体的特性差异明显。因此，提取，分析地球和大气的辐射偏振信息，对于地球自身和其他行星的遥感探测有着重要的意义；同时在水下成像、医学诊断、军事等方面偏振成像也有重要应用和意义。偏振成像技术的应用大概可以分为以下几类方面：3.1 探测云和大气溶胶的偏振辐射信息 应用偏振信息在研究确定大气气溶胶粒子尺度，化学组成以及总量方面有明显的作用。当我们使用辐射（光强）测量手段能探测云的相态，估计云顶的高度，确定云和大气气溶胶的光学厚度。我们使用偏振手段更能有效地分析云层内部的物理状态，确定是否存在卷云，冰晶粒子的优势方向及大气分布等能对大气的影响的微物理特性参数。这些应用不仅针对气象等用户，也极有可能发展成为一种大气污染的有效监控方法。同时，偏振信息能区分冰云和水云，有助于研究高空运载火箭的飞行影响及气象因素。因此偏振测量云物理和大气的辐射传输对大气科学的发展有重要的意义。3.2 探测地面的偏振辐射信息 美国的某些科学家在20世纪80年代末期就已使用航天飞机作偏振观测的平台，使用偏振摄像手段遥感地球以取得地球的表面偏振照片，对不同的植被、矿物进行地面偏振度的测量等基础工作。这些研究表明:不同矿物会表现出不同的偏振特性，不同性质土壤的偏振特性也不同，不同植物相对于不同角度具有特定的偏振特性。对其进行研究，将为矿物勘探、土壤分析以及植物长势调查提供更新，更有效的手段，这对于研究水旱环境、土壤墒情侵蚀等有着广阔的应用前景，也可以用于研究植被生长、病虫害、农作物的估产等。3.3 军事方面的应用 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以有不同的偏振度，使用偏振手段可以在复杂的辐射背景下检测出有用的信息，以成像的方式显示隐蔽的军事目标。 金属、炭粒和植物表面可以在特定的方向带有很强的圆偏振、全偏振的测量对推动水下潜艇搜索、探测、跟踪技术的发展具有重大的意义。 其次对于导弹的安全飞行和制导，由于利用星载扫描偏振计能迅速了解卷云和其他云层的分布情况和探测大气溶胶的能力，所以它能保障导弹的安全飞行和准确制导。 最后，使用偏振手段可以非常有效地在各种地物背景条件下显示出分散在地面上的各种地雷。3.4水下成像的应用混浊介质中物体的成像目前仍然是科学与工程界较难解决的问题之一，根据介质散射和目标反射光的不同偏振特性可利用偏振技术排除粒子散射光的干扰从而提高水下图像的清晰度。数年的研究表明，限制水下成像的距离主要有以下原因：吸收和散射作用造成光在水中的衰减；而光的后向散射造成目标图像的不清晰；目标与探测器之间的光散射使图像模糊并降低图像的对比度。在水下激光探测的研究中，大多都是利用光强度成像，还有的采用距离选通技术。因此，绝大多数系统都是通过检测图像在空域的影射强度来达到获取目标信息的目的，而较少考虑散射介质对目标成像所起的干扰作用，而恰恰是这些由于散射介质而产生的散射光对目标的成像产生了比较大的损害。在水下成像应用中，根据悬浮粒子(水、雾、雨)后向散射光的解偏振度小于物体后向散射光的解偏振度原理，采用线偏振光或圆偏振光作照明光源，并在探测器前放置线偏振器或圆偏振器。以及利用水中粒子散射光和物体散射光解偏振度的差异，来减小悬浮微粒后向光散射光影响，从而可以提高水下物体的图像对比度。3.5探测海洋表面的偏振辐射信息 海洋表面反射的某些波段的太阳辐射具有明显的偏振特性，从中可以反映出海水是否被污染(如油漏) 海面有无云雾，云雾的分布，海浪的高低和海面风速的大小。用空间偏振遥感能在全球范围内获得与此有关的大量信息，对海洋的开发和利用具有一定的科学和实用价值。在世界范围对海洋的遥感观测已经成为相当重要的环境考虑因素，海洋颜色对污染和生物圈有着极其重要的意义。3.6 在空间探测方面的应用 空间的偏振测量在行星探测方面的应用比在地球和地球大气探测方面的应用早了20年左右。它对金星、火星、土星和天王星的云和气溶胶的化学成分和光学厚度或表面偏振特性进行了有效的探测并为地球的探测积累了宝贵的经验。3.7 成像偏振在生物医学上的应用 运用偏振手段可对生物组织病变前后的偏振参数进行测量、对比、分析，从而给医疗诊断提供了一种新的信息分析手段。另外，对于动物或人的微循环，可以使用偏振成像技术对其进行观测，比如说在临床中，对生物样品的观测一般采用的方法有核磁共振、计算机断层扫描、正电子发射断层成像等。