短波红外偏振成像技术的研究进展.docx

与传统成像系统相比，偏振成像系统通过探测目标物在不同状态下的明显偏振差异，提高对目标物的探测和识别能力，因而被广泛应用于复杂环境或有伪装物的目标探测。特别是短波红外谱范围的信息探测可以提供人眼所不能看见的分辨率和细节，是目前军事和民用领域的重点研究方向之一。

据麦姆斯咨询报道，北京理工大学光电成像技术与系统教育部重点实验室的科研团队在《应用光学》期刊上发表了以“短波红外偏振成像技术的研究进展”为主题的文章。该文章第一作者为李子园副教授，主要从事微纳加工、红外探测与成像、新型微纳光电器件等研究工作；通讯作者为金伟其教授，主要从事夜视与红外技术、光电图像处理、光电检测与仪器等研究工作。

本文归纳总结了传统偏振成像系统的结构分类及其特点，探讨了新型微纳偏振成像系统的研究进展，并针对目前短波红外偏振成像技术存在的主要问题提供了可行性分析和建议。

传统偏振成像系统

传统的偏振成像方法与光谱成像相似，需要采集3个或4个图像来表征一个场景的偏振状态。由于分时获取多帧偏振成像中场景的任何运动都会导致伪影，可能掩盖真正的两极分化特征，因而存在时间图像配准问题，必须同时获取图像或尽快获取以尽量减少平台或场景运动引起的伪影。减小伪影的方法是同时获取多个图像，但空间配准就变成了需要解决的问题。由于分离引起的畸变光路，多重空间配准需要校正机械错位以及光学“错位”，故而变得复杂。虽然简单的测量极化信息的方法是使用单独的相机以及配备的独立光学元件来实现图像的共视，但是这种策略很难执行得当，因此许多新的集成技术逐渐被研发和使用。

分时偏振成像系统

一种常用的偏振成像方法,如图1所示，在摄像头系统前安装旋转偏振元件。通过旋转偏振元件可以调制从场景入射到焦平面的偏振光，并通过数据约简矩阵技术重塑斯托克斯图像，可用于产生线性极化、圆极化度或其他派生量（例如方向或椭圆率）的图像。2005年美国的PolarisSensorTechnologies公司就利用旋转延迟器将红外光的偏振信息传送到偏振器传感头和液氮冷却的MTC焦平面阵列上，用于探测水面游泳运动员。使用线性偏振对比度探测水上的目标物，然后根据辐射对比度即可对目标物进行分类。2009年，Lavigne等人则研发了一套如图2所示的四波段偏振成像系统，对长波红外、中波红外、短波红外以及可见光进行探测。通过在四波段成像系统前面安装同步旋转的偏振片，按特定时间间隔可依次获得0°、45°、90°和135°的偏振图像。这种系统可以实现校准、数据采集和数据处理的全面自动化，整个图像的捕获过程只需不到2min30s。

图1使用旋转偏振元件的偏振传感器

图2可见红外光谱偏振成像仪

这种方法虽然系统设计和数据分析方面都非常简单，但存在一些明显的缺点。大多数情况下，旋转元件已经是一个偏振器，因而只能检测线性偏振态。此外，场景和测试平台必须是静止的，以避免引入帧间运动。为了保证图像的质量，旋转速度要么太慢而无法实现更高的帧速率，要么偏光片需要跟着场景逐步移动来获取运动间的图像。即使最近在连续旋转偏振器方面已取得一定成功，在采集期间如果有较多场景传感器移动时，仍会因为旋转元件引起的光束漂移而产生伪影。如果旋转中存在楔子或者元件有震颤，也会导致光束漂移。

因此，基于声光可调谐滤光片（AOTF）的偏振成像仪得到大力发展。AOTF利用声光衍射原理制成滤光片，既是分光器件又是偏振器件，可同时获得两个偏振方向互相垂直的衍射图像和一个未发生衍射的图像。2002年，美国陆军研究实验室（ARL）设计了主要由AOTF和液晶相位可变延迟器（LCVR）组合而成的偏振光谱成像系统，如图3所示。通过AOTF前放置的LCVR对每个波长产生两个相位延迟，即可以用一个相机对两个正交偏振的衍射光束进行成像。它不仅覆盖了0.4μm～11.5μm的宽光谱范围，而且是电子控制，可实现更快的响应和更好的时效性。随后，该小组对基于AOTF的成像偏振光谱系统（ISP）进行了更深入地研究，研制出了宽波段、小型化、稳定的、可进行编程的ISP型号，并于2007年研制了基于两个LCVR和AOTF的全StokesISP，如图4所示。

图3AOTF偏振光谱成像仪设计原理

图4基于AOTF的全StokesISP系统

分振幅偏振成像系统

分振幅偏振成像系统最初由Garlick等人提出并建造的双通道系统，逐渐发展成为图5所示的全斯托克振幅旋光仪，其第4个相机位于四分之一波片后方的分光镜之上。这样的旋光仪一般由4个独立的焦平面阵列组成。4个独立的相机分别与一系列偏振分束器、减速器和中继透镜组成一条光路，以实现偏振成像。刚性机械支架用于将摄像头支撑在面向4个光路的出口位置。偏振分束光路用于实现直线和圆形偏振，而4个摄像机可同时捕捉4幅图像，以计算完整斯托克斯图像，并消除由采集过程