红外偏振成像进展论文

红外偏振成像进展 *

赵永强1,马位民2,李磊磊1

(1. 西北工业大学 深圳研究院·深圳·518057;2.哈尔滨商业大学 计算机与信息工程学院·哈尔滨·150028)

摘 要 :作为一种新型光电探测技术,红外偏振成像探测在军事和民用领域展现出的广阔应用前景,受到了国内外众多学者和有关部门的高度关注。对近几年红外偏振探测理论、红外偏振成像系统、探测系统的应用等方面进行了总结,通过模拟不同材料的红外偏振辐射特性和进行实际的图像分析,对红外偏振成像探测技术的发展动向、存在问题和解决这些问题的思路给出了系统的综述。分析了当前红外偏振成像技术存在的优、缺点,结合生物多波段偏振视觉技术的研究进展,提出了仿生偏振视觉的概念。通过分析目标辐射偏振特性,给出了偏振成像质量的影响因素,并用实际拍摄图像分析了红外偏振成像的适用领域。

关键词: 偏振成像;红外辐射;目标检测;探测距离;仿生偏振视觉

0 引 言

传统的红外成像探测系统主要是获取所观测场景的红外热辐射,利用目标与背景的辐射强度差异,将目标从背景中进行区分,进而实现对目标的检测、识别与跟踪[1]。由于红外探测技术隐蔽性好、成像距离远,并且能够在一定程度上消除大气的干扰,对于观测遮蔽物下的目标具有很强的环境适应性,是现代战争中强有力的侦查手段[2]。然而,随着新型红外伪装涂料及相关红外隐身设计技术的发展,目标表面的热辐射特征被极大地削弱,降低了目标与背景的热辐射差异;同时,诱饵、海杂波等大大削弱了目标与背景的红外辐射差异,使得应用传统的红外探测手段很难有效地检测目标[1,3]

传统红外探测技术仅仅获取了目标辐射的强度特征,仅为辐射偏振态的一个特例。目标辐射的偏振态变化与其表面状态和固有属性密切相关,能提供远比强度特征更为丰富的信息。不同类型的目标具有不同的偏振特性[3]。在红外成像探测中,利用目标辐射的偏振特征,能有效抑制背景杂波,提高目标与背景的对比度,增加目标物的信息量,有利于目标检测和识别,能够提高热像仪对温差小或热对比度低的目标的探测识别能力,可减少红外偏振特性较弱的背景的干扰[4-5]。在相同的干扰条件下,红外偏振成像系统的作用距离比传统红外强度成像系统的作用距离更大。在同一探测距离下,红外偏振成像的探测效果更好[6]

针对红外偏振成像探测的研究尽管取得了不少成果[1-11],但至今尚未形成成熟的理论框架,绝大部分研究工作都是针对特定的探测系统或特定的场景展开的。随着红外偏振成像优势的逐渐体现,需要对如何利用辐射的偏振特征、在什么情况下利用辐射的偏振特征等方面给出相关的理论说明。本文基于近年来的工作,结合国内外最新发展,在本论文的第二部分对红外偏振成像系统的优缺点和未来的发展方向给出了一些意见和建议。论文的第三部分,对于不同目标的辐射偏振特性进行了理论及实验分析,详细分析了影响偏振探测性能的各种因素。论文的第四部分结合具体的应用,分析了红外偏振成像探测如何增强目标的可探测性和探测距离,对在什么情况下应利用辐射的偏振特征给出了建议。

1 红外偏振探测机理

光波是横波,其电矢量振动面和传播方向互相垂直,电矢量振动方向相对于传播方向的不对称性为偏振(polarzation)。由菲涅尔反射定律可知,当非偏振光从光滑表面反射时会产生部分偏振光[1]。由能量守恒定律和基尔霍夫定律可知,不透明物体的热辐射同样具有偏振性[4-7],这也正是红外偏振探测的理论依据。

