阴天条件下草地和伪装涂层的光谱偏振特性

0　引言

传统伪装涂料可以与背景近似做到“同谱同色”,因此利用传统的光强探测手段很难对涂覆有伪装涂料的目标进行有效地探测和识别。如何对伪装目标进行有效地探测和识别一直是国内外研究的热点。在目标的成像探测过程中,利用偏振信息可以增强图像中目标与背景的对比度,因而对传统光强探测手段难以识别的伪装目标进行探测和识别具有一定的优势[1]。瑞典的G ran Forssell和Eva Hed-borg-Karlsson利用红外偏振成像仪检测伪装网覆盖下的金属目标[2];中国科学院安徽光学精密机械研究所的汪震对红外伪装遮障、涂漆伪装板进行了室外热红外偏振成像探测[3];国防科技大学的张朝阳研究了伪装遮障在不同阳光入射角下的偏振成像特征[4]。研究表明偏振探测对杂乱背景中的低反射率伪装目标识别具有独特优势。由于伪装目标的偏振特性受光照条件、探测波长、探测方位角、俯仰角以及表面粗糙度等多种因素影响[5],而目前的成像偏振探测技术大多是基于晴天太阳光照情况下对伪装目标的偏振特性进行研究,因此有必要对阴天实验条件下伪装涂层的偏振特性进行研究,得到不同因素对偏振成像探测结果影响的规律,以便对伪装目标进行有效地偏振探测和识别。

1　偏振成像探测原理

在偏振探测中,光的偏振态常使用Stokes矢量法来表示[1]。Stokes矢量定义为:

式中,I表示总的光强,Q表示水平线偏振分量与垂直线偏振分量之差,U表示45°线偏振分量与135°线偏振分量之差,V表示右旋偏振分量与左旋偏振分量之差。而在地物偏振成像探测中,圆偏振分量V在仪器可以检测的范围内很小[2,6],可以近似认为V=0。I、Q和U分量工程上一般通过测得0°、60°和120°三个偏振方向的光强度后处理获得。

　　利用Stokes矢量定义可以计算得到目标表面的偏振度P。

　　在偏振成像探测过程中,当需要得到Stokes参数图像、偏振度图像时,在测得0°、60°和120°三个偏振方向的强度图像后,仅需按照逐像元计算即可。

2　实验仪器与方法

图1为本文实验的原理图,其中i和r分别为入射角和探测俯仰角(定义Z轴正向为0°,0°≤i≤90°,0°≤r≤90°),α为探测方位角(定义X轴正向为0°方位,0°≤α≤360°)。通常情况下,r和α分别简称为探测角和方位角。

实验所用的探测系统由滤光片、线偏振片、CCD探测单元以及图像采集单元组成。CCD的光谱响应波段为400~1 000 nm,滤光片的中心波长分别为442.0 nm、545.5 nm、670.5 nm、850.5 nm和903.6nm,其半波带宽约为10 nm。待测量的伪装涂层为喷涂在铝板上的深绿、浅绿两种伪装涂料。草地背景为合肥地区夏季某一生长茂密的麦叶草草坪。测量过程中将伪装板平放在草地背景上,在阴天光照条件下,通过改变滤光片、探测角和方位角,获得不同探测条件下伪装涂层和周围草地背景的光谱偏振特性。测量时正南方向定为0°方位,正西为90°方位,其余各方位均按此顺时针规律推算。测量时间为2010年5月19日。在伪装涂层和草地偏振度数据的处理上采用局部求平均的方法,即在偏振度图像中选取研究对象的部分区域,对该区域中所有像素点的偏振度值求平均,并近似认为此平均值即为研究对象的偏振度值。