偏振成像技術的研究進展及應用

周強國，黃志明，周 煒

（1.中國科學院上海技術物理研究所 紅外物理國家重點實驗室，上海 200083；2.中國科學院大學，北京 100049）

0 引言

偏振成像技術能夠獲取目標物的空間信息、光譜信息以及各個譜段的偏振信息。偏振成像技術將目標物的空間、光譜和偏振信息進行融合，不僅可以提高獲取目標物的信息量，而且能夠增強對目標物的探測和識別能力。隨著偏振成像技術在農業、環境、醫學、工程、大氣、天文等領域的應用范圍日益擴大，在未來必然表現出廣闊的應用前景。偏振成像技術相比傳統的探測技術對目標物體進行探測與識別時，在以下幾個方面通常會體現出無法比擬的優勢：一是當目標物使用偽裝涂料、偽裝網等技術進行偽裝時，偏振成像技術可以突破傳統探測器的局限性，更容易發現目標[1]；二是當目標物輻射較弱，背景輻射較強時，傳統探測器從背景中清楚分辨目標物的特征就變得困難了，使用偏振成像技術，更容易凸顯目標；三是在大氣環境下，偏振成像技術可以增加在煙、霧條件下的探測距離，偏振信息比強度散射信息具有更好的保持性。

實驗表明：不同的物體或者同一物體的不同部分由于粗糙程度、材料性質、外表形狀和觀測角度的不同，會產生不同的偏振特性。偏振探測技術的優點在于對目標物的探測不受目標物表面溫度的影響，只與目標物自身的性質有關，如粗糙程度和外表形狀等，所以偏振探測技術能夠有效避免背景雜波的影響，讓目標物在背景中凸顯出來，有利于對目標的檢測與識別，在復雜環境下檢測出有效的信號。

本文首先介紹偏振成像技術在近幾十年的發展歷程，再介紹偏振成像技術在軍事及民用領域的典型應用，最后指出國內在偏振成像技術領域存在的問題以及給出合理的建議。

1 偏振成像技術的研究進展

對于偏振成像技術，涉及此領域較早的國家有美國、英國、以色列和日本等，特別是美國在偏振成像技術領域取得了很大的進步，在全球處于領先地位。其工作重點集中于偏振探測理論和技術應用方面，為此進行了大量測量、測試、模擬仿真等，獲得了豐富的偏振數據（如偏振圖像、性能參數、表格曲線等），并對數據進行了分析和歸納[2]。本節主要在以下3 個方面對偏振成像技術的發展歷程進行全面系統地介紹：一是在偏振成像系統的研究方面；二是在偏振成像儀器的研究方面；三是在對目標物的觀測偏振信息的研究方面。

1.1 偏振成像系統的研究

對偏振成像系統的研究有助于偏振成像光譜儀在光譜段范圍、光譜分辨率以及精確度上的不斷改進與提高。目前偏振成像光譜系統主要有兩種：一是液晶可調諧（Liquid Crystal Tunable Filter,LCTF）成像光譜系統和非共線聲光可調諧（Acousto-Optic Tunable Filter,AOTF）成像光譜系統[3]。隨著光譜成像技術的發展，AOTF 成像光譜系統逐漸成為國內外研究的重點。AOTF 成像光譜系統可以獲得更多的目標信息，它具有結構簡單、分辨率高、光譜范圍寬等優點。通過AOTF 方式獲取的數據不僅包含了目標的光譜信息和空間信息，而且包含目標的偏振信息，增強了獲取目標物的信息量[4-5]，圖1為AOTF 偏振光譜成像系統的設計原理，圖2為基于AOTF 的偏振成像光譜系統。

圖1 AOTF 偏振光譜成像儀設計原理Fig.1 AOTF polarization spectral imager design principle

圖2 基于AOTF 的偏振成像光譜儀Fig.2 Polarization imaging spectrometer based on AOTF

1999年，日本國家航空航天實驗室（National Aerospace Laboratory of Japan,NAL）研制了偏振光譜成像系統，該系統將電調濾光片與電機旋轉相結合，獲得了可見光波段的光譜圖像，之后將波段擴展到了近紅外波段[3]。同年，李力等人[6]研究了分振幅光度式偏振測量系統，并對該系統進行了定標和性能校正。2002年，美國陸軍研究實驗室（U.S.Army Research Laboratory，ARL）設計的偏振光譜成像系統主要由AOTF 和液晶相位可變延遲器（Liquid crystal variable retarder，LCVR）組合而成，覆蓋了0.4～11.5 μm 的光譜范圍。因為它都是由電子控制的，所以響應速度快，時效性更好。但是噪聲對聲光傳感器影響較大，因此成像信噪比較低[3,7-8]。

