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2025 , Vol. 53 >Issue 4: 67 - 81

DOI: https://doi.org/10.15983/j.cnki.jsnu.2025306

偏振光谱成像专题(主持人:任立勇)

红外偏振成像探测技术研究进展

  • 王煜 1, 2, 3 ,
  • 刘海峥 , 1, 2, * ,
  • 史泽林 1, 2 ,
  • 佟秋男 1, 2
展开
  • 1 中国科学院 光电信息处理重点实验室,辽宁 沈阳 110016
  • 2 中国科学院 沈阳自动化研究所,辽宁 沈阳 110016
  • 3 中国科学院大学 计算机科学与技术学院,北京100049
* 刘海峥,男,研究员,硕士生导师,研究方向为红外偏振成像技术。E-mail:

Copy editor: 李博

收稿日期: 2024-08-29

  网络出版日期: 2025-07-21

基金资助

辽宁省兴辽英才计划项目(XLYC22010001)

收起

Research progress on infrared polarization imaging detection and applications

  • WANG Yu 1, 2, 3 ,
  • LIU Haizheng , 1, 2, * ,
  • SHI Zelin 1, 2 ,
  • TONG Qiunan 1, 2
Expand
  • 1 Key Laboratory of Opto-Electronic Information Processing, Chinese Academyof Sciences, Shenyang 110016, Liaoning, China
  • 2 Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences,;Shenyang 110016, Liaoning, China
  • 3 School of Computer Science and Technology, University of Chinese Academy;of Sciences, Beijing 100049, China

Received date: 2024-08-29

  Online published: 2025-07-21

Fold

摘要

红外偏振成像探测技术在传统强度信息的基础上引入偏振信息,在特定条件下可有效提升目标探测识别能力,具有较高的信杂比、抗伪装和抗干扰等优势,在目标侦察、探测与打击等领域展现出广泛的应用潜力和良好的发展前景。首先介绍了物体表面偏振理论及相关现象,特别是目标高温偏振现象的发现,为偏振探测应用拓展了新领域;并基于目标偏振理论,分析了不同环境及应用背景下目标偏振特性的研究成果。其次,综述了近年来红外偏振探测器的发展以及目标红外偏振成像探测的最新进展,归纳了当前复杂战场环境下目标探测任务对红外偏振探测技术提出的新要求:突破实时高精度成像技术瓶颈、强化穿云透雾能力与抗遮蔽干扰性能等。最后,在总结目标偏振机理、目标偏振特性及偏振探测器技术发展趋势的基础上,未来应深化目标表面偏振理论研究、推动高精度红外偏振探测器制备技术发展、探索多维度信息融合处理,并进一步展望红外偏振探测技术在复杂目标识别、反隐身作战及战场监测等军事领域的未来发展及应用前景。

关键词： 偏振原理; 目标偏振特性; 红外偏振探测器; 偏振探测应用

本文引用格式

王煜 , 刘海峥 , 史泽林 , 佟秋男 . 红外偏振成像探测技术研究进展[J]. 陕西师范大学学报(自然科学版), 2025 , 53(4) : 67 -81 . DOI: 10.15983/j.cnki.jsnu.2025306

Abstract

Infrared polarization imaging detection technology introduces polarization information on the basis of traditional intensity information, which can effectively improve target detection and recognition capabilities under specific conditions. It has advantages such as high signal-to-noise ratio, anti camouflage, and anti-interference, and has broad application potential and good development prospects in target reconnaissance, detection, and strike fields. This article first introduces the theory of surface polarization of objects and related phenomena, especially the discovery of high-temperature polarization phenomenon of targets, which expands new fields for polarization detection applications.Based on the theory of target polarization, the research results of target polarization characteristics under different environments and application backgrounds were analyzed. Secondly, the development of infrared polarization detectors and the latest progress in target infrared polarization imaging detection in recent years were reviewed. The new requirements for infrared polarization detection technology in the current complex battlefield environment were summarized, including breaking through the bottleneck of real-time high-precision imaging technology, strengthening cloud and fog penetration, and anti occlusion interference performance.Finally, based on the summary of the target polarization mechanism, target polarization characteristics, and the development trend of polarization detector technology, it is proposed to deepen the theoretical research on target surface polarization, promote the development of high-precision infrared polarization detector preparation technology, explore multi-dimensional information fusion processing, and further look forward to the future development and application prospects of infrared polarization detection technology in military fields such as complex target recognition, anti stealth operations, and battlefield monitoring.