男性气质研究最早可以追溯到20世纪初的性别角色理论。20世纪后半叶,随着男性气质不断在社会学、人类学领域的拓展,男性气质逐渐成为一门独立学科。其中,R.W.康奈尔是男性气质研究中的巨擘。康奈尔认为男性气质是一种实践的过程,是在实践中所建构的。在她看来,“男性气质”可以被简要定义为“既是在性别关系中的位置,又是男性和女性通过实践确定这种位置的实践活动,以及这些实践活动在身体的经验、个性和文化中产生的影响。”

大量的研究表明[16-17],螳螂虾、乌贼、水虿等水生生物具有对环境中的偏振光敏感的独特结构,并能分析光的偏振特性。螳螂虾以此来检验和识别其所感兴趣的目标;陆地昆虫或迁徙鸟类能感知环境中偏振光的强度和方向的分布模式,并利用其来实现导航定位。通过对螳螂虾、水虿等水生生物的复眼中的单眼视网膜结构进行研究发现,其视网膜中的多个感杆束(Rhabdom)、网状细胞(Retinular Cell)的光谱响应特性范围为300nm~700nm,带宽范围为30nm~60nm,同时不同类型的感杆束具有不同的偏振敏感特性,通过调节微绒毛可以感知任意振动方向的偏振光。螳螂虾、水虿等水生生物的视神经系统还具有特殊的偏振编码能力,使得其能感知到高分辨率的多波段偏振信息[18-19]。水虿的单眼组织结构如图1所示。

预计全年石油和化工行业利润总额在9000亿元上下,创历史新高,增幅约35%;其中,化学工业利润总额5000亿元左右,增幅15%。

(1)

相关实验研究结果证明,偏振成像技术能够有效抑制背景噪声,提高目标与背景的对比度,减小红外偏振特性较弱背景的干扰,从而在杂乱的背景中增强对目标的识别效果[1];针对小温差或低热对比度目标的探测识别,目标与背景红外偏振特性的差别将导致偏振对比度的明显差异,利用红外偏振成像技术能够增加对物体的识别距离[4-6]

(2)

(3)

需要指出的是,大多数目标和背景的圆偏振分量均很小,在红外偏振成像探测系统中常取S 3=0。

1.1 典型的红外偏振成像技术

为了获取目标偏振信息量,目前已发展了多种偏振成像技术。根据获取I 0、I 45、I 90、I 135图像方式的差异,偏振成像技术大致可分为如下四类[11-13]

首先是会诊案例的筛选,每天需要会诊的案例很多,由于会诊有时限性,急会诊不能超过半小时回复,因此一般选择普通会诊,且比较有本专业代表意义的,一般存在1~2个讨论点,一天最多安排2例会诊案例。然后让实习生根据选择好的案例,通过查询医院信息系统,搜集需要了解的患者信息。此目的,可以培训学生对医院系统的操作能力,同时培养学生在短时间内提取有用的病例信息。学生完成后,可以通过简要复述病史的方式进行考核、评估学生对病情的掌握情况。最后,通过查阅一些工具书或者指南对患者目前使用的一些药物和治疗方式进行知识储备。

缺血性脑中风可归属于中医学“中风”范畴,其病位在脑,病性是本虚标实之证,以气虚为本,痰浊、瘀血阻滞脉络为标[4] ,故而在治疗上应以治气、治痰、治血。笔者在西医常规综合治疗的基础上,再以《永类钤方》中的大八风汤进行加减治疗,方中以党参、黄芪、茯神、炙甘草补气,以紫苑、陈皮化痰,当归、川芎、赤芍活血化瘀,独活、秦艽、地龙祛风通络,五味子养阴以防祛风活血化痰等药伤阴之弊,炙甘草又可调和诸药,全方合用,共奏益气通络、祛风养阴、活血化瘀、化痰散结的功效,祛邪扶正,标本兼顾。综上所述,采用大八风汤加减治疗缺血性脑中风,效果较好,故值得推广。