这些方法的空间分辨率量级为毫米，而微血管作为微循环的通路，其直径不超过100um，所以无法观测，而利用光学偏振成像技术能获得微循环较高的分辨率的图像。4 偏振成像技术发展趋势 研究表明，由于地球大气、地物目标等的偏振角度敏感性，使得偏振成像技术在目标识别和信息提取方面有着传统手段所不具备的优势，使得光学偏振成像技术的应用前景令人乐观。但是，也对光学偏振成像技术的发展提出了更高的要求。为了准确解译大气和地物性质状态信息，客观上要求偏振成像具有多角度、多光谱偏振成像/非成像信息获取能力，并且能够保证偏振测量数据的高精度。 目前，我们的研究方向主要集中在：（1）研究更高分辨率，更高精度，更高信噪比且工作稳定的偏振仪器；（2）在更广泛的测试条件下研究不同目标的偏振特性，对其进行分析并最终了解偏振特性随不同影响因素的变化规律；（3）研究保证同一目标偏振探测的光谱，空间，时间等要素具有高度的同一性。但是由于目标偏振特性和二向散射分布的复杂性，使得目标散射光偏振特性的研究工作量将会非常巨大，在实验研究的同时，还需要在理论模拟上有所突破。像stokes矢量方程中的I,Q,U,V这些来自目标自身的最本证的辐射信息，到目前为止，尚未充分的应用 所以在探索克服这些问题的基础上，为了更好地得到物体的成像信息，已经研究出了像同时偏振成像技术，多光谱、多角度偏振成像技术，以及偏振定标系统的投入使用，将为光学偏振成像系统提供几何信息、辐射信息和偏振定标，确保高精度定量化的多角度、多光谱偏振遥感数据的取得。5 结束语 综上所述，国内外都在从事光学偏振成像理论，技术，实验和基础应用研究工作，从偏振成像仪器研制情况来看，为了满足基于光谱偏振信息解译研究需求，人们研制了可见/近红外至短波红外，中波红外和长波红外光谱偏振探测系统。这些系统已经在大气探测、地物遥感、天文学研究、医学诊断等相关领域得到应用。 从多角度、多光谱偏振信息应用研究进展来看，研究人员探索了可见/近红外至短波红外的反射辐射偏振机理以及中波红外反射和发射辐射的偏振机理，还有长波红外发射辐射的偏振特性，以及热辐射经过目标反射辐射的偏振问题，并开展了大量的光学偏振探测试验，偏振定标，偏振信息建模的解译等研究工作，对于大气气溶胶和云、自然地物（水体、植被、土壤、岩石等）、人工目标等的偏振特性分析也在系统深入进行。可以预见，随着偏振探测仪器能力的提高、偏振成像定量模型的发展，光学偏振探测将为作为新型成像技术得到越来越重要的应用。参考文献1 张朝阳，程海峰，陈朝辉等。偏振遥感的研究现状及发展趋势。激光与红外，2007.37(12):123812402 王峰，洪津，杨伟峰等。复合线阵推扫偏振成像技术研究及方案设计。半导体光学，2006.27(4):4824883 张绪国，江月松，赵一鸣。偏振成像在目标探测中的应用。光学工程，2008.35(12):60624 S.Dost,A.Eckart,T.ott.Near-infrared polarization images of the orion proplyds.AseronomyAstrophysics mannscript.2-10(2008)5 Nathan J.puse,JOSEH.A.Digital all-sky polarization imaging of partly cloudy skies.Applied Optics,vol,47,190-198(2008) 6 李双，裘帧炜，杨长久。同时偏振成像探测技术初探。大气与环境光学学报，2010.5(3):1992027 曹念文，刘文清，张玉均。偏振成像清晰度与成像距离关系的讨论。光学学报，2010.20(8):114611478 汪震，洪津，乔延利等。热红外偏振成像技术在目标识别中的实验研究。光学技术，2007.33(2):1962019 施志华。成像偏振测量技术及其应用。红外月刊，2002.4:1510 kate Y.L.su,Bruce J.Hrivnak,Sun kwok.Hign-resolution near-infrared imaging and polarimetry of four proto-pianetary nebular.200311 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