分焦平面偏振成像關鍵技術

羅海波，劉燕德，蘭樂佳，葉雙輝

（1.中國科學院沈陽自動化研究所，遼寧 沈陽 110016;2.華東交通大學機電與車輛工程學院，江西 南昌 330013）

分焦平面偏振成像關鍵技術

羅海波1，劉燕德2，蘭樂佳2，葉雙輝2

（1.中國科學院沈陽自動化研究所，遼寧 沈陽 110016;2.華東交通大學機電與車輛工程學院，江西 南昌 330013）

偏振成像是一項具有巨大應用價值的前沿技術，近年得到了業內人士的廣泛關注。文章介紹了偏振成像的原理、特點、應用以及國內外研究現狀，還介紹了幾種常用的實現方法及其優缺點，最后對當前偏振成像的主流方法——分焦平面法的關鍵技術進行了討論。

成像；偏振成像；分焦平面法；插值；非均勻性校正

偏振是光波的基本屬性之一,其中蘊含著被測物的眾多特征信息。由于人眼對偏振信息不敏感,所以一般情況下人眼所獲得的信息主要來自于光的強度和光譜信息,而忽略了光的偏振所反映的被測物信息。偏振成像是在原有的成像系統上增加偏振檢測裝置,通過測量光線不同方向的偏振分量,進而得到被測光線的部分或全部偏振狀態信息,通常用Stokes矢量[1]或Mueller矩陣來表征被測光線的偏振狀態。通過對這些偏振信息圖像的分析和計算,可以進一步得到更多的偏振參數圖像,如偏振度、偏振角、橢圓率角、偏振傳輸特性、去偏特性等,其結果可用于分析被測物的形狀、粗糙度、介質特性甚至生物化學等各項特征信息[2]。通過將偏振信息和強度信息融合，還可以達到增強目標的目的，能提供更多維度的目標信息，可有效提高對隱身、偽裝目標的探測識別能力，還可以抑制霧霾、煙塵以及誘餌等干擾。

偏振成像是一項具有巨大應用價值的前沿技術，近年得到了業內人士的廣泛關注。典型的偏振成像方法有分時法（DoT）[3]，分振幅法（DoAM）[4]，分孔徑法（DoAP）[5]以及分焦平面法（DoFP）[6－7]。分時法采用步進旋轉偏振片，在不同的時刻分別獲得4個方向的光強響應，從這4個光強響應中就能解算出景物光波的偏振態信息，這種方法因為是在不同的時刻得到不同方向的光強響應，故只適合于對靜態場景成像。分振幅法利用分束鏡、偏振分束器或沃爾斯通棱鏡等分束光學器件結合成像透鏡及多個成像探測器組成多個偏振探測通道，獲取得到同一目標場景的多幅圖像，在每個通道中放置不同方向的偏振片以獲取目標不同偏振方向的強度圖，再利用數據約簡矩陣得到目標的Stokes矢量圖。分振幅法具有可同時成像，數據處理簡單等優點，然而由于需要分成多個子光學系統，采用多個成像探測器記錄多幅偏振強度圖像，所以體積較大。且當各通道采用的光學系統和成像探測器的參數存在差異時，會引入額外的偏振測量誤差。分孔徑法是指采用孔徑分割的方法將整個系統分成多個子孔徑，每個子孔徑分別采用不同的偏振元件，以獲取不同偏振態的強度圖。這種方法通常在系統孔徑處采用離軸的方法放置4個成像透鏡陣列形成4個通道，每個通道放置不同方向的偏振檢測原件以獲取不同偏振方向的強度圖，最終得到Stokes矢量圖。4個偏振通道共享一個前置物鏡，通過合理安排，將4個偏振通道的圖像成像在1個探測器上。分孔徑偏振成像系統具有結構緊湊，數據處理方便等優點。但由于系統采用的分孔徑分光系統一般為離軸或偏心系統，給設計和裝調帶來了一定的困難。而且像面上像點之間的配準誤差會引入偏振測量誤差。分焦平面法將偏振元件集成到焦平面上，焦平面1個像元對應1個微偏振元件，其工作原理如圖1所示。圖1（a）是分焦平面偏振成像探測器結構示意圖，在成像探測器焦平面上加工或粘貼一層微納結構偏振陣列，每4個像元1組，分別敏感不同方向的偏振矢量。在偏振成像解算時，利用當前像元及其周圍像元的響應直接或間接得到該像元對不同方向的偏振分量或偏振態，進而解算出Stokes矢量，完成偏振成像解算。分焦平面法可以同時獲取入射光不同方向的偏振分量或偏振態，故既可對靜態場景成像又可對動態場景成像，而且結構緊湊，體積小，是當前偏振成像的研究熱點，也是未來偏振成像的主流方向。本文介紹了偏振成像在若干領域的應用，并對分焦平面偏振成像的關鍵技術進行了討論。