Key words： polarization principle; target polarization characteristics; infrared polarization detector; polarization detection applications

在当今军事竞争日益激烈的背景下,对精确、可靠的目标探测技术的需求愈发迫切。红外成像探测技术作为光学探测的重要手段之一,通过捕捉目标与背景之间的红外辐射强度差异,可实现对军事目标的探测与识别。然而,该技术在实际应用中面临诸多挑战,尤其是在复杂战场环境下,其局限性更加突出,例如:在战场火光、烟雾、粉尘等恶劣条件下,强环境辐射和散射效应会导致目标辐射信号衰减,从而显著降低探测效果。此外,当目标与背景的温度差异较小时,其红外辐射强度趋于一致,导致红外成像技术难以有效区分目标,从而无法实现准确探测与识别。在战场应用中,这些因素极大制约了目标的有效探测和精准识别。
面对复杂战场环境下的目标探测难题,红外偏振成像探测技术成为一种可行的解决方案。目标的偏振信息不仅包含辐射强度信息,还包含目标表面的偏振特征,为实现更高效的目标探测提供了可能。因此,近年来红外偏振成像探测技术受到广泛关注,并得到迅速发展。
自然界中的物体在辐射和反射过程中会产生偏振,不同材质的物体具有各自独特的偏振特性。红外偏振成像探测技术利用这一特性,通过测量目标的红外偏振特性或目标表面偏振特性的变化,以获取目标的形状、表面结构等信息,从而实现更精准的目标探测与识别[1]。同时,相较于红外成像探测技术,其具有更强的信息保持能力,在复杂环境中有较强的适用性。基于上述优点,红外偏振成像探测技术在目标抗干扰探测、伪装军事目标识别等方面,展现出技术潜力和应用价值。
红外偏振成像探测技术已逐渐成为目标探测领域的研究热点。本文围绕红外偏振理论及其应用发展,系统梳理了物体表面起偏原理、目标偏振特性、偏振探测器技术以及探测应用的最新进展;同时,分析了当前红外偏振探测技术存在的问题与挑战,并对其未来发展方向进行了展望;旨在为相关领域的研究人员提供有价值的参考,推动红外偏振成像探测技术的进一步发展与应用。

1 表面起偏理论与目标偏振特性

1.1 偏振理论

1.1.1 光滑表面反射偏振的菲涅尔公式解释

最早被发现和解读的偏振相关现象是透明材料中的反射和折射。1812年,Brewster研究了玻璃表面的光学反射现象,并提出了布鲁斯特角与折射率的关系。随后,菲涅尔成功推导出关于光滑透明表面反射光与折射光的强度及偏振规律,并将其命名为菲涅尔公式。
菲涅尔公式描述了入射光通过透明介质的光滑表面时反射与透射的偏振现象。光的本质是电磁波,可以分解为两个相互垂直的偏振分量:s偏振(垂直于入射面)和p偏振(平行于入射面)。如图1所示,该图展示了入射光的s偏振和p偏振分量在穿越介质表面时的电磁场变化。
图1 电磁波穿越表面的偏振示意图

Fig.1 Polarization diagram of electromagnetic waves crossing surfaces

结合边界条件和麦克斯韦方程可知,在独立的s方向或p方向上,反射光、透射光与入射光的各分量振幅满足如下关系:
Rs= n 1 c o s θ i - n 2 c o s θ r n 1 c o s θ i + n 2 c o s θ rEs,
Ts= 2 n 1 c o s θ i n 1 c o s θ i + n 2 c o s θ rEs,
Rp= n 2 c o s θ i - n 1 c o s θ r n 2 c o s θ i + n 1 c o s θ rEp,
Tp= 2 n 1 c o s θ i n 2 c o s θ i + n 1 c o s θ rEp。
式中:n为折射系数,透明介质为折射率实部;θr为折射角;θi为入射角;E为s方向或p方向振幅。根据菲涅尔公式,反射光和透射光的偏振度为
Dr= | R s ( θ ) - R p ( θ ) | R s ( θ ) + R p ( θ ),
Dt= | T s ( θ ) - T p ( θ ) | T s ( θ ) + T p ( θ )。
菲涅尔公式解释了反射光或折射光与入射光之间的强度及相位关系,为偏振光理论奠定了理论基础。
1850年,Maxwell提出电磁波理论并由Hertz通过实验加以验证,真正奠定了偏振光实验的基础,开启了偏振光研究的时代。1852年,Stokes发现任意状态的偏振光可用4个可测变量表示,并将这4个变量定义为斯托克斯矢量。这进一步丰富了偏振理论,推动了后续偏振理论与建模的发展。

1.1.2 粗糙表面的反射偏振建模:从BRDF到pBRDF的发展

双向反射分布函数(bidirectional reflectance distribution function,BRDF)模型将物体表面视为由无数微面元组成,并假设每个微面元遵循镜面反射规律。该模型描述了物体表面反射光在整个半球空间的分布特性,能够较好地将表面反射和散射统一到单一概念中。
BRDF函数由材料表面粗糙度、材料介电常数、入射光波长以及入射方向与法线的夹角等因素决定,量化了不同入射方向与观测方向下的辐射传输特性。偏振双向反射分布函数(polarized bidirectional reflectance distribution function,pBRDF)在BRDF 的基础上发展而来,是标量形式BRDF的一般矢量化,表征了目标表面偏振光的传输关系。根据微面元理论,每个微面元的反射均满足菲涅耳反射公式,包含镜面反射和漫反射分量,且假设漫反射分量经过多次反射后不再具有偏振特性。利用琼斯矩阵变换可获得 pBRDF 的穆勒矩阵形式,从而将入射光与反射光的偏振态斯托克斯矢量对应联系起来,反映了目标表面的全偏振反射特性(如图2所示)。通过 pBRDF 建模,可完整描述不同目标的反射偏振特性。
图2 从BRDF到pBRDF的表面光学反射建模