ARL 的Neelam Gupta 領導的小組對基于AOTF的成像偏振光譜系統（imaging spectropolarimeter,ISP）做了深入的研究[3,9]。研制出寬波段、小型化、穩定的、可進行編程的ISP 型號。該小組對基于AOTF的ISP 采用了3 種常用的設計方式，分別為：①在AOTF 前放置LCVR 對每一波長產生兩個相位延遲值，得到兩個正交偏振的衍射光束，用一個相機對其中一個衍射光束進行成像；②利用一個相機同時對AOTF 出射的兩個衍射光束進行成像；③利用兩個相機分別對兩個偏振方向正交的光束成像。該小組對基于AOTF 的ISP 除了采用上述常用的3 種方式外，還研制了基于兩個LCVR 和AOTF 的全Stokes ISP，圖3為此系統的結構示意圖[10]。

圖3 基于AOTF 的全Stokes ISP 系統Fig.3 All-ISP Stokes system based on AOTF

2002年，曹漢軍等人[11]在自然光條件下，用實驗型偏振CCD 相機進行了自然目標和人工目標的偏振圖像獲取實驗。結果表明使用偏振成像技術能夠獲得清晰的人造目標圖像。

中國科學院上海技術物理研究所（Shanghai Institute of Technical Physics，SITP）通過分析地面物體對反射光的偏振特性，得出偏振特性與目標的本身特性（如輻射溫度、表面發射率）、探測波長、觀察角度、環境溫度、周圍環境熱輻射以及相對濕度有關[12]。

2007年，楊偉鋒，洪津和喬延利等人[13]研制的無人機載偏振CCD 相機，保證了三路光學系統，提高了系統抗震能力和可靠性，使成像質量顯著提高。

2008年，美國雷神公司（Raytheon Company）研發了長波紅外（HgCdTe）和中波紅外（InSb）分焦平面紅外偏振探測系統，即在探測器焦平面上加工偏振元件[14]。實驗結果證明達到了實時檢測的要求，偏振光柵消光比達到100dB 以上，圖4為分焦面偏振成像系統結構。

圖4 分焦面偏振成像系統結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of polarization imaging system on focal plane

2009年，Lavigne 等人[15]研發了一套四波段偏振成像系統，該系統可以對長波紅外、中波紅外、短波紅外以及可見光進行探測。其中的可見光通道含有6個不同波段的濾光片，在四波段成像系統前面安裝了可以同步旋轉的偏振片，獲得了四個偏振方向的圖像。

2011年亞利桑那大學Julia Craven 等人[16]利用傅里葉變換成像光譜儀和通道調制技術研制出紅外波段全斯托克斯高光譜成像系統。2012年，美國空軍研究實驗室（Air Force Research Laboratory,AFRL）研制了新型圓偏振濾光片的偏振成像系統，該偏振片能夠同時獲得入射光中的線偏振分量以及圓偏振分量。圓偏振光在云霧環境中有著較強的保偏能力，能夠增強探測系統對云霧的穿透能力。由于該技術實現了全偏振實時成像，在軍事上應用前景十分廣闊[17-18]。

美國北卡羅來納州大學研制了偏振光柵的SISP[3,19-20]，即采用多個偏振光柵和波片，通過焦平面陣列，可以同時獲得有關目標物的光譜色散和偏振衍射，再通過計算機的融合復原技術得到目標物的偏振和光譜等信息。此系統具有實時性好、較高的能量利用率和結構緊湊等特點，圖5為光柵干涉型偏振成像系統。