(1)分时偏振成像装置。通过机械旋转偏振光学元件或电调谐液晶原件,实现检偏器透光轴方位角的调节。机械旋转方式简单直接,但需采用运动部件,因而其体积、质量、环境适应能力限制了它的应用。相比机械旋转方式,液晶原件的体积和质量大大减小,但液晶对光的强衰减导致了其探测距离极其有限,图像噪声较大。同时,时序型的工作方式使其无法获得运动目标的偏振图像,无法在运动载体上实现针对目标的观测。

(2)分振幅型偏振成像装置。采用分束器将入射光分为3路或4路,后接相应个数的探测器。在各个探测器前加置不同透光轴方位角的检偏器,实现偏振信息的同时获取。系统采用多光路多探测器的方式工作,体积庞大,结构复杂,需要复杂的校正和标定程序。

其中,n 和k 为目标的辐射率的实部和虚部,φ 为辐射角。图3所示分别为金属铝、玻璃的自发辐射在s方向和p方向的发射率ρ s(φ ,n ,k )和ρ p(φ ,n ,k )随观测角的变化曲线。

(4)分焦平面型成像装置。直接在探测器焦平面的每个像元前加入微型偏振片,每2×2像素范围内的4个不同透光轴方位角的微偏振单元构成1个超像素,以实现实时偏振探测。这种方式能够实时实现偏振成像,确保每次测量均是在相同的光照和辐射条件下进行,克服了分时偏振成像设备的缺点,具有实时性好、体积小、质量小、结构紧凑、集成度高等优点,可用于快速变化目标的检测与跟踪等。西北工业大学已研制出了长波红外分焦平面成像装置,其在众多机构中得到了应用。在该成像方式中,焦平面响应的非线性和偏振片阵列的非一致性相互耦合,对于系统的校正提出了很高的要求。同时,每1个超像素中不同透光轴方位角的微偏振单元存在视场差异,其所产生的瞬时视场误差很难被消除[14]

自从Lakoff和Johnson(1980)在Metaphors We Live By一书中首次系统阐述隐喻概念原理,隐喻成为语言学领域的重要研究话题。早期的隐喻理论是从始源域到目的域的单向投射,Fauconnier(1997)提出概念整合理论,构建了复合空间概念复合模式。早期的隐喻研究只关注语言表征,但随着交际手段的多模态化,隐喻研究从文本语篇扩展到声音、图像等多模态。2009年Forceville提出多模态隐喻,将过去的单一静态概念投射扩展到在多种互动模式下始源域和目标域的投射,把一直仅限于纯语言学领域的概念隐喻理论研究拓展到跨学科的多模态研究中。

1.2 仿生偏振视觉

在偏振成像过程中执行的一次偏振滤波极大削弱了进入探测器的能量,同时由于现有偏振成像技术的缺陷,使所获得图像在时间分辨率、空间分辨率、偏振分辨率、图像的信噪比等方面存在不足,限制了红外偏振成像探测技术进一步的工程应用。另一方面,目标辐射的偏振特征与波长密切相关,发展可同时获取光谱和偏振信息的多光谱偏振成像仪对于进一步提高目标检测、识别的性能而言具有很大的帮助作用,但这又给现有的偏振成像技术提出了新的挑战。

近年来,学者研究发现,很多生物具有偏振感知(Polarization Sensitivity)或偏振视觉(Polari-zation Vision)能力,典型的生物包括螳螂虾、乌贼、水虿、沙蚁、蜜蜂等[1,15-16]。偏振感知是指对视觉区域内的一个物体或区域内的偏振光敏感(如从水面上反射的光、水底环境的偏振光、大气环境光等),而偏振视觉是能够区别光波的电场方向、进而识别偏振百分比的能力,即能够察觉到线偏振度。作为多种海洋和陆地生物特有的视觉特性,偏振视觉能够有效地补充人类感知能力的缺陷,近年来得到了仿生学和机器视觉领域的广泛关注。