圖1 分焦平面偏振成像原理示意圖Fig.1 The diagrammatic drawing of polarization imaging

1 偏振成像的應用

偏振成像在生物醫學、材料學、遙感、大氣光學、海洋探測、軍事等領域都有重要的應用。偏振成像可以增強目標與背景的對比度,直接利用矢量圖像或通過矢量彼此間的簡單比值可以提高對場景細節的分辨能力,但更常見的是利用偏振度、偏振角等信息增強圖像中目標的細節和形狀信息。中科院安徽光機所研制的多波段偏振相機可以獲取4個波段的Stokes矢量[8]，他們利用研制的多波段偏振相機對混凝土建筑物和路面等目標進行了識別實驗，實驗結果表明，偏振圖像在獲取目標紋理特征和表面狀態信息等方面具有明顯的優勢[9]，利用偏振角圖像還能表現出目標不同表面取向的細節特征[10]。張緒國等在實驗室條件下對主動式的偏振成像研究表明,反射率相近的物體在偏振度圖像中得到了明顯的區分,將強度圖像和偏振度圖像作對比,可以提高不同材料之問的分辨能力,尤其適用于人造目標在自然背景下的識別[11]。

在生物醫學領域,常見的應用是測量細胞或組織的Mueller矩陣,用于研究其生物特征或病理學診斷。由于生物組織不同結構間的偏振特性不同,利用Mueller矩陣顯微鏡可以進行生物組織結構方面的研究,如進行皮膚-肌肉組織的Mueller矩陣斷層掃描,研究其軸向上的偏振特性分布,或進行真皮組織、骨組織結構研究等。在病理學診斷領域,可以通過偏振圖像進行無接觸、無痛和無損傷的病變診斷,尤其適用于皮膚和眼部的診斷。

偏振成像可實現對地偏振遙感,植物葉片、海洋、土壤、巖石等地物都會反射太陽光并在其中疊加偏振信息,因此偏振地物遙感在多種測量領域都有重要應用。由于海洋背景散射光的偏振度較大,因此偏振成像可以用于海洋生物學和海洋水體研究,如用于環保領域的海面漏油檢測。在對地遙感中,河流和湖泊由于對周圍景物的反射而使得在強度圖中不易分辨,但采用偏振成像方法卻可以較好地對其進行區分。此外,還可以通過偏振遙感對土壤、雪地和植被進行檢測,還可利用偏振度圖像檢測植物葉片含水量,進行農業研究和監測等。

在軍事應用方面，英國國防科技實驗室于2002年利用紅外偏振技術開展掃雷實驗，圖2為傳統成像和偏振成像的對比圖，由圖中可以看出，紅外偏振成像技術在遮蔽目標檢測效果方面明顯優于傳統紅外成像技術。

圖2 英國國防科技實驗室利用紅外偏振成像進行掃雷實驗Fig.2 Demined experiments with infrared polarization imaging technology by British National Defense Science and Technology Laboratory

