基于偏振信息的激光水下目標探測技術研究

牟暢，王彩霞，段可，劉鵬

（1.長春理工大學 電子信息工程學院，長春 130022；2.長春理工大學 空間光電技術研究所，長春 130022）

海洋是人類賴以生存的生態圈中一個尤為重要的組成部分，遼闊的海域中含有豐富的海洋動力、海洋生物、海底礦產、海水化學等資源，這些資源的開發和保護，逐漸受到了各國家和人民的廣泛關注。因此，水下目標的探測和識別技術的發展和進步，具有廣闊的應用前景和很高的民用和軍用價值。

在早期，海洋探測通常采用較為成熟的聲吶技術，該技術存在靈敏度、分辨率較低且設備復雜等缺點，并且水下環境復雜多變，水溫和水壓等環境因素也會對探測結果產生影響，以上因素使得聲吶技術很難達到人們的探測需求。1963年，S.Q.Duntely和S.A.Sullivan等科學家發現，海水中存在著一個大氣透過窗口[1]，該窗口對波長為470nm到580nm的光衰減十分微弱。從此，激光水下探測技術逐漸發展和成熟[2]。

本文所設計的水下目標偏振探測系統，將激光水下探測技術與偏振探測技術結合起來，當激光照射到水下目標表面時，目標會改變激光的偏振特性，從而使不同目標的反射光呈現出不同的偏振特性，利用這一特性，實現水下目標的探測和初步識別。該系統主要由激光發射器、光電探測部分、信號調理部分、控制單元和電源五個部分構成，實驗所得數據通過串口發至上位機，應用LabVIEW虛擬器進行處理和計算，得到水下目標的偏振度，從而區分不同類型的水下目標。

1 偏振基本理論和偏振光的描述方法

1.1 偏振基本理論

偏振（Polarization）是指橫波的振動矢量（垂直于波的傳播方向）偏于某些方向的現象，是橫波區別于其他縱波的一個最明顯的標志[3]。在垂直于波的傳播方向的平面，包含所有方向的橫振動且任一方向上的橫振動擁有同樣的振動幅度，這類橫振動與傳播方向對稱的光為自然光（非偏振光）。反之，振動失去這類方向對稱性的光即為偏振光。通過數學概率統計來解釋就是某一方向出現的概率為1或者大于其他方向出現的概率，即為偏振光。

根據偏振光的電磁特性可將其分為：線偏振光、橢圓偏振光、圓偏振光和部分偏振光四類，且其中的線偏振光和圓偏振光可以歸屬于橢圓偏振光的特殊情形。在實驗過程中，可以通過偏振片來得到線偏振光，可以通過偏振片+波片調制得到圓偏振光。由于偏振特性主要描述X、Y軸分量之間的關系，且偏振光在水下傳輸時，其能量在X、Y軸方向的分量振幅同步衰減，但其關系不會改變，所以偏振光在水下傳輸時，其偏振特性是基本保持不變的，而三種偏振光中，圓偏振光在傳輸過程中受影響最小。

1.2 偏振光的描述方法

截至目前，已有多種定量化描述偏振光參量的方法，其中最常用的有三角函數描述法，Jones矢量描述法、Stokes矢量描述法和Poincare球圖書描述法等[4]。本文選取Stokes矢量描述法對圓偏振激光反射光的偏振特性進行描述。

Stokes矢量描述法通過I、Q、U、V四個參量對光的強度和偏振態進行了描述，Stokes參量定義為[5]：

為便于光電探測器直接測量，每個Stokes參量都可以用強度量綱來表示為如下形式[6]：

式中，I為入射光總強度，Q為0°、90°方向上偏振分量的強度差值，U為45°、135°方向上偏振分量的強度差值，V為右旋、左旋圓偏振分量之間的強度差值。

在測得I、Q、U、V四個參數之后，通過計算偏振度DOP來表示偏振光在總光強中所占的比例，DOP表達式如下：

或表示為：

2 探測系統總體設計

2.1 系統總體方案

以上述探測原理為依據，設計水下目標探測系統如圖1所示。

圖1 系統總體設計框圖

由圖可知，系統主要由激光發射器、光電探測部分、信號調理部分、控制單元、PC機和電源五個部分構成[7]。激光發射器選用波長為532nm的DPS-532-B激光器。光電探測部分具備響應迅速、特性良好等優點；信號處理部分共有四個信號處理電路板，具備高增益、低噪聲等優點；控制單元可實現對放大電路增益的設置，可以與PC機完成雙向串口通信；Lab-VIEW軟件能夠接收數據并完成對數據的存儲、計算和顯示。制作完成后的系統硬件電路板實物圖如圖2所示。