在光学偏振探测领域,常采用Stokes矢量(S 0,S 1,S 2,S 3)来描述物体反射/辐射光的偏振态。其中,S 0表示光的总强度,S 1表示水平方向上线偏振光的强度,S 2表示45度方向上线偏振光的强度,S 3表示圆偏振光的强度[8-9]。检偏器透光轴在方位角选取0o、45o、90o、135o时,能够获得对应的强度值I 0、I 45、I 90、I 135,以及通过旋转波片获取左旋和右旋光的强度I lc、I rc。利用这些信息,可以计算出目标辐射的Stkoes参数

本工程外压力对管道等级影响较小,确定管道压力等级主要为管道内水压力。滩地片区管线最高点水位为529.1 m,最低点位于涝河河道,高程为497.5 m,高差为31.6 m。根据《农田低压管道输水灌溉工程技术规范》(GB/T 20203-2006),管道压力为最大工作压力的1.4倍。管道内水压力为44.2 m,管道公称压力为0.4 MPa。项目区分为两个片区,分别为涝河滩地片区与贤庄片区。管道最大工作压力为管网灌溉系统进口压力Hin,管网进口压力计算如下:

图1 水虿的单眼组织结构图
Fig.1 Dobson monocular organizational structure

在生物多波段偏振视觉的启示下,通过研究生物偏振视觉感知单元的结构及信息处理机制并结合人类视觉感知的特点,研制新一代的多波段偏振成像设备已成为了重要的研究方向之一。西北工业大学首次在该领域做出了尝试,并研制出了仿生多波段偏振视觉系统,如图2所示。该系统在所获取偏振图像的空间分辨率、时间分辨率、偏振分辨率、视场角等方面均具有以上4种偏振成像方式所无法比拟的优势。通过引入生物复眼光路和压缩传感技术,可以在降低数据率的同时大幅度提高探测视角、增强检测的实时性,以使得多波段偏振成像技术可被更好地应用于高速运动平台上。

图2 仿生多波段偏振视觉系统
Fig.2 Bionic multiband polarimetric vision system

2 目标红外偏振特性分析

目标反射、辐射的偏振态与其表面状态和固有理化属性密切相关,不同类型的目标具有不同的偏振特性。地球表面和大气中的目标,在辐射电磁波的过程中,都会产生由目标物本身构成材料的理化特征、粗糙度、含水量等决定的偏振特征。实验结果表明,不同材质物体的热辐射偏振特性存在较大差异。在自然环境中,地物的红外偏振度一般小于1.5%,只有水体的偏振度较强,可达8%~10%。军事目标等人工目标一般有较强的热辐射偏振特性,如飞机坦克的偏振度达到了2%~7%。人工建筑的偏振度在1.5%以上[20-21]。这一特性表明,红外偏振探测系统可在复杂自然景物背景中区分有用的信息,探测人造军事目标,以达到目标探测和识别的效果,有助于提高人类对目标进行探测识别的能力。

2.1 目标红外偏振特性分析

根据菲涅尔定律和基尔霍夫热辐射定律,热辐射也会表现出偏振效应[7-8,10]。物质红外热辐射在2个正交的偏振方向的理论表达式如下[10]

I p(θ )=ε p(n ,θ )P (T m,8,14)+ρ p(n ,θ )P (T bgd,8,14)
I s(θ )=ε s(n ,θ )P (T m,8,14)+ρ s(n ,θ )P (T bgd,8,14)

(4)

(1)观测角:Goldstein[23]、Wolff[24]、Gurton[25]等通过对不同物质在各种条件下进行实验观测,说明了当观测角增加时,目标的偏振度也会增加;当反射率降低时,目标的偏振度也会增加。图4所示为铝在红外波段(波长为3μm)时偏振度随观测角的变化曲线。

网络安全的另一个非常重要的手段就是加密技术,它的思想核心就是既然网络本身并不安全可靠,那么所有重要信息就全部通过加密处理。

(5)

由基尔霍夫定律,在同一温度下目标的光谱发射率等于吸收率α (T ,λ ,φ ),即有

ε p(T ,λ ,φ )=α p(T ,λ ,φ )

(6)

ε s(T ,λ ,φ )=α s(T ,λ ,φ )