Fig.2 Surface optical reflection modeling from BRDF to pBRDF

反射偏振建模的研究早在20世纪中期便已开展。1967年,Torrance等[2]提出了基于微面元理论的分析模型,即 Torrance-Sparrow 模型(T-S 模型)。T-S 模型考虑了相邻微面元间的阴影与遮蔽效应,并利用几何关系推导出双向反射比角分布关系,成功解释并预测了非镜面峰值现象。1982年,Cook等[3]提出了一种更为通用的表面反射模型,优化了菲涅尔公式,并预测了反射分量随波长变化的偏移量。其发展的物理光学 BRDF 模型和 BRDF 经验模型,可用于红外辐射计算,但不能用于解释偏振效应。Alexander[4]进一步拓展了BRDF模型,将光强、辐照度和辐射功率重新定义为矢量形式,并以矩阵形式定义BRDF及反射过程,探讨了BRDF与偏振表达式之间的联系,提出了建立全偏振形式BRDF模型的构想。但该模型为理想模型,并未引入表面粗糙度等条件对偏振的影响。Priest等[5]将T-S模型与穆勒矩阵相结合,实现了T-S 模型偏振化。其利用微面元理论,假设微面元二维表面服从高斯分布,建立了入射方向、反射方向、微面元反射方向、宏观表面法线方向矢量表达式并求解其相互关系,通过计算获取表征入射光和反射偏振光关系的琼斯矩阵及穆勒矩阵元素表达式。这一模型后被称为Priest-Germer pBRDE模型(P-G模型)。2002年,Priest等[6]对红外光谱中高吸收、高反射粗糙表面的偏振散射特性进行了实验研究。其结果表明,高吸收粗糙表面的偏振度大于高反射粗糙表面的偏振度,并在此基础上提出了偏振microfacet模型。
2003年,约翰斯霍普金斯大学的Duncan等[7]提出了新的pBRDF分析模型。该模型结合了表面折射率、粗糙度概率和波长等因素的相关性,成功计算了粗糙表面散射光的偏振态差异,并能预测随光波长变化的辐射偏振态及发射率。然而,该模型仅适用于正交方向分量,且无法应用于极端情况下的朗伯辐射行为。Hyde等[8]提出了基于几何光学的pBRDF模型,进一步拓展了P-G模型。区别于已有的几何光学pBRDF模型,该模型镜面分量模型由面分布函数、偏振散射穆勒矩阵、阴影遮蔽函数组成,使得掠射情况下pBRDF模型具有有界性。其次,利用方向半球反射率(directional-hemisphere reflectance,DHR)和能量守恒定律推导出漫反射分量,拓展了pBRDF对具有多次反射去偏特点的粗糙反射表面的建模。这是当前较完善的pBRDE模型。
国内众多科研机构和高校在模型构建方面开展了大量研究。2009年,中国科学院环境光学重点实验室在5参量模型的基础上,提出了一种适用范围更广的多参量pBRDF半经验模型,并通过遗传算法对模型参数进行拟合,模型计算结果与实验测量结果均吻合较好[9]。曹慧等[10]基于一阶矢量扰动理论,构建了粗糙基底多涂层pBRDF模型,用于研究单层及多层反射涂层的光散射偏振特性,该模型可以模拟多层且高反射涂层的光散射偏振特性,适用于多涂层目标及伪装目标探测场景。杨敏等[11-12]综合考虑镜面反射、体散射和后向散射,成功建立了6参量的pBRDF,该模型利用Kubelka-Munk理论模拟体散射分量,并引入呈高斯分布的后向散射分量,进一步改进了pBRDF模型,使其更符合地物背景的偏振反射特性。
当前理论虽然能够对理想光滑表面的反射偏振进行全面理论表征[13],但在实际探测应用场景的建模中,对于表面粗糙度分布、微细结构引起的遮蔽与阴影效应等影响,仍缺乏有效的描述,仅能依赖经验公式进行近似处理。因此,现有偏振模型多为半经验半理论模型。此外,多参量模型需要结合目标的实测数据,并借助遗传算法、粒子群算法来拟合相应模型参数,存在数据先验要求。目前,完全不依赖数据先验的全理论模型仍处于空白阶段,亟待进一步研究。