圖5 光柵干涉型偏振成像系統Fig.5 Grating interferometric polarization imaging system

2013年蘇州大學賀虎成[21]研制了可見光的分孔徑偏振成像光學系統。此系統通過孔徑光闌分割離軸的方式，使同軸光學成像系統分解為多組相同的偏心子系統，通過在各個子系統內設置濾光片或者偏振片，再通過中繼透鏡使其成像在同一個焦平面探測器上，圖6為分孔徑偏振成像光學系統。此系統具有結構簡單，數據處理速度快等優點。

圖6 分孔徑偏振成像光學系統Fig.6 Sub-aperture polarized imaging optical system

2014年，大連理工大學的Chu X.等使用納米壓印技術對雙層鋁納米線柵進行了集成化[22]，在藍光波段的靈敏度有較好的表現。之后，中國科學技術大學的Zhang等人將像素式微偏振片陣列（pixel type micro polarizer array，PMA）應用于實時可見成像的偏振測量的想法，于2015年將使用電子束曝光制備的PMA集成到CCD 傳感器中，實現了實時相位檢測[23]。

2016年，河南理工大學的LU B.和中科院重慶綠色智能研究院的SHEN J.等人研制了一種寬帶太赫茲偏振系統，即通過在硅襯底兩側制作雙層線柵[24]。同年，耶拿大學的Siefke 等人[25]研制了具有二氧化鈦線柵結構的偏振系統。通過使用自對準雙圖案化（Self-aligned Double Patterning,SADP）技術制備的周期較小和縱橫比較大的光柵，可用于遠紫外光譜范圍。對該偏振系統進行測試，結果表明波長為193 nm時獲得了384 dB 的偏振消光比和10%的透射率，波長為248 nm 時得到774 dB 的偏振消光比和16%的透射率。

2017年，哈佛大學物理系的Shin 等人利用納米壓印技術制備了高性能線柵偏振系統[26]。與傳統的偏振系統（如沃拉斯頓棱鏡等）相比，金屬線柵不僅具有容易集成，結構緊湊等優點，而且具有較大視場、較寬光譜范圍、較高的偏振消光比以及透過率，圖7為典型的線柵結構示意圖。金屬線柵通常指在透明基底上設置遠小于入射光波長的金屬柵條，那么平行于柵條的橫電光（transverse electric,TE）無法通過金屬柵條，并被反射，垂直于柵條的橫磁光（transverse magnetic,TM）將直接透過。

圖7 線柵結構Fig.7 Raster structure

2020年，長春理工大學設計了具有雙沃拉斯頓棱鏡的偏振成像系統，該系統由雙沃拉斯頓棱鏡、偏振分光棱鏡、1/2 波片、雙透鏡、CCD 探測器等部分組成[27]。實驗結果表明該偏振成像系統可以提高在復雜環境下對目標的探測能力，圖8為沃拉斯頓棱鏡原理結構，圖9為雙沃拉斯頓棱鏡偏振成像系統。

圖8 沃拉斯頓棱鏡原理結構Fig.8 Wollaston prism

圖9 雙沃拉斯頓棱鏡偏振成像系統Fig.9 Wollaston prism polarization imaging system

1.2 偏振成像儀器的研究

從 1984年，美國國家航空航天局（national aeronautics and space administration，NASA）先后6次在發現號（Discovery）航天飛機上采用偏振雙相機儀器，在一對瞄準并且同步的相機前加一對透過軸互相垂直的偏振濾光片，通過調整濾光片組，使其中一個膠片光強達到最大，而另一個膠片光強趨于最小，測得斯托克斯參量的S0和S1，且精度只有20%左右[28]。

ARL 研制了具有較寬光譜范圍的LWIR 偏振成像儀器（Long wave infrared polarization imager，LIP），這是應用比較廣泛的典型偏振成像設備[29]。LIP 的組成以及結構如圖10所示。

圖10 LIP 的組成以及結構示意圖Fig.10 Lip is a schematic diagram of its composition and structure

1990年12月，美國研制出地球觀測掃描偏振計（earth observing scanning polarimeter，EOSP），在地球觀測系統（earth observing scanning，EOS）上有12條具有偏振分析功能的探測通道，其主要任務是利用偏振光研究大氣氣溶膠的光學厚度、光學性質的變化、粒子大小、云頂的氣壓以及云層種類等[30]。