(7)

由能量守恒定律

α p(T ,λ ,φ )=1-ρ p(φ ,n ,k )

(8)

α s(T ,λ ,φ )=1-ρ s(φ ,n ,k )

(9)

可得偏振度为

(10)

其中,ρ s(φ ,n ,k )、ρ p(φ ,n ,k )分表代表s方向和p方向的菲涅尔反射系数。由菲涅尔公式[1]可知

(11)

(12)

(13)

(14)

(3)分孔径型偏振成像装置。利用微透镜阵列将入射光分为4个部分,通过将1个探测器分为4个区域,实现同一探测器接收,通过简单计算实现偏振成像。系统采用多光路单探测器方式工作,而不同检偏器透光轴方位角对应的图像存在空间和视角差异,配准、校正和标定程序比较复杂。

(a)铝

(b)玻璃
图3 理想光滑表面自发辐射的发射率与观测角的关系
Fig.3 Relationship between emissivity and observation angle for ideal smooth surface

从图3可以看出,金属铝和玻璃在s方向和p方向上的发射率存在差异,在两个方向上光的振幅存在差异,这造成了红外辐射的偏振效应。在不同的观测角下,红外辐射的偏振度有所不同。在同一观测角下,金属铝在s方向和p方向上的发射率的差异大于玻璃在s方向和p方向上的发射率的差异。因此,金属铝比玻璃的偏振度更大[22]

2.2 影响目标红外偏振特性的因素

多年来,人们在偏振成像探测技术研究方面开展了大量的理论和试验研究,取得了很大进展。研究结果表明,目标的反射辐射和自发辐射都含有偏振信息,其中观测角、目标表面粗糙度、目标材料等对目标偏振探测有很大影响。

I P(θ )和I S(θ )分别为从物体辐射来的在水平和垂直方向上的总能量,P (T m,8,14)为物体辐射在8μm~14μm热红外波段的能量和,它与物体的自身温度T m有关。P (T bdg,8,14)为物体反射的在这一波长区间内的背景的辐射能量和。ε S(n ,θ )为水平方向的辐射率,ε p(n ,θ )为垂直方向的辐射率,ρ S(n ,θ )为水平方向的反射率,ρ p(n ,θ )为垂直方向的反射率。

图4 在波长为3μm时金属铝和玻璃红外 辐射偏振度随观测角的变化 Fig.4 Relationship between emissivity and observation angle for aluminum on 3μm

(2)目标材料:Jordan[26]等对不同粗糙度的铝板和钠钙玻璃的红外发射辐射偏振度做出了测量,结果表明两种样品的偏振度随观测角的增加而有所增加,随样品粗糙度的增加而迅速降低;同时,Jordan等也发现这两种材料在相同条件下的偏振态也有很大差别。Gurton[25]等利用傅里叶变换红外偏振光谱仪,测量了不同粗糙度表面的复折射率材料的热红外偏振参数。实验结果表明,不同粗糙度的材料样品的红外光谱偏振度有所差异;随着观测角的增加,样品的红外光谱偏振度增大;不同材料的红外偏振特性各不相同。图4所示为金属铝和玻璃在红外波段(波长为3μm时)偏振度随观测角变化的曲线[22]

(3)目标表面粗糙度:Wolff[24]对金属和塑料的偏振特性进行了实验研究,使用偏振成像的方法消除了背景的影响。研究发现,目标的表面粗糙度是决定目标偏振特性的重要因素。Wolff指出,由粗糙度表面发射的是部分偏振辐射,其发射的偏振度也是较大的。在具有相同粗糙度的表面,不同材料的长波红外偏振特性各不相同。

(4)综合因素:Zhao[1]等通过理论和实验研究,得出了绝缘体和金属材料的偏振度和偏振相角随观测角的变化规律,同时通过图像融合,有效地检测出了目标。

针对红外偏振的自发辐射,根据偏振度的定义,自发辐射的偏振度可以表示为

3 红外偏振成像的应用

3.1 偏振特征对提升探测性能的作用

利用Stokes矢量可以计算得到目标辐射的线偏振度(Degree of Linear Polarization, DoLP)、偏振相角(Angle of Polarization, AOP)