2011年，美國空軍實驗室（AFRL）在Wingmaster靶場開展了對空偏振成像目標跟蹤實驗，試驗中對兩種材質的小型遙控飛機在不同背景（包含天空、樹林、跑道、草地）下進行長波紅外偏振成像實驗，圖3為成像結果對比，由圖中可以看出，在幾乎所有的雜亂背景下，長波紅外偏振成像更能凸顯目標，長波紅外偏振圖像與長波紅外圖像相比,最大虛警率由0.52降為0.01，信雜比提升了3.4～35.6倍。

圖3 美國空軍2011年低空小型無人機長波紅外偏振成像探測實驗Fig.3 Long wave infrared polarization imaging detection experiment of low altitude unmanned aerial vehicle in 2011 by United States Air Force

2 偏振成像的國內外研究現狀

2008年，美國雷神公司研制了LWIR（HgCdTe）和MWIR（InSb）分焦平面紅外偏振探測系統，達到了實時偏振探測要求，偏振光柵消光比達到100以上。2008年，美國在紅石兵工廠、陸軍研究發展工程中心（ARDEC）下屬的精確武器實驗室（PAL）、洛馬公司的先進技術中心等地開展了分孔徑型偏振成像探測設備的武器效能實驗，具備實戰能力，可能已裝備陸軍。2010年，美國研制出基于反射/透射結構的可見光全偏振成像原理樣機，2011年突破單波長全偏振成像的技術瓶頸，實現在較窄波段上全偏振圖像的實時獲取。2011年，美國亞利桑那大學聯合其他幾所大學進行了一種新型的偏振成像探測機理研究，即基于寬帶偏振光柵的白光通道型偏振成像。該技術能較好地獲取Stokes參數，有助于提高圖像質量。2011年，美國圣地亞國立實驗室和亞利桑那大學聯合研制了多光譜紅外偏振成像儀，工作波段覆蓋短波紅外和中波紅外，并細分了1.51，2.32，3.51，4.17 μm 4個光譜，屬于Stokes偏振成像儀。2012年，美軍空軍研究實驗室（AFRL）開發了基于如圖4所示的新型圓偏振濾光鏡的偏振成像技術，該濾光片能同時獲得圓偏振光和線偏振光，主要應用于增強“穿云透霧看穿戰場”的能力，基于該方法的寬波段全偏振實時成像技術具有重要的軍事應用潛力。2014年，美國4D公司制備了四方向的微偏振陣列組件，在此基礎上研制成功商業化的可見光偏振相機（如圖5所示），該微偏振陣列的工作波段為0.3～3 μm，該技術有望應用于低成本的紅外偏振成像系統。

圖4 采用微納工藝的全偏振片Fig.4 Full polarizing plate with micro nano technology

圖5 美國4D公司的微偏振陣列組件及商業化偏振相機Fig.5 Micro polarized array assembly and commercial polarization camera of 4D company

3 分焦平面偏振成像的關鍵技術

分焦平面偏振成像技術是未來偏振成像領域的一個主流方向，但還存在一些關鍵技術需要攻克，主要體現在以下幾個方面。

3.1 微偏振陣列與探測器封裝技術

微偏振陣列的單元尺寸與紅外焦平面探測器的像元尺寸設計一致，在將兩者裝配到一起時必須保證精確地對準，特別是對于制冷型紅外探測器等需要在深冷條件下工作的器件，通常在常溫下裝配，但需要在較低的溫度下工作（如制冷紅外探測器通常工作于約80 K的低溫下)，如何保證低溫下的對準精度是關鍵，需要考慮材料的膨脹系數以及裝配工藝等因素。

另一方面，由于偏振陣列與探測器焦面（FPA）裝配后，兩者間總會存在一定的間距，這樣在相鄰像素間就會存在串擾，這種串擾會增加對場景偏振態測量的不確定性。有國外研究文獻報道稱，對于30 μm×30 μm的3.4 μm中波紅外偏振陣列，當FPA與偏振片的距離從0.5 μm增加到1.0 μm時，消光比下降約30%，是各種裝配誤差中影響最嚴重的一個。此外，像素尺寸越小，偏振陣列消光比下降越顯著，串擾問題越難解決，因此，首先必須先對偏振陣列與FPA之間的間距對探測系統的性能影響進行精確的仿真與分析，以此為依據改進、優化相關的裝配工藝，以保障偏振成像組件最終的消光比能夠達到應用需求。