1991年，NASA 研制了室內單葉的偏振光二向性反射測量裝置，通過此裝置對地面目標進行了探測實驗[31]。之后，NASA 將AOTF 技術和CCD 相機結合研制了偏振成像光譜儀，獲得了正交偏振光譜圖像，此外還進行了地基天文觀測實驗。

1995年上海技術物理研究所開始研制卷云探測器[32]，于1997年進行航空校飛實驗，該探測器具有偏振測量性能，是探測大氣氣溶膠、云層種類的專用儀器。

1996年，法國國家空間研究中心（french national centre for space research,CNES）研制的地球反射偏振測量儀（polarization and directionality of the earth reflectance,POLDER），能夠從不同的觀測角度測量地球大氣對太陽輻射的雙向反射率和偏振度，可用于研究陸地表面狀況、海洋狀況、云的類型以及大氣氣溶膠濃度等。它由日本ADEOS-II 衛星攜帶進入空間運行軌道[33]。POLDER 采用線性偏振片，由濾光片對光譜信息進行分離，圖11為POLDER 的光學原理圖。

圖11 POLDER 的光學原理圖Fig.11 An optical schematic of POLDER

1998年，美國猶他州立大學空間動力實驗室研制出紅外高光譜成像偏振儀（hyperspectral imaging polarimeter,HIP）。該儀器裝載在空軍KC-135 型飛機平臺上，探測后向散射太陽光光譜，得到幾百幅對地觀測的偏振圖像[34]。

1999年，Alabama 大學[35]研制了一種分焦平面偏振成像儀器，與傳統偏振儀器相比，它沒有使用分光元件，而是將微偏振片直接安裝到偏振儀器像元的表面，單次曝光同時能夠獲得4 個方向的起偏信息。同年，美國重飛行器研究公司研制了偏振光譜強度調制技術（polarization spectral intensity modulation technique,PSIM）與狹縫式棱鏡色散成像光譜儀相結合的快照式成像光譜偏振儀（snapshot imaging spectropolarmeter,SISP），并進行了機載飛行實驗[3,36]。

美國亞利桑那大學與美國陸軍工程研發中心合作，于1999年在層析成像光譜儀（computer tomography imaging spectrometer,CTIS）的基礎上通過在物鏡前方添加偏振片轉輪的方式設計了層析ISP（computer tomography imaging spectropolarimetry,CTISP）[9]。之后在CTISP 基礎上引入通道型偏振技術（channeled spectropolarimetry,CSP），研制出快照式層析成像通道型光譜偏振儀（computer tomographic imaging channeled spectropolarimeter,CTICSP）[37]。

2000年，上海技術物理研究所研制了六通道分光偏振計，該儀器可以實現全偏振的測量，并從空中獲得了地面不同目標的遙感數據[38]。該儀器波段跨度從近紅外到短波紅外（670～2150 nm），光信號分別經過準直透鏡，1/4 波片，起偏器以及濾光片，最后經會聚透鏡將各束光會聚到各自的探測器上。通過轉動1/4 玻片并固定檢偏器組合可以實現目標的全偏振探測，因為能夠檢測斯托克斯矢量的四個參數，因而可以檢測圓偏振光，偏振測量精度高于1%[17]。2003年，安徽光機所研制了機載多波段偏振CCD 相機，該相機具有多個偏振角，可同時獲取同一目標同一波段的信息，于12月搭載Y-12 飛機進行了航空校正實驗，首次在國內獲得航空偏振圖像[39]。2007年，我國發射的嫦娥一號衛星，其中有效載荷包括干涉成像光譜儀、CCD 立體相機等，成功獲取了月球表面影像和立體圖像。2008年，我國發射的HJ-1A 衛星，是環境與災害監測預報小衛星星座的一顆衛星，HJ-1A 衛星搭載了CCD 相機和高光譜成像儀，高光譜成像儀具有±30°側視能力和星上定標功能。

同年，美國雷神公司（Raytheon Company）研制出中波紅外、長波紅外、中/長雙色凝視型FPA 和長波掃描型FPA 等紅外偏振焦平面探測器。該探測器由于擴增了焦平面探測陣列規模，表現出極好的探測性能[40]。