3.2 红外偏振成像应用

根据已有的红外偏振成像探测的应用领域及实验分析可以获悉,在如下三种情况下,应用红外偏振成像可大幅度提高所获取图像的信杂比/信背比,相关数据均由西北工业大学所研制的长波红外分焦平面成像装置采集[22],成像装置如图5所示。

图5 分焦平面偏振成像系统
Fig.5 DFP polarimetric imaging system

3.2.1 处于杂乱自然背景中的目标检测

1.5.2 病理学分类 根据常见甲状腺病理学结果进行下述规定:良性病变:包括甲状腺结节性增生(NH)、甲状腺炎(包括桥本氏甲状腺炎或亚甲炎)、滤泡性腺瘤(FA);恶性病变:甲状腺乳头状癌(PTC)、甲状腺滤泡癌(FTC)、甲状腺髓样癌(MTC)及未分化癌(ATC)。

紫花鹤顶兰发现于贵州罗甸县董当乡天坑,生境海拔510 m,生长于稀疏小乔木林下石灰岩上,伴生种有化香树、银带虾脊兰、单叶石仙桃、曲边线蕨、光亮瘤蕨等。居群有成熟植株20余株,幼苗约10株,带果荚植株8株,长势良好,但有雨水冲毁,山石掩埋威胁。2017年11月10日采集,凭证标本:HXQ17111002HT,引种保存于贵阳药用植物园。

自然背景(如草丛、树木等)具有非常弱的偏振特性,而车及其他人造目标通常具有较强的偏振特性。在无偏图像中,对于树木后面的车这个检测目标而言,由于其距离较远,目标在图中并不明显。通过红外偏振滤波能够弱化自然背景的亮度,进而凸显出目标。因此,对于处于杂乱背景中的目标,利用偏振红外成像技术能够有效地提高信杂比,提高目标检测的可靠性[22]

如图6所示,在高温天气下,人和背景树的温度差异很小,处于树林中的车在无偏红外图像图6(a)中很难被辨别。但是,由于车与树的热辐射在偏振特性方面具有较大差异,通过红外偏振成像图6(b)可以有效地辨别出目标。

[11]程仲鸣、张鹏:《财税激励政策、政府质量与企业技术创新》,《南京财经大学学报》2017年第3期。

3.2.2 水面目标检测

水面小目标在红外成像过程中,往往会受到水杂波的影响。同时,在红外波段,太阳耀光依然对水体的发射辐射有影响,而这种影响主要是在镜面反射中体现的,进而产生由水面特征决定的偏振光。偏振成像可以有效抑制水体杂波,准确区分海天线。如图7所示,由于杂波的影响及目标与水体温度相近,很难从无偏红外图像中判别出目标。水体的红外偏振特性与目标的红外偏振特性有很大的差异,体现在红外偏振图像中,表现为目标与背景的信背比很高,目标很容易被辨别。

(a) S 0 图像

(b) 偏振伪彩色融合图像
图6 处于自然背景中的目标红外偏振图像
Fig.6 Polarimetric infrared image for the target in clutter

(a) S 0 图像

(b)偏振伪彩色融合图像
图7 水面目标的红外偏振图像
Fig.7 Polarimetric infrared image for the target in water

3.2.3 道路检测

智能化的变电站技术,利用计算机代替常规的控制设备和信号监测设备,降低了人工记录数据的工作量,节省了变电成本和人力资源。

在道路检测过程中,道路周边的草丛、树木等自然场景具有非常弱的偏振特性,但是道路为人造目标,其表面光滑平整,表现出了很强的偏振特性。利用不同物体对辐射偏振特征影响的差别,可以凸显出偏振特性明显的目标。如图8所示,由于道路周边环境的影响及道路与路边草丛温度接近,从图8(a)红外强度图像中很难区分出道路与周围草丛。但是,草丛的红外偏振特性与道路的红外偏振特性存在很大差异,通过图8(b)的红外偏振图像,可以很容易辨别出道路。