1.1.3 红外偏振现象的发现与建模

早在19世纪,Arago便发现炽热的固体和液体具有强烈的偏振现象。1895年,Millikan[14]开展了包含铀玻璃等多种材料的折射和偏振测量实验,第一次发现并测量了自发辐射的偏振度,进一步推动了红外偏振发展。直至20世纪90年代,红外偏振理论才得到广泛的关注与发展。
Resnick等[15]提出了热平衡和局部热平衡的假设,并基于斯托克斯矢量提出了材料表面发射率的矢量形式,为发射斯托克斯矢量和发射偏振建模奠定了基础。Lagaras[16]建立了红外偏振滤波的最大探测与识别距离模型,其结果表明利用偏振滤波可以获得更高的表征温差,可以提高最大探测与识别距离。陈伟力等[17]基于偏振微面元理论的散射函数模型,推导出红外偏振辐射传输方程的斯托克斯表达式。汤倩[18]引入微面元理论对红外偏振模型进行改进,通过计算定向半球空间反射率获取定向发射率矩阵,从而实现红外辐射偏振度的计算。章延隽等[19]基于偏振分解理论对pBRDF穆勒矩阵进行分解变换,推导出表征粗糙表面二向色性、相位延迟和退偏等特性的矩阵。张正林[20]提出了一种多模型组合方法,利用Beckmann分布和指数分布两种概率密度函数对红外偏振模型进行修正。研究发现,红外辐射偏振度随出射天顶角的变化在一定范围内先增大后减小,并且当出射天顶角超过一定阈值时,需采用Beard-Maxwell模型(B-M模型)进行修正。Liu等[21]基于 Resnick 发射率矢量的概念首次提出了发射入射比的概念,建立了环境温差影响下的表面红外偏振度计算模型,并在镜面条件下进行了验证。该模型对自然地物红外低偏振度做出了解释,并成功预测高温物体红外偏振增强规律。Shi等[22]考虑了阴影遮蔽效应,建立了包含阴影函数影响因子的粗糙表面红外偏振度分析模型,定量分析了入射角、表面粗糙度等因素对金属红外偏振特性的影响。研究发现,红外辐射偏振度随表面粗糙度的增加而降低;在相同粗糙度和温度条件下,金属表面的红外辐射偏振度大于非金属表面的红外偏振度。
回顾偏振理论的发展历程,该理论最初源于对可见光偏振现象的研究,随后扩展至红外光偏振领域,研究对象也从早期的光滑表面逐步深入到复杂的粗糙表面。随着红外偏振成像技术的发展与应用,对物体红外偏振特性的研究及其模型构建不断深入。在针对红外目标的研究中,创新性地引入了环境辐射因素,构建了更贴近真实场景的混合模型。然而,偏振特性的物理机理尚未完全掌握,特别是在高温偏振现象方面,其背后的微观物理机制尚待深入揭示,仍缺乏物质热辐射偏振理论的支撑。

1.2 不同目标的偏振特性

早在 1963 年,Feldman等[23]观察到钽和钨金属材料在温度859 ℃、波长590 nm条件下偏振度随出射角增大而提高的现象。Vincent[24]研究了石英和方解石的发射偏振规律,发现发射偏振度依赖于波长。Jordan等[25]测量了玻璃和铝的表面粗糙度,分析了其在10.6 μm处的发射偏振度,发现表面的法线朝向是发射偏振的决定因素,粗糙度影响次之。Rogne等[26]开展多个时间下空中飞机、地面车辆目标长波偏振观测实验,实验表明偏振特征依赖于目标和背景之间的温度差,天空多云会降低目标偏振特征。
1993年,Ben-Dor等[27]总结了4年来长波红外偏振观测的实验结果,发现草地、谷物、树林、灌木等偏振度小于0.5%;沙地、岩石、裸地偏振度介于0.5%和1.5%之间;海面、公路、屋顶等具有强偏振度,大于1.5%。Cooper等[28]指出波长在8~12 μm波段、海面在布鲁斯特角表现出强烈的垂直偏振特征,而反射偏振在3~5 μm波段表现出强烈的水平偏振特征。
Pesses等[29]基于三维偏振特性仿真模型 PolarHeat 开展了空间卫星长波红外偏振成像效果的仿真研究,并利用 PolarHeat 模拟弹道导弹的偏振特征。研究发现,再入飞行器的线偏振度值是铝涂层的气球诱饵的2~4倍,这表明偏振成像有助于识别真假弹头目标。Erbach等[30]利用偏振热像对高温铁质导弹弹头开展偏振实验,认为红外偏振成像具有区分导弹实体(hardbody)和尾焰(plume)的能力,当场景中尾焰主要是红外特征时很难区分尾焰和实体,偏振成像可以区分无偏振的尾流而提取出实体,从而增强目标背景反差,如图3所示。
图3 高温铁质弹头图像

注:网络版为彩图。

Fig.3 High temperature iron bullet images

马利祥等[31]对不同材料、不同粗糙度的样板在不同观测角度下进行偏振成像试验,结果表明:表面越光滑,偏振特性越明显;观测角度增加,偏振特性也越明显。王晓娟等[32]对特定场景的偏振实验表明:长波易受水汽干扰,中波偏振成像抗干扰能力强,应用中需选择合适波段。王霞等[33]针对天空飞机、海面船只、草地车辆目标,红外偏振成像系统实验表明:在一定条件下长波红外偏振成像具有更高的图像对比度,可以突出目标细节;长波红外偏振度和偏振角图像可以抑制杂波干扰,有助于目标探测。
近5年来,中国科学院沈阳自动化研究所红外偏振课题组在目标红外偏振特性研究中发现,固体材料的偏振度随温度升高而增强。基于此现象,该课题组开展了目标偏振探测的应用研究。实验结果如图4和表1所示,表明陶瓷、金属等材料在高温条件下具有较高的偏振度,在高温目标探测方面具有应用价值。
图4 铝镁合金锥头强度图(a~c)、偏振图(d~f)

Fig.4 Aluminum magnesium alloy cone strength diagram (a~c), polarization diagram (d~f)

表1 不同温度范围下材料样件的偏振度范围

Tab.1 Polarization degree range of material samples under different temperature ranges

