基于多光谱偏振探测系统目标识别研究现状

基于多光谱偏振探测系统目标识别研究现状

张郭瀛汪国强

（黑龙江大学，黑龙江哈尔滨150000）

摘要：目标识别技术在各个领域内应用广泛，其中光谱识别技术或偏振识别技术都针对于目标物与背景差距较为明显的情况。当目标物与背景接近“同色同谱”时，光谱识别技术无法准确识别，所以要将两者结合起来，提高目标探测和场景识别的准确度。由此可见，基于多光谱偏振探测系统的目标识别技术针对与背景融为一体的目标物具有重要的研究价值。

关键词：光谱探测；偏振探测；目标识别

1.前言

目标识别技术是通过获取被测目标的形状、回波特性、辐射分布等信息分析判断被测目标的种类。目标识别在军事上的应用最为广泛，从早期的雷达、声纳定位等都是目标识别的支脉。其中，基于雷达探测的目标识别技术需主动向目标发射电磁波，易受战场复杂电磁环境的影响；声传感器探测技术仅针对于有声目标，具有一定的局限性。但光谱识别技术与偏振识别技术都是基于待测物体本身特性，对于不同类型的目标，由于材料和表面粗糙度等方面的不同，其光谱特性与偏振特性也不尽相同。

多光谱偏振探测技术就是结合光谱探测和偏振探测的现代测量新技术，提供了目标物在光谱和偏振两个个方面特征，更有助于提高目标探测和识别的准确度。使用多光谱偏振探测技术在对物质进行分类、分析和识别方面有显著的优势，在军事领域、太空探测、地物遥感等领域扮演着非常重要的角色。因此，对其进行深入研究具有十分重要的意义。

2.国内外的研究现状

目前，国内外对光谱偏振探测技术进行了一定的研究。美国空军研究室的D.H.Goldstein等人对不同标准军用油漆的铝板进行了光谱偏振特性的实验研究分析[1]；LawrenceB.Wolff分别研究了玻璃及塑料材料制作的目标在中红外波段的偏振特性，并发现目标的表面粗糙度是决定目标偏振特性的重要因素[2]；孙秋菊等人研究发现红外偏振成像可以作为探测伪装目标的新途径，其成像效果较好，还证明偏振探测技术对复杂背景中低反射率伪装目标的独特识别优势在中红外波段同样成立；中国科学技术大学的孙玮利用多波段偏振实验装置获取了目标的偏振图像，并通过图像处理识别出人造目标[3]；王军等人发现采用红外偏振成像技术可以有效地实现对地面伪装目标的识别[4]；汪震等人研究表明在利用热红外偏振探测系统获得的Stokes矢量图中，地物背景、金属目标板及红外伪装遮障的热红外偏振特性各不相同[5]。

3.多光谱偏振系统原理

3.1光谱获取技术

当复色光通过色散光学系统时，例如光栅、分光棱镜等，按照光不同波长被依次散开的光学现象称之为光学频谱，即光谱。光谱获取的方法种类很多，主要分为滤光型、干涉型和分光型。滤光型是通过滤光片完成入射光的光谱选择，但是滤光片型稳定性差，调制型光谱调制范围较小。干涉型是通过干涉系统对入射光进行相干处理，从而获得入射光的光谱分布。分光型主要是通过分光元件将入射光分光，其中最为常见的为光栅色散元件，通过衍射获取入射光的光谱。

3.2偏振探测技术

偏振光参数的表征有琼斯矢量法、斯托克斯矢量法等方法。但琼斯矢量只能应用于线偏振光的测量。为了实现任何偏振态的测量，1852年SirGeorgeGabrielStokes通过研究发现：光的任何偏振态都可以用四个参数表示，且这四个参数都是实数，可以通过各种探测设备直接或者间接测量。由于是Stokes发现的，这四个参数被命名为Stokes矢量，表达式为：

（3-1）

式中，E为振幅，x，y为坐标轴方向，ψ为相位，<>为均值，I是光波的总辐射强度，Q是水平方向与垂直方向的线偏振光强度的差值，U是+45°方向和-45°方向上的线偏振光强度的差值，V是左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的强度差值。

用偏振度来表示偏振光强度在总光强中所占的比例，其式子为：

（3-2）

穆勒设计了用Stokes矢量进行计算的矩阵。这种矩阵可以描述光学元件的特性，元件的特性可以通过光学元件的偏振光推导出偏振态信息。如果射入光学元件的入射光用S表示，那么出射光用表示，这样通过穆勒矩阵可以得出出射光与入射光的关系式：

（3-5）

3.3多光谱偏振探测技术

多光谱偏振系统可以看作是光谱测量、偏振测量和光学成像的有机结合。光谱成像和偏振成像的基本理论也是光谱偏振成像的理论基础。光谱成像技术与偏振成像技术的集成通常有两种方式，一种是在光谱成像仪的光路中加入偏振控制器件，实现对入射光的偏振控制；另一种是在偏振成像仪的光路中加入色散器件，实现对不同偏振态光束的光谱测量。

4.结语

目前光谱成像技术或偏振成像技术应用广泛。但针对物体与背景的光谱信息接近时，识别会有偏差。所以将其两者结合起来，将传统光强探测获得的三维（光强、光谱和空间）信息量扩展到七维（增加了偏振度、偏振方位角、偏振椭率和旋转的方向）。利用滤光片获取光谱信息，再进入偏振片，最后经CCD相机成像。此时的图像还需要经过软件处理，将目标与背景进一步区分开，从而更加准确的识别所需目标。多光谱偏振系统在识别目标与背景物光谱信息接近时，能起到更加准确的识别作用。所以针对这种特殊情况，值得我们深入研究。

参考文献

[1]GoldsteinD.H.Polarimetriccharacterizationoffederalstandardpaints[C].ProcofSPIE.Barcelona,Spain,2000,4133:112-123.

[2]WOLFFL.B,LUNDBERGA,TANGR.Imageunderstandingfromthermalemissionpolarization[C].IEEEConferenceonComputerVisionandPatternRecognition,1998:625-631.

[3]孙玮,刘政凯,单列.利用偏振技术识别人造目标[J].光学技术,2004(03):267-269.

[4]王军,丁娜,李建军,李俊娜,武军,吴江辉,高飞,高蒙,孙科峰,高教波.红外偏振成像对伪装目标的探测识别研究[J].应用光学,2012,33(03):441-445.

[5]汪震,乔延利,洪津,王峰,李文涛.利用热红外偏振成像技术识别伪装目标[J].红外与激光工程,2007(06):853-856

作者简介：张郭瀛（1995.10—），女，陕西省渭南人，哈尔滨市南岗区黑龙江大学信息与通信工程专业2017级，研究生，研究方向：信号检测技术，图像处理。