2014年，西安交通大學穆延魁和張淳民等人研制了差分偏振干涉成像光譜儀，此儀器是基于Savart 偏振成像系統研制的，可以同時獲取二維目標的正交偏振組分的高光譜偏振信息[41-42]。Savart 干涉偏振成像儀與棱鏡干涉偏振成像儀都具有結構緊湊，能量利用率高等優點，但也具有類似的缺點，例如用于寬波段時，不同波長的干涉圖像相互影響，導致成像偏差較大。圖12為典型的Savart 干涉偏振成像儀結構。

圖12 Savart 干涉偏振成像儀結構示意圖Fig.12 Savart interference polarization imager

2016年，張海洋等人[43]使用多線陣分焦平面型偏振儀器進行了偏振遙感探測，推導了光學系統以及非理想偏振片的偏振傳遞矩陣，并對相應的參數進行了標定，實驗結果表明該探測器有著較高的探測精度。2018年5月，我國發射的GF-5 號衛星，是具有高分辨率和高精度的對地觀測衛星，觀測譜段從紫外波段到長波紅外波段[44]。GF-5 號衛星裝備有6 臺先進的有效載荷，其中一臺是大氣多角度偏振探測儀，可以進行多角度偏振成像。大氣多角度偏振探測儀星下點空間分辨率優于3.5 km。圖13為多角度偏振成像儀及儀器結構。

圖13 多角度偏振成像儀（上）及儀器結構（下）Fig.13 Multi-angle polarization imager (up) and instrument structure (down)

近年來由于橢圓偏振光譜儀在半導體、金屬和有機物的檢測中不破壞樣品，并且不需要真空條件，使橢圓偏振光譜儀在無損檢測技術中也成為一個極具潛在應用前景的技術。HORIBA Jobin Yvon 公司最新研制的MM-16 相調制型橢圓偏振光譜儀，首次采用液晶盒作為偏振光調制器的光電型相位調制橢圓偏振光譜儀[45]。該儀器具有運行速度快、穩定性好、精確度高等特點，同時還提供了微光斑配置，可以實現對樣品細微變化的研究，圖14和圖15分別為MM-16 相位調制橢圓偏振光譜儀和原理示意圖。

圖14 MM-16 相位調制橢圓偏振光譜儀Fig.14 MM-16 phase modulation ellipsometry spectrometer

圖15 MM-16 相位調制橢圓偏振光譜儀原理示意圖Fig.15 MM-16 phase modulation ellipsometric spectrometer schematic diagram

1.3 對目標物的觀測偏振信息研究

經過實驗表明偏振信息對研究和檢測巖礦、森林火災、植被與土壤分類、大氣環境監測、冰川、海岸線輪廓以及江海湖泊表面的狀況等方面具有極大的優勢。

1987年，Grant 等人研究了如何利用偏振特性將鏡面反射與散射分離的技術問題[46-47]。指出樹葉不僅具有單純的散射，而且還會發生鏡面反射，鏡面反射發生在葉子表面。同年，Paul Woessner 不僅研究了植被的偏振特性，而且分析了土壤的偏振特性，實驗結果表明入射角和目標反射率對偏振度會產生影響，且偏振度與目標反射率存在反比關系[48-49]。

1988年，趙云升等[50]通過偏振信息不僅獲得了土壤的偏振反射特征，還分析了影響土壤偏振反射的主要因素。在實驗中測得了反射率與土壤種類、入射角、探測角、方位角的關系。

1990年，L.B.Wolff 等人[51]通過偏振菲涅爾系數識別目標物是導體還是絕緣體，該方法假設表面反射以鏡面反射為主，所需光源是理想的點光源，所以會產生較大的誤差。Hua 等人利用目標物反射前后光束相位的差異來判斷目標物是金屬還是絕緣體，具體可通過檢測反射光的偏振相角圖像確定圖像中每一點像素為導金屬還是絕緣體。該方法與L.B.Wolff 使用的方法相比，具有較好的魯棒性以及準確度，容易對室外的物體進行分類，但噪聲污染對偏振相角圖像的影響非常大[52-53]。