材质 温度范围/℃ 偏振度范围
酚醛树脂 20~500 0~0.40
陶瓷基复材 20~400 0~0.25
钛合金 20~600 0~0.62
合金钢 20~700 0~0.46
随着科学技术的不断发展,对偏振特性的研究已逐步从金属、矿物等基础材料扩展到车辆、飞机、舰船等复杂目标,并揭示了目标偏振特性与辐射波段、材料特性、表面粗糙度、观测角度及环境因素之间的紧密关系。国内外研究表明,红外偏振成像探测技术能够显著提升目标的信杂比,增强目标探测与识别能力,尤其在高温或伪装目标的识别任务中表现优异。这一技术的优越性为战场军事目标探测提供了新的技术途径,并推动了军事技术的发展。

2 偏振成像探测技术的应用

2.1 偏振成像探测器

当前,红外偏振成像探测技术已引起各军事强国的广泛关注。各国投入大量资源研发相关设备,以期在军事侦察和目标识别领域占据技术优势。
美国Polaris Sensor公司研制了中波分孔径红外偏振成像系统,该系统将部分光路置于制冷环境中,以确保4通道图像的对准误差严格控制在1/2像素以内,从而实现对地物场景的高清晰成像。美国空军夜视实验室成功搭建了中波红外偏振仪,其工作波段为 3.6~4.1 μm,图像分辨率为256×256,具有良好的等效线偏振度参数。这表明该系统在测量微弱偏振信号方面具有极高的灵敏度和精度,对于提升军事侦察的隐蔽性和准确性具有重要意义。
Hubbs等[34]针对DRS公司的冷长波红外成像探测器,开展了微偏振片阵列的辐射和偏振特性测量。该研究全面评估了阵列的辐射特性及焦平面的剪片性能,为优化微偏振片阵列设计提供了数据支持。Kemme等[35]总结了2~5 μm波段红外微偏振片阵列的研制情况。其结果显示,美国已掌握设计、制造线栅偏振片阵列和亚波长消色差波盘的核心技术,且满足消光比、透过率、延迟率等技术要求,标志着美国在红外偏振成像技术领域的显著进步。美国红石兵工厂、陆军研究发展工程中心下属精确武器实验室及洛马公司先进技术中心等多个军事科研机构开展了分孔径型偏振成像探测设备的武器效能实验[36],验证了该类设备在实战环境中的有效性与可靠性。瑞典IRNova公司成功研制了基于量子阱红外光电探测器(quantum well infrared photodetector,QWIP)的长波红外偏振探测机芯。该机芯将传统QWIP探测器中用于耦合光辐射的二维光栅替换为一维层状光栅,从而实现对红外辐射的偏振探测。当前,该技术在简易爆炸装置(improvised explosive device,IED)探测、人脸识别、无人机探测等领域展现出巨大应用价值。
美国雷神公司进行了技术革新,成功研制了基于长波红外(long-wave infrared,LWIR)HgCdTe材质和中波红外(mid-wave infrared,MWIR)InSb材质的微偏振阵列,并将其应用于红外偏振探测系统。该系统在满足实时偏振探测要求的同时,将偏振光栅的消光比成功提高至100,显著提升了红外偏振探测的精度与效率[37]。美国亚利桑那大学联合多个高等教育机构开展了新型偏振成像探测机理研究,即基于宽带偏振光栅的白光通道型偏振成像技术。该技术能够有效获取斯托克斯参数,从而提高图像质量。同年,美国圣地亚哥国家实验室与亚利桑那大学联合研制了多光谱红外偏振成像仪,该仪器属于斯托克斯偏振成像仪,工作范围覆盖短波红外到中波红外波段,并精细划分出1.51、2.32、3.51、4.17 μm 4个光谱分段。NASA、Moxtek公司、亚利桑那大学、科罗拉多矿业大学、华盛顿大学圣路易斯分校等合作研究了圆偏振光微偏振阵列,分析了微型偏振阵列工作机理、优化设计及像元配准等技术难点。科罗拉多矿业大学与ITN Energy Systems科学团队[38]合作研制了新型圆偏振光滤光片,该滤光片可同时获得圆偏振光和线偏振光,用于增强偏振探测的“穿云透雾”和“识别伪装”能力。基于该滤光片的宽波段全偏振实时成像技术具有重要的军事应用潜力。美国4D公司成功制备了4方向微偏振阵列组件,并在此基础上成功研制出商业化偏振相机。该相机的工作波段涵盖可见光和近红外,范围为0.3~3 μm。该相机技术为低成本红外偏振成像系统研发起到指导作用。
美国Polaris Sensor技术公司在过去10年间与美国陆军和海军多次合作,致力于开发低成本、多光谱覆盖的红外偏振相机,包括:近红外(near infrared,NIR)、短波红外(short-wave infrared,SWIR)、中波红外和长波红外,以满足不同场景下的安全防护需求。其研发的双色红外偏振热像仪融合了 MWIR(3.7~5.1 μm)和 LWIR(7.5~10.4 μm)两个波段,并设计了偏振成像与热成像两种模式的切换功能。在偏振模式下,通过旋转偏振片捕获偏振图像;当偏振片从光路中移除时,可切换至红外成像模式。此外,Polaris Sensor公司成功研制了基于线偏振片旋转的NIR和LWIR偏振相机Corvus与基于偏振分束器(分振幅型)的 LWIR偏振相机 UrsaMinor。其中,UrsaMinor 重量仅为1.1 kg,其轻量化设计使其成为提升单兵夜视能力的优选装备,展现了其在军事应用领域的广泛应用潜力。
在国内,中国科学院沈阳自动化研究所自2015年起,经过5年攻关,成功解决了红外偏振片阵列制备、封装及成像处理等一系列技术难题[39-40],研制出制冷型中波、长波红外偏振成像探测系统。该系统的消光比达到20,并进行了对空目标探测性能验证,如图5所示。
图5 中国科学院沈阳自动化研究所研制的红外微阵列成像系统及对空目标探测实验图