3.2 偏振成像插值方法

分焦平面成像是將微偏振陣列集成在成像焦平面上，通常采用的方法是每2×2單元分別刻有0°，45°，90°和135°方向的光柵，該探測方式具有高透過率、高消光比、高實時性等優點，由于Stokes矢量所需的各個分量是通過鄰域像元重建得到的，而相鄰像元的瞬時視場不重疊，導致了瞬時視場誤差，同時該探測方式降低了空間分辨率。為了彌補以上不足，需要采用插值算法對偏振圖像進行誤差補償。

常用的分焦平面偏振圖像插值算法主要有雙線性插值、雙三次插值和雙三次樣條插值。這3種算法可以在一定程度上抑制瞬時視場誤差，但是這些算法本質上是低通濾波，平滑了圖像的細節信息。張俊超等人提出了一種基于相關性的分焦平面偏振圖像插值方法[12]，其主要思想是：① 采用自適應插值算法進行對角方向插值，以獲得相對應角度的強度值；② 利用偏振強度相關性區分邊緣與平滑區域，以及進行邊緣方向的判定；③采用三次樣條插值算法分別對平滑區域和邊緣進行插值。實驗結果表明，該方法可有效降低瞬時視場誤差，更好地逼近原始場景的偏振信息。

3.3 偏振成像非均勻校正方法

偏振成像的非均勻性主要由探測器自身的非均勻性(主要指紅外成像探測器，CCD不突出)、微偏振陣列的非均勻性以及光學系統的非均勻性耦合后產生的，微偏振陣列的非均勻性包括透過率的非均勻性和消光比的非均勻性，兩種非均勻性耦合在一起，使得偏振成像的非均勻性校正問題比傳統強度成像的非均勻性校正問題更為復雜。張俊超等人提出了一種基于標定的偏振圖像非均勻性校正方法，利用穆勒矩陣能很好地描述偏振片特性的特點，利用穆勒矩陣和相機線性響應模型建立探測器輸出與輸入Stokes矢量的模型；然后利用積分球(或黑體)和高消光比線偏振片產生一組均勻的不同光強和不同角度的線偏振光，并采用最小二乘算法求解探測器偏移量和分析矩陣；再利用分析矩陣和平均分析矩陣求解校正矩陣；最后利用偏移量和校正矩陣對含有非均勻噪聲的圖像進行校正[13]。實驗結果表明，該方法取得了較好的效果。

3.4 偏振成像圖像融合方法

偏振成像可以通過提取場景的偏振信息并將偏振信息和強度信息融合，以達到增強目標對比度的目的，但簡單將各種信息疊加在一起效果并不理想，因此需要研究適當的圖像融合算法，以突出目標，抑制雜波。在偏振度圖像中，由于經過累加與除法運算，噪聲往往比強度圖像明顯，在進行圖像融合前，必須進行有效的降噪處理。一種可行的方法是采用顯著性分布權重（SWM）去噪方法對偏振度圖像進行去噪處理。SWM描述的是顯著性圖譜，能夠表征圖像中區域灰度對比度的分布情況；根據人眼視覺特性，圖像灰度對比度大的區域更能吸引人眼的注意力。圖6是采用SWM的降噪處理結果，由圖中可以看出，經處理后，噪聲得到了有效抑制。在基于機器視覺的目標檢測與識別任務中，圖像的視覺效果并不是十分重要，圖像融合應側重于特征級融合或決策級融合，以更充分地利用圖像的信息。

圖6 偏振度圖像SWM去噪結果Fig.6 Results of polarization degree image with SWM

4 結論

對偏振成像的原理、特點、應用以及國內外研究現狀進行了總結，在此基礎上，對當前偏振成像的主流方法——分焦平面法的關鍵技術進行了討論。學術界對偏振成像的研究雖然開始很早，但由于技術的限制，該領域的研究在2000年以后才開始活躍起來，并得到業界的重視，目前偏振成像還有一些關鍵技術需要突破，可以預見，隨著相關技術的發展，偏振成像無論在技術方面還是在應用方面都將取得長足的進步。

[1]STOKES G G.On the composition and resolution of streams of polarized light from different sources[J].Trans Cambridge Philos，1852，9：399-416.