1999～2002年紐約大學的Egan W.G.等人[54-55]使用柯達彩色紅外相機（DSC460），拍攝C-130 飛機和B-52 轟炸機。該相機對短波紅外比較敏感，通過分析獲得的紅外偏振圖像，能夠得出飛機各部位的紅外偏振特征。實驗表明紅外偏振圖像比紅外強度圖像更容易區分背景中的飛機。2005年，美國海軍研究實驗室（United States Naval Research Laboratory,NPL）Pries 和AFRL 的Goldstein 等人對不同種類的材料進行了偏振實驗，結果表明不同種類的材料具有不同的偏振特性[56]。

2007年左右，美國亞利桑那大學與AFRL 等單位合作使用被動式紅外偏振成像技術探測在野外環境中隱藏的車輛，圖16為不同成像條件下野外環境中的車輛[57-59]。由圖像可以看出偏振成像技術能夠在復雜環境中凸顯目標，提高對目標探測的準確度。

圖16 不同成像條件下野外環境中的車輛Fig.16 Vehicles in field environment under different imaging conditions

2008年，北京航空航天大學運用偏振成像和HIS偽彩色編碼技術[60]，對不同種類的材料進行偏振成像實驗，結果表明偏振圖像能夠很好地區分不同種類的材料，而強度圖像則無法區分。

2011年，AFRL 使用長波紅外分焦平面探測器對飛機模型目標進行了偏振成像實驗。實驗獲取了多幅可見光，長波紅外和長波紅外偏振圖像，可以看出長波紅外偏振成像很好地抑制了復雜背景的干擾，能夠凸顯目標信息[61]。

2012年，王霞等人研究了大氣對紅外偏振成像的影響，對短波，中波以及長波紅外的偏振特性進行了模擬仿真分析[62]。實驗結果表明：對于短波紅外波段，當背景與目標的反射率差別較大時，強度探測效果優于偏振；對于中波紅外波段，由于目標和背景的對比度比較復雜，如果目標的偏振特性比較明顯，那么偏振探測效果優于強度；對于長波紅外波段，主要是目標與背景的自發輻射，當兩者偏振特性差別很大時，偏振探測擁有較穩定和良好的性能[17]。

2013年，河海大學王慧斌等人提出了一種分級多尺度融合的水下偏振圖像處理方法[63]。該方法通過使用非負矩陣分解對偏振參量圖像進行了融合增強，獲得含有局部特征完整的信息和冗余度低的偏振參量融合圖像；然后利用二維經驗模式分解分別將偏振參量融合圖像以及偏振強度圖像進行多尺度變換，將獲得的高低頻子圖像分別進行了加權平均融合，融合權重使用窮舉搜索法得出；最終通過將高低頻融合結果進行反變換得到了最終的融合圖像。經過仿真表明：該融合方法對增強圖像細節和提高水下偏振圖像對比度方面效果比較明顯。

通過以上研究進展可以看出偏振成像技術在不同的領域都具有廣闊的應用前景，目前已經成為國內外研究的熱點之一。國外對于偏振技術的研究起步較早，且偏振成像技術越來越趨于成熟，而我國起步較晚，在一些關鍵技術方面還有待突破與完善，如偏振計算方法研究、偏振成像系統的實現、目標/背景偏振譜特性數據庫構建與實現技術、目標起偏高精度建模技術、復雜信道表征技術、偏振目標識別算法研究、復雜信道下的偏振輻射傳輸模型構建技術以及針對相對運動的目標探測等，還需要進一步實現對目標的高分辨率成像。

2 偏振成像技術的典型應用

2.1 偏振技術在軍事領域的應用

2.1.1 導彈追蹤

在復雜背景下，由于存在大量輻射強度與目標物相似的物體，因此目標物的紅外圖像對比度會降低，不利于區分目標物。目標物的偏振特性與目標物的材料性質、輻射溫度和表面粗糙度等因素有關，此外人工目標和自然背景物體的偏振特性差別很大，因此偏振成像技術可以大大提高圖像對比度，增加探測距離和精度，提高信噪比。

由于飛機在發射導彈的過程中和發射后會產生很高的熱量和大量的氣體，會形成對比明顯的偏振特性，因此使用偏振技術可有效地對目標進行追蹤，如圖17。由于飛機表面有著光滑的金屬涂層，且誘餌彈經過燃燒后產生大量的煙塵等物質，在偏振度方面呈現出很大不同，利用偏振成像技術有助于提高干擾對抗技術[64]。