Fig.5 Infrared microarray imaging system developed by Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences and experimental map of air target detection

近年来,中国科学院沈阳自动化研究所进一步深化研究红外偏振成像技术及其应用,并于2023年成功研制出分孔径红外偏振成像样机,如图6所示。经第三方测试,整机消光比达到73。此外,研究团队还开展了外场飞行目标(天空为背景、飞机为目标)成像实验,其成像效果如图7所示。
图6 中国科学院沈阳自动化研究所研制的分孔径偏振成像系统及其四通道成像图

Fig.6 The sub aperture polarization imaging system and its four channel imaging map developed by Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences

图7 图6所示设备的外场实验图像

Fig.7 Field experiment image of the equipment shown in figure 6

此外,国内华北光电技术研究所[41-42]、北京理工大学[43]、大连理工大学[44]、南京理工大学[45]、华中科技大学[46]等机构均开展了偏振探测器及成像方面的研究,并取得一定研究成果。
偏振成像技术系统经历了从可见光和近红外到红外波段、从分时成像系统到实时成像系统的发展阶段。经过十多年的发展,红外偏振成像已推出多种试验用红外偏振成像样机,并从最初的分时旋转偏振片系统发展为实时偏振成像系统。分时红外成像系统具备较高的检偏性能,成像质量优异,但不适用于高速运动平台。实时偏振成像系统适用范围广,但仍面临两大问题:首先,实时系统的红外检偏性能普遍较低,尤其在探测低偏振度的地物背景红外目标时表现不足。仅在大掠角下大面积地物(如水面、公路等)具有明显的偏振特征,而小目标通常被背景杂波掩盖。其次,加入检偏元件后,系统的探测距离显著下降,对远距离目标的偏振探测能力不足,仅在近距离条件下可以获取一定的偏振特征。针对以上问题,实时系统仍需进一步改进。

2.2 偏振成像探测应用

自2000年以来,国内外多家研究机构开展了红外偏振技术的应用研究,探索其在军事领域的拓展。英国国防科学技术实验室的Playle等[47]开展了红外偏振地雷探测研究,其实验结果如图8所示。红外偏振成像技术在地面遮掩了人造目标检测方面明显优于传统红外成像技术,显著提高地雷的探测识别率。
图8 英国国防科技实验室红外偏振成像扫雷实验

Fig.8 Infrared polarization imaging minesweeper experiment at the UK Defense Technology Laboratory

荷兰国家应用科学研究院物理学与电子学实验室的研究人员[48-49]建立了红外发射偏振模型,用于预测光源照射下地雷的偏振特性;同时开展了地雷目标中波和长波探测实验验证(如图9所示)。与实验数据对比发现,所构建模型可有效预测地雷目标辐射,说明相较于可见光成像,红外偏振成像可以有效规避遮挡物噪声干扰,极大提高目标背景对比度,即使处于不利天气、光照条件下,红外偏振技术仍可有效探测地表埋藏地雷目标。
图9 杂草干扰下地雷的红外成像与红外偏振成像

Fig.9 Infrared imaging and infrared polarization imaging of landmines under weed interference

瑞典国防研究局的Forssell等[50]开展了关于伪装物体长波红外偏振成像的采集实验,实验观测场景涵盖车辆、路面、植被、迷彩网、镜面目标等多种典型目标,旨在模拟复杂战场环境。设定观测角度66°进行一系列红外图像、红外偏振图像采集,如图10所示。实验结果显示,伪装技术可以一定程度上改变目标辐射特性从而有效规避了传统红外探测手段,但却难以消除目标伪装网间的偏振差异,在多层伪装的条件下,目标仍具备可探测性。相较于传统的红外探测,红外偏振探测的Q因子计算结果(偏振图像与非偏振图像对比差异描述量)提高约25倍,展现出更高的军事侦察潜力。
图10 复杂环境下红外成像探测与红外偏振成像探测对比

Fig.10 Comparison of infrared imaging detection and infrared polarization imaging detection in complex environments

以色列学者Aron等[51]在传统红外探测的基础上引入偏振特性,并对视频流进行傅里叶变换处理,以改进杂乱背景下目标的可检测性,其定义的信杂比(signal-to-clutter ratio,SCR)衡量目标与背景的信号之比。实验图像如图11所示,红外图像SCR值为8.5,而红外偏振图像SCR值达到30,说明利用偏振特性可以提高目标在复杂背景下的可检测性,从而有效地提升目标捕获的概率。
图11 车辆目标的红外图像与红外偏振成像对比