圖2 系統硬件電路板

2.2 光學系統設計

Stokes參量可用光電探測器直接測量，常用的測量方法為：偏振光調制法和分振幅法。偏振光調制法是通過調節檢測光學器件，周期性的改變入射光的偏振狀態，對測量得到的光強值進行計算得到斯托克斯參量。分振幅法是利用直角分光棱鏡對來自光學系統鏡頭組會聚的反射光進行分束，得到兩束正交的偏振光，再利用偏振分光棱鏡對來自直角棱鏡的光進行兩次分束，從而將兩束光分為四束，入射到光電探測器上。本文采取分振幅法測量Stokes參量，測量原理如圖2所示。

圖3 光學系統原理框圖

測量步驟為：

（1）利用直角分光棱鏡將目標反射的偏振光分成垂直的兩束偏振光；

（2）利用偏振分光棱鏡同時得到0°、45°、90°、135°的Stokes參量；

（3）利用532窄帶濾光片濾除探測器接收到的其他背景光；

（4）探測器得到能量值，利用Stokes矩陣算得各個Stokes參量，獲得偏振度。

2.3 電源設計方案

本文選用單相直流穩壓電源為探測系統供電，220V、50HZ的交流電經過變壓、整流、濾波之后，加入NS公司的LM系列穩壓芯片以保持電源穩定供電，電路圖如圖3所示。

圖4 電源電路圖

3 系統軟件設計

根據系統需求，用LabVIEW軟件完成主要功能為：能夠與控制單元通過窗口進行雙向通信，接收串口傳來的數據并完成對數據的計算、存儲和顯示。

LabVIEW軟件顯示界面如圖5所示。

圖5 LabVIEW前面板顯示界面

4 探測實驗與結論

本文在水深為10m的海水仿真水池中對三種特性不同的水下目標進行探測。由于水體偏振反射實驗中鏡面反射方向所測得的偏振信息最多[9]，因此，本實驗都是在入射角相等的反射方向進行探測的。根據理論研究和實驗驗證可知：隨著入射角度的增加，水體在鏡面方向的反射比值也增加，而反射光中平行入射面的分量隨著角度的增加而逐漸減小，尤其是入射角接近布儒斯特角的時候（約為50度），出現偏振最小反射比值。

由于實驗環境的限制，為了提高光電探頭的利用率，需要盡量保證激光器垂直入射，所以，實驗中將入射角和探測角均設定為10度，再利用回波探測單元探測反射光的偏振信息，并對測量數據進行計算和比對，得出結論，驗證系統正確性和可行性。

三種物體依次選用常見的水下目標，鐵、塑料和水草，鐵和塑料是人造物，水草是自然物體，選取目標具有代表性，實驗測量過程中，對以上三種物體的測量數據進行10次記錄，并運用公式（4），計算得到三種物體反射圓偏振光的偏振度數據，繪制折線圖，如圖6所示。

圖6 目標偏振度數據折線圖

由圖可知，在探測距離為10m時，鐵的平均偏振度為0.712，塑料的平均偏振度為0.624，水草的平均偏振度為：0.592。三種目標物體的反射光偏振度關系為：鐵＞塑料＞水草。

圖7 目標偏振度數據折線圖

由上述實驗可知。人造目標的反射光偏振度明顯高于自然目標的反射光偏振度，而兩種不同材質、不同表面結構的人造目標，其偏振度也有區別。得出結論：目標反射光偏振度與目標的材質、表面結構、紋理、粗糙度等因素息息相關，符合本文所做理論研究，證明了本文所提出基于偏振信息的水下目標偏振技術是可行的。

為避免一次實驗的結果過于片面，增加其可靠性，本文又在探測距離為3m和5m的情況下，對上述三種常見的水下目標進行了同樣的探測，探測結果如圖7所示，與上述實驗探測結果相符，得到結論：探測深度不會對實驗結果有很大的影響，說明本文所設計的探測系統可以應用于更遠距離的水下目標探測。

5 結論

水下目標探測技術具有十分廣闊的應用前景，它不僅可以水下目標的探測和識別，還可以用于海水光學參數的測量、海下地貌地形的描繪等多種方面。本文利用激光和偏振探測技術，設計了基于偏振信息的水下目標探測系統，并對該系統進行了初步的測試，驗證了理論可行性。為水下目標的探測和識別提供以一種新途徑。