圖17 飛機具有偏振特性Fig.17 Polarization properties of aircraft

2.1.2 地雷探測

瑞典國防研究機構的G?ran Forssell 對地雷的探測進行了深入研究，該團隊研發了中、長波紅外偏振探測系統。實驗表明，與傳統的紅外探測器相比，紅外偏振探測器能更加有效地識別與探測目標，提升了探測器對目標物的探測能力。圖18(a)是應用紅外偏振技術的掃雷車圖片；圖18(b)是非偏振的傳統紅外探測器對地雷探測的圖像；圖18(c)是紅外偏振探測器對地雷探測的圖像[65]。

通過圖18分析可知紅外偏振探測器具有傳統紅外探測器不具備的優勢，利用偏振特性可以有效地識別目標。又因為金屬物體的偏振度相對較大，所以更容易把目標物從背景中區分出來。

圖18 紅外偏振、非偏振成像對比Fig.18 Comparison of infrared polarization and non-polarization imaging

2.1.3 水下目標探測

根據偏振原理可知，不同的目標物有著不同的偏振特性，通過偏振特性可以更好地把水下的人造目標從自然背景中區分出來，減少自然背景噪聲的影響。在軍事上通過偏振成像技術不僅可以有效地對敵人的潛艇、水雷進行探查，而且可以用于打撈、搜救等工作。

2.1.4 偽裝軍事目標

通過偽裝技術可以改變目標物向外的輻射特性，因此被傳統紅外探測設備探測到的概率就會減小[66-67]。由于人造偽裝涂料或者偽裝網與背景存在偏振特性的差異，因此使用紅外偏振探測設備更容易在偽裝條件下發現和識別目標。根據國外的相關研究實驗，如圖19，偏振器探測角度設定為66°，無論是否使用偽裝技術，紅外偏振技術對目標物的識別效果都要優于傳統探測器[68-70]。

圖19 對偽裝目標野外探測圖像對比Fig.19 Comparison of field detection images of camouflage targets

通過實驗圖像分析可以得出，紅外偏振成像技術對于目標的識別能力優于傳統紅外成像技術，突破了傳統紅外探測器在背景干擾和紅外偽裝等方面的局限性，能夠更加準確、清楚地識別目標。

2.2 偏振技術在民用領域的應用

2.2.1 醫學診斷

Sokolv 等[71]發現利用偏振光照明探測目標的反射光譜與Mie 散射理論計算可以得到上皮組織細胞核的大小和形態分布。Alfano 小組[72-73]研究發現不同波長的偏振光在組織中穿透的深度不同，提出一種光譜偏振差成像方法（spectral polarization difference imaging,SPDI），該方法可以提高皮下組織的成像對比度。由于細胞核大小的變化以及膠原質成分的變化都會影響光在組織中的反射、折射、散射和吸收，組織散射光的偏振態就會產生變化，通過對偏振態進行分析可以反演出組織的結構，如脂質膜的大小和結構，細胞核和紅血球大小、膠原纖維的形貌和結構等[74]。生物及人體組織會因為結構的差異而產生不同的吸收，進而表現出不同的偏振信息。使用偏振成像技術可以檢測生物組織的偏振特征，然后通過對比和分析，可以得知生物組織是否產生病變。如將偏振光譜成像探測應用于黑痣癌變的檢測中，能快速準確地檢測出癌變的黑痣。圖20為紅外偏振診斷儀圖片。

圖20 紅外偏振治診斷儀Fig.20 Infrared polarization therapy diagnostic instrument

2.2.2 海洋環境監測

星載的偏振光譜成像儀，可以有效地識別海水、冰川和陸地，同時可以得到更準確的海岸線輪廓。星載的遙感儀器在對地目標的觀測中，由于水面的強反射可能會對遙感儀造成損害，因此可以通過使用偏振技術減弱強反射。而且有的研究已經表明，通過偏振成像技術能夠檢測出海水是否被污染（如石油泄漏）、云霧粒徑大小、海面上的云霧狀況、海平面高度以及海水輻射狀況等，圖21為西安交通大學自主研制的星載偏振成光譜儀樣機。