Fig.11 Comparison of infrared images and infrared polarization imaging for vehicle target detection

Scott等[52]给出了复杂丛林背景中隐藏卡车的长波红外偏振成像探测对比案例,如图12所示。在目标与背景辐射强度相较近,或者目标半遮挡/遮挡时,由于受背景的影响可见光探测与红外探测技术难以分辨出目标卡车,而偏振成像可以清晰地将目标车辆从丛林背景中凸显出来,有效识别阴影中的车辆目标。
图12 美国陆军研究实验室丛林中装甲车红外偏振成像探测实验

注:网络版为彩图。

Fig.12 Infrared polarization imaging detection experiment of armored vehicles in the jungle at the US Army Research Laboratory

美国国防部联合多个单位在红石工兵场开展了长波红外偏振特性联合实验[53]。实验观测目标包括但不限于植被、布匹材料、自然衍生物、人造板材及代表性的俄式运兵车,旨在全面评估不同材质在红外偏振下的表现差异,为红外偏振探测提供指导性意见。实验设定观测距离为 0.2 ~ 1.3 km,在晴朗天气、32% 湿度的环境下进行,观测结果如图 13所示。场景A包含人造编织聚合物、帆布、木板,并在木板上放置了不同的金属和电介质板,以模拟军事驻扎环境。其中,图13a为目标的可见光图像,图13b为红外偏振探测图像。场景B为军用车辆,部分被植被遮挡,以模拟军事车辆的色彩伪装情形。对比可知,红外偏振探测成像能够清晰地展示人造材料与自然背景的偏振特性差异,有效凸显人造目标轮廓,即便在遮挡干扰情况下也能实现有效探测和识别。
图13 红石工兵厂红外偏振实验

注:网络版为彩图。

Fig.13 Polarization experiment at redstone engineering field

2010年,美国武器研究、开发和工程中心的Woolley等[54]在新泽西州皮卡廷尼兵工厂开展了长达7个月的中波、长波红外偏振图像采集实验。以3个不同方向角的俄罗斯2S3榴弹炮为观测目标,在高度126 m、水平距离1 280 m位置进行不间断偏振特性测量。其结果表明:在晴朗等较为理想的天气条件下,无论是传统的强度图像还是先进的偏振图像,都能有效识别并区分目标。然而,在更为复杂的少雾、多云、雨雾和雨云环境下,偏振图像的优势开始显现。相比于强度图像,偏振辐射能够更有效地穿透云层遮挡,减少大气散射对成像质量的影响,从而更清晰地勾勒出目标的轮廓和细节,提高目标探测和识别的可能性。但是,当雨雾或云雨天气过于恶劣,辐射衰减过大时,偏振图像同样难以实现目标的探测和识别,这是红外偏振技术在实际应用中不可忽视的挑战。
Ratliff等[55]开展了对空目标偏振成像实验,在不同背景条件下(树林、天空以及树木/天空过渡区域)对2种遥控飞机模型进行长波红外成像实验,并以此探究偏振信息对不同背景杂波下目标检测、跟踪实施的实用性。实验结果如图14所示,展示飞行模型的红外强度图像、偏振度图像及目标真实掩膜图像。在红外强度图像中,由于燃气发动机是主要的热辐射源,其对应区域呈现出明显的对比特征。然而,这一特征仅限于发动机热源区域,背景杂波的存在导致目标轮廓难以清晰辨识。在偏振图像中,发动机热点仍然是最主要的特征,但在大多数情况下,机翼、机尾和机身均可辨识。此外,与红外成像相比,长波红外偏振成像的信杂比提升了 3.4~35.6倍,表明长波红外偏振成像能够有效抑制杂波,提高目标探测率。
图14 低空小型无人机长波红外偏振成像探测实验

Fig.14 Low altitude small unmanned aerial vehicle long wave infrared polarization imaging detection experiment

郭泽成等[56]研究了伪装涂料在8~14 μm波段内的热红外偏振特性,对比了伪装涂料在2种探测方式下所反映的光谱响应特性,结果表明利用热红外偏振成像技术,能够有效削弱伪装涂料在红外光谱区域内的隐蔽性能,提升对经伪装涂料处理过的金属目标板的识别能力。娄和利等[57]计算并分析了地面建筑物与背景的图像对比度,在低对比度环境下,红外偏振成像可有效提升目标的探测性能。王晓娟等[32]搭建了中波与长波红外偏振成像系统,对楼房建筑物进行了成像对比实验。实验结果表明,长波红外偏振成像易受大气中水汽等因素的干扰,而中波红外偏振成像则具有较强的抗干扰能力。王霞等[33]利用4通道分时长波红外偏振成像系统对天空飞机、海面船只、草地车辆等目标开展偏振成像实验研究,全面评估了该技术在这些复杂背景下的表现。实验结果显示,红外偏振成像可以抑制背景杂波的起伏,且偏振角图像抑制作用更明显;偏振信息的引入提高了图像对比度、突出了目标细节,尤其在远距离高温目标成像方面具有较大的优势。倪歆玥等[58]对海雾对红外辐射散射、吸收导致传统强度探测方法性能显著下降问题展开研究,提出了一种基于海面偏振特征的舰船目标探测方法。该方法根据偏振光在介质中传播时保持特定偏振状态的特点,通过检测海面及舰船目标的偏振信息差异进行目标探测识别,并进行了相关仿真实验验证。通过模拟不同探测条件(温差、探测角度)进行目标探测发现,在温差2.5℃、探测角度5°、中长波波段下,偏振探测图像的对比度相较于红外图像分别提高了10倍和3.7倍。为进一步验证实际效果,使用高消光比长波偏振探测组件,在薄雾等恶劣天气条件下对海面舰船目标进行了实地成像实验,成像结果如图15所示,偏振成像技术可清晰勾勒出舰船目标的轮廓。同时该实验中信杂比提升至红外成像的120倍,极大地解决了海面背景下热交叉目标难以区分的难题,显著提升了目标探测与识别的准确性和可靠性。
图15 水面舰船目标红外成像与红外偏振成像对比