[2]張鵬.成像式偏振測量的關鍵問題研究[D].杭州：浙江大學，2012.

[3]HARNETT C K，CRAIGHEAD H G.Liquid-crystal micropolarizer array for polarization-difference imaging[J].Appl Opt，2002，41（7）：1291-1296.

[4]FARLOW C A，CHENAULT D B，SPRADLEY K D，et al.Imaging polarimeter development and applications[J].Proc SPIE，2002，4481：118-125.

[5]TYO J S.Hybrid division of aperture/division of a focal-plane polarimeter for real-time polarization imagery without an instantaneous field-of-view error[J].Opt Lett，2006，31（20）：2984-2986.

[6]PERKINS R，GRUEV V.Signal-to-noise analysis of Stokes parameters in division of focal plane polarimeters[J].Opt Express，2010，18：25815-25824.

[7]TYO J S，GOLDSTEIN D L，CHENAULT D B，SHAW J A.Review of passive imaging polarimetry for remote sensing applications [J].Appl Opt，2006，45（22）：5453-5469.

[8]羅睿智，喬延利，曹漢軍，等.航空型多波段偏振遙感探測及其光學系統的研究與設計[J].量子電子學報，2002，19（2）：143-148.

[9]孫曉兵，喬延利，洪津，等.人工目標偏振特征實驗研究[J].高技術通訊，2003（8）：23-27.

[10]孫曉兵，洪津，喬延利.一種基于偏振角參數圖像的特征提取方法研究[J].遙感技術與應用，2005，20（2）：256-260.

[11]張緒國，江月松，趙一鳴.偏振成像在目標探測中的應用[J].光電工程，2008，35（12）：59-62.

[12]ZHANG JUNCHAO，LUO HAIBO，HUI BIN，et al.Image interpolation for division of focal plane polarimeters with intensity correlation[J].Opt Express，2016，24（18）：20799-20807.

[13]ZHANG JUNCHAO，LUO HAIBO，HUI BIN，et al.Non-uniformity correction for division of focal plane polarimeters with a calibration method[J].Appl Opt，2016，55（26）：7236-7240.

Key Technologies of Polarization Imaging for Division of Focal Plane Polarimeters

Luo Haibo1，Liu Yande2，Lan Lejia2，Ye Shuanghui2
（1.Shenyang Institute of Automation，Chinese Academy of Sciences，Shenyang 110016，China；2.School of Mechanical and Vehicle Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）

Polarization imaging is an advanced technology with increasing applications and it has attracted wide atlention in recent years.In this paper,theories,characteristics,applications and the research status of polarization imaging are introduced.The implementation of several common methods and their advantages and disadvantages are also explored.Finally,the key technologies of division of focal plane polarimeters which is the current mainstream method of polarization imaging are analyzed.

imaging；polarization imaging；division of focal plane polarimeters；interpolation；nonuniformity correction

TP391

：A

1005-0523（2017）01-0008-06

（責任編輯 姜紅貴）

2016－12－09

南方山地果園智能化管理技術與裝備協同創新中心（贛教高字[2014]60號）資助

羅海波（1967—），男，博士，研究員，博士生導師。遼寧省人工智能學會理事，中國宇航學會光電技術專業委員會第二屆委員會委員，中國圖像圖形學學會會員。參與多項國家重點項目的研究，主持10余項課題研究，獲得國家發明二等獎1項；軍隊科技進步一等獎1項；國防科技進步三等獎1項；軍隊科技進步三等獎1項。發表學術論文20余篇，其中EI檢索14篇；獲得發明專利20余件；2009年入選遼寧省“百千萬人才工程”百人層次。