(a) S 0 图像

(b)偏振伪彩色融合图像
图8 道路的红外偏振图像
Fig.8 Polarimetric infrared image for the target in road

4 结 论

作为一种新型的光电探测技术,红外偏振成像探测在军事和民用领域中均展现出了广阔的应用前景,受到了国内外众多学者和有关部门的高度关注。本文对近几年红外偏振成像探测技术的理论、系统、应用等方面进行了总结,通过实验仿真和实际拍摄的红外偏振图像对红外偏振成像探测技术的发展动向、存在问题和解决思路给出了系统的综述。尽管红外偏振成像技术已被成功应用于多个领域,但其目前在理论上尚未形成统一的框架,而在实际系统设计中则缺乏有效的指导原则。

参考文献 (References)

[1] ZHAO Y Q,YI C, KONG S G, et al. Multi-band polarization imaging and applications[M]. Berlin: Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2016.

[2] LI N, ZHAO Y, PAN Q, KONG S G, Demosaicking DoFP images using Newton’s polynomial interpolation and polarization difference model[J]. Optical Express, 27(2):1376-1391, 2019.

[3] ZHAO Y Q, GONG P, PAN Q. Object detection by spectropolarimeteric imagery fusion[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,2008, 46(10): 3337-3345.

[4] ARON Y, GRONAU Y. Polarization in the LWIR: a method to improve target acquisition[C]//Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering,2005, 5783: 653-661.

[5] TYO J S, GOLDSTEIN D L, CHENAULT D B, et al. Review of passive imaging polarimetry for remote sensing applications[J]. Applied Optics, 2006, 45(22): 5453-5469.

[6] LI N, ZHAO Y Q, PAN Q, et al. Removal of reflections in LWIR image with polarization characteristics[J]. Optical Express, 2018, 26(13):16488-16504.

[7] RESNICK A, PERSONS C, LINDQUIST G. Polarized emissivity and Kirchhoff’s law[J]. Applied Optics, 1999, 38(8): 1384-1387.

[8] ZHAO Y Q, ZHANG L, ZHANG D, et al. Object separation by polarimetric and spectral imagery fusion[J]. Computer Vision and Image Understanding, 2009, 113(8): 855-866.

[9] ZHAO Y Q, PAN Q, ZHANG H C. New polarization imag-ing method based on spatially adaptive wavelet image fusion[J]. Optical Engineering, 2006, 45(12): 123202-123208.

[10] ZHAO Y Q, ZHANG Q Y, YANG J X. High-resolution multiband polarization epithelial tissue imaging method by sparse representation and fusion [J]. Applied Optics, 2012, 51(4): 27-35.

[11] JOHNSON L F.Infrared Polarization Signature Feasibility Tests[R].U.S.Army Mobility Equipment Research and Development Center,1974.

[12] GIUDICOTTI L, BROMBIN M. Data analysis for a rotating quarter-wave, far-infrared Stokes polarimeter[J]. Applied Optics, 2007, 46(14): 2638-2648.

[13] MATCHKO R M, GERHART G. High-speed imaging chopper polarimetry[J]. Optical Engineering, 2008, 47(1): 016001-016012.

[14] ZHAO Y Q, LIU W T, KONG S G, et al. Design and performance analysis of infrared micro-polarizer array[C]//2015 the 34th Chinese Control Conference (CCC), Hang-zhou, China, 28-30 July, 2015:1-6.

[15] PIGNATELLI V, TEMPLES S E, CHIOU T H, et al. Behavioural relevance of polarization sensitivity as a target detection mechanism in cephalopods and fishes[J]. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 2011, 366(1565): 734-741.

[16] SCHENCHNER Y Y. Inversion by P4: polarization-picture post-processing[J]. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 2011, 366(1565): 638-648.