圖21 星載偏振成像光譜儀Fig.21 On board polarization imaging spectrometer

2.2.3 航空遙感與大氣探測

航空遙感是指以飛機、氣球和飛艇等為平臺搭載傳感器在空中進行探測的技術。通過使用航空遙感可以擴大偏振成像光譜儀的探測視場，增大觀察角。在遙感平臺上搭建偏振成像設備，利用偏振原理可以區分與識別不同的地形和地貌，圖22為西安交通大學自主研制的機載偏振成像光譜儀樣機。

圖22 機載偏振成像光譜儀Fig.22 Airborne polarization imaging spectrometer

偏振光譜探測器可以探測不同云層的偏振態，通過分析偏振圖像可知道云層的高度、大氣氣溶膠粒子的大小、云的種類、大氣中的煙塵霧霾狀況以及云層中的含水量狀況等[75]。

2.2.4 探測空間碎片

由于近幾十年太空探索技術的不斷進步，產生的太空垃圾逐漸增多，如損毀的衛星殘骸、外殼、小的元器件等，嚴重威脅航天器的運行安全，對太空的探索帶來了諸多不便。通過利用偏振光譜成像探測技術，并通過多元特征融合等識別技術，可以實現對空間碎片的高效探測。

偏振成像技術不僅在國防領域，而且在民用領域也得到了廣泛應用，為進一步提高識別與探測目標物體的精度和準確性，在偏振技術中往往需要結合成像特性定標與校正技術、圖像融合技術和圖像重構技術等。

3 我國偏振成像技術存在的主要問題與建議

我國在偏振成像理論上經過多年的積累，目前逐漸趨于成熟，與國外差別不是很大，但還需進一步的完備，如偏振光線追跡理論。目前國內在偏振技術上主要表現為關鍵技術、應用系統和偏振信息處理等方面不太成熟，對這幾方面的問題，需要從以下幾個方面考慮：

1）在偏振成像理論方面，偏振成像技術在應用的過程中受到許多因素的影響，例如大氣環境（傳輸介質）、目標表面粗糙度、觀測角度、目標輻射溫度、目標發射率以及偏振圖像的獲取方式等。因此我們需要對偏振成像理論以及影響偏振的因素系統全面地給予考慮。通過構建相應傳輸方程的數學模型和建立成像系統優化設計平臺，分析與驗證各個因素對偏振特性的影響，從而逐步形成系統全面的偏振成像理論。

2）在關鍵技術方面，由于我國對偏振技術研究較晚，目前國內還沒有形成一體化、集成化產業集團，對一些精密的偏振器件的制作與加工存在困難，對高精度的器件需要進一步提高技術水平，如偏振焦平面探測器等。

3）在應用系統方面，我國對多波段目標探測、空間目標探測、海上目標探測以及地面目標探測等方面缺乏完備的應用系統。對此我國應該借鑒國外的成熟系統，根據本國所需，研制出符合本國情況的應用系統。為了進一步提高應用系統的分辨率和準確度，在系統中可以融合成像特性定標與校正技術、圖像融合技術以及圖像重構技術等。

4）在偏振信息處理方面，我們知道圖像中的測量誤差和噪聲會影響后續的圖像參數。因此可以通過多角度測量、圖像預濾波和圖像融合等3 種方法減小量測誤差以及噪聲對后續圖像參數的影響。

4 總結

本文首先介紹偏振成像技術的研究進展，其次重點介紹了偏振成像技術在軍事和民用領域的典型應用，可以看出偏振成像技術在凸顯目標、穿透氣體障礙物、識別目標以及辨別目標真偽等方面具有獨特的優勢。

偏振成像技術是傳統探測技術與偏振原理的有機結合，是一個新興的交叉學科，現在已經成為國內外重點研究的課題。偏振成像技術不僅可以獲得傳統入射光強圖像，而且可以得到目標物不同起偏方向的偏振圖像，偏振度圖像，偏振角圖像，光譜和外部輪廓等豐富的實效信息。目前國內外市場對偏振成像設備的需求量日益增長，對其分辨率和準確度的要求也越來越高，這就需要產業集團與科研單位齊心協力，研發出具有自主知識產權、高精度和高分辨率的偏振成像儀器，更好地為我國的國防建設和民生服務。