伪装涂层材料的二向偏振散射研究

　　0　引　言

　　在目标的探测中,偏振信息可以增强成像的对比度,分辨传统遥感手段难以识别的目标。偏振特征的研究是偏振遥感应用的基础,目标的二向偏振散射特征受到测试条件和材料性质等多种因素的影响,研究起来非常复杂。国内外的一些科研机构相继展开了这方面的探索。

　　加拿大Quebec海军研究中心[1]和法国Brest的激光和光谱测量实验室[2]利用偏振激光雷达研究了水下消偏振因素和散射体之间的关系。美国空军研究室的D. H. Goldstein[3]对涂覆了军用油漆的铝板作了偏振检测。G. Forssell[4]和Y. Aron、Y. Gronau[5]分别对车辆和帐篷进行了野外成像实验,纽约大学的W. G. Egan[6,7]研究了飞机以及军事伪装车辆的偏振特性,研究表明利用偏振成像可以有效抑制背景影响提高探测效率。

　　本文在可见光和近红外波段对涂敷在织物和铝板上的伪装涂层进行了偏振测试,研究了伪装涂层和背景的偏振散射特征,实验发现伪装涂层散射偏振度受观测条件影响很大,偏振遥感在目标识别方面具有传统强度遥感所不具备的优势。

　　1　偏振遥感侦察原理

　　在偏振遥感中常用Stokes矢量法表示光的偏振状态,Stokes矢量包含四个参数,代表不同偏振方向的光强度,定义为

式中Ex(t)、Ey(t)、δx(t)、δy(t)分别表示在x、y方向上电场的振幅和相位;〈E〉的含义是求电场强度的时间平均值。通过Stokes矢量可以定义偏振度P

　　2　测试仪器与方法

　　2.1　测试仪器

　　实验采用中科院安徽光学精密机械研究所的多波段偏振CCD相机,该相机有四个工作波段443nm、555nm、665nm、865nm,波段宽度为30~50nm。通过旋转偏振片和滤波片的方法来调节入射光的偏振方向和测试波段。根据0°、60°、120°三个方向的偏振光强度,计算Stokes矢量中的I、Q、U三个参数,进而求出偏振度P。对于绝大部分地物来说,偏振参数中的圆偏振分量V由于非常微弱而被忽略。

　　2.2　测试方法

　　在织物与铝板表面涂敷浅绿色和深绿色的伪装涂料。在晴朗少云的天气中进行野外测量。阳光以一定角度照射到样品表面(图1),通过调节CCD相机的位置,测试不同入射角(i)和方位角(a)下涂层的偏振特征变化。

　　3　结果分析

　　图2是样品的偏振度在四个波段随着入射角的变化规律。测试中使偏振相机在入射面内移动,保持入射角和测试角(r)相等。D代表深绿色涂层,L代表浅绿色涂层。从图中可以看出,草地在镜面反射方向的偏振度很低且受入射角影响很小。而伪装涂层在入射面内的偏振度较大且随着入射角的增大而增大。根据电磁波理论,在镜面反射时,反射光在垂直于入射面的分量始终大于平行分量。入射角为布儒斯特角时,反射光的平行分量消失,此时偏振度达到最大值。涂层的散射光可以分为面散射光和体散射光两部分,面散射会使偏振方向趋于一致而产生较大的偏振度;体散射主要是涂层内部的颜料和填料对光的随机散射,具有消偏振作用。同种测试条件下深色涂层的偏振度较大,而浅色涂层的偏振度较小。深色涂层的散射光主要来自面散射光,而大部分的体散射光在涂层内部被吸收,所以其偏振度较大;而浅色涂层刚好相反,体散射起主要作用使其偏振度较小。