[17] GYÖRGY K, BALáZS B, RóBERT F,et al. Degrees of polarization of reflected light eliciting polarotaxis in dragonflies (Odonata), mayflies (Ephemeroptera) and tabanid flies (Tabanidae)[J]. Journal of Insect Physiology, 2009, 55(12): 1167-1173.

[18] CHIOU T H, PLACE A R, CALDWELL R L, et al. A novel function for a carotenoid: astaxanthin used as a polarizer for visual signaling in a mantis shrimp[J]. The Journal of Experimental Biology, 2012, 215(4): 584-589.

[19] KAMERMANS M, HAWRYSHYN C. Teleost polarization vision: how it might work and what it might be good for[J]. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 2011, 366(1565): 742-756.

[20] EGAN W G, DUGGIN M J. Optical enhancement of aircraft detection using polarization[C]//International Symposium on Optical Science and Technology. The International Society for Optics and Photonics, San Diego, CA, US, 2000: 172-178.

[21] BEN D B, OPPENHEIM U P, BALFOUR L S. Polarization properties of targets and backgrounds in the infrared[C]//8th Meeting in Israel on Optical Engineering. International Society for Optics and Photonics, Tel Aviv Israel, 1993: 68-77.

[22] ZHAO Y Q, LI N, ZHANG P, et al. Infrared polarization perception and intelligent processing[J]. Infrared and Laser Engineering, 2018,27(11):1-7.

[23] GOLDSTEIN D H. Polarimetric characterization of federal standard paints[C]//Proceeding of SPIE, Polarization Analysis, Measurement, and Remote Sensing III, San Diego, CA, US, 2000(4133): 112-123.

[24] WOLFF L B, LUNDBERG A, TANG R. Image understanding from thermal emission polarization[C]//Computer Vision and Pattern Recognition, Proceedings. 1998 IEEE Computer Society Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (Cat. No.98CB36231), Santa Barbara, CA, USA, 1998: 625-631.

[25] GURTON K P, DAHMANI R. Effect of surface roughness and complex indices of refraction on polarized thermal emission[J]. Applied Optics, 2005, 44(26): 5361-5367.

[26] JORDAN D L, LEWIS G. Measurements of the effect of surface roughness on the polarization state of thermally emitted radiation[J]. Optics Letters, 1994, 19(10): 692-695.

Progress of Infrared Polarimetric Imaging Detection

ZHAO Yongqiang1, MA Weimin2,LI Leilei1

(1. Research & Development Institute of Northwestern Polytechnical University in Shenzhen, Shenzhen, 518057; 2. School of computer and information engineering, Harbin University of Commerce, Harbin, 150028)

Abstract :As a new type of photoelectric detection technology, infrared polarimetric imaging detection has wide application prospects in military and civil fields. It has been highly concerned by many scholars. This paper summariz-es the theory, system and application of infrared polarization imaging detection in recent years. Through simulation and actual photography infrared polarization, this paper summerize the development trend of infrared polarimetric imaging detection technology, the existing problems, and how to solve these problems. Then the advantages and disadvantages of the existing infrared polarimetric imaging technology are analyzed, and a new concept of bionic polarimetric vision is proposed. Through analyzing of the polarimetric properties of target radiation, this paper points out the influence factors of polarimetric imaging quality. By actual polarimetric imaging experiment, we point out the potential application fields of infrared polarimetric imaging.

Keywords :polarimetric imaging; infrared imaging; object detection; detection distance; bionic polarimetric vision

*收稿日期: 2019-02-28;修回日期:2019-04-04

基金项目: 深圳市科技创新委员会基础研究(学科布局)项目(JCYJ20170815162956949);深圳市科技创新委员会基础研究(自由探索)项目(JCYJ20180306171146740)

作者简介: 赵永强(1976—),男,博士,教授,博士生导师,主要从事偏振成像、光谱成像、机器视觉、人工智能等方面的研究。E-mail:zhaoyq@nwpu.edu.cn

中图分类号: TN911. 73; TP391. 9

文献标志码: A

文章编号: 2096-5974(2019)03-0077-08

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红外偏振成像进展论文
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