Fig.15 Comparison of infrared imaging and infrared polarization imaging of surface ship targets

为探索红外偏振探测在复杂战场环境中的防伪装、抗烟雾干扰效果,中国科学院沈阳自动化研究所红外偏振课题组开展了自然伪装干扰及烟雾干扰环境下目标探测实验,初步验证了红外偏振成像技术的抗干扰探测能力。图16a~16b展示了自然伪装实验结果。在复杂自然伪装条件下(特征表现为散射面广泛分布、伪装层厚度显著增加),红外偏振探测技术显著提升了目标与背景的对比度,从而有效增强了目标的可识别性。图16c~16d展示了红外偏振探测在烟雾环境中识别低辐射目标的能力,该技术能够显著提升成像中目标与背景的对比度。为了更全面地评估烟雾厚度对红外偏振成像探测的影响,研究团队进行了不同烟雾浓度条件下的目标探测实验,如图17所示。随着烟雾浓度的逐渐升高,透过烟雾的目标红外辐射逐渐减弱。当烟雾达到一定厚度后,目标辐射无法穿透介质,导致红外偏振探测技术无法探测目标。这表明,偏振探测只有在能够有效获取目标辐射强度的基础上,才能提取可靠的偏振信息。
图16 中国科学院沈阳自动化研究所进行的自然伪装干扰及烟幕干扰目标探测实验

Fig.16 Natural camouflage jamming and smoke jamming target detection experiment of Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences

图17 不同烟雾等级下的红外偏振探测实验

Fig.17 Infrared polarization detection experiment under different smoke levels

3 展望与总结

3.1 展望

当前,偏振探测技术已从常规目标探测逐步拓展至复杂战场的极端条件和红外干扰环境下的目标探测。各国均将提升复杂战场目标的探测与识别能力作为红外偏振成像探测技术研究的主要方向,重点提升该技术的背景抑制与目标凸显能力、穿云透雾与抗遮蔽干扰能力,以及反伪装能力。未来,红外偏振成像探测技术需要在以下几个方面进行努力。
目标表面的偏振理论仍需进一步深化。围绕观测角度、表面粗糙度、材质和传输环境等因素开展的红外偏振特性研究,大多仅给出定性结论,所建立的模型多为半理论半经验模型。因此,仍需进一步定量分析各因素对目标偏振特性的影响,完善红外起偏理论和偏振模型,丰富红外偏振特性数据库,为偏振探测奠定理论基础并提供特性数据支撑。
红外偏振成像精度需要进一步提高[59-62]。红外偏振成像系统包含分时型、分振幅型、分孔径型、分焦平面型,其中实时偏振成像技术以分孔径型和分焦平面型研究较多,但仍存在一些问题。分孔径型成像系统受光路影响成像存在配准偏差,而配准误差限制偏振信息的有效提取,需进一步创新偏振光学设计和图像配准方法,降低配准误差以提高偏振成像质量。分焦平面型探测器制备难度大且成像存在伪偏振问题;受像元间串扰影响,检偏性能下降且图像清晰度较差。需从阵列-焦面一体化设计入手,进一步优化微偏振片阵列设计、加工制造,减少串扰,提高系统消光比;进一步开发图像处理方法,削弱结构性伪偏振影响,提升图像质量。
偏振图像后处理技术仍需不断创新[63-66]。应积极探索图像超分辨率重建、图像融合、图像增强等技术,以期提高图像质量、增添多维度成像信息。利用偏振成像包含多维信息的优势,探索发展三维重建技术,进一步提高图像表现力、可理解性,丰富探索目标细节信息,推动目标探测技术的进一步发展。

3.2 总结

本文首先回顾了偏振理论的历史演进,从菲涅尔对偏振现象的解释出发,解析了透明介质光滑表面反射光和透射光的偏振特性。随后,系统回顾了粗糙表面反射偏振的建模过程,随着偏振信息的融入,使BRDF模型演变至pBRDF模型,描述了目标表面入射光与反射光的偏振转换机制。此外,本文简要概括了红外偏振现象的发现历程及发射率建模等关键研究,这些研究为红外偏振成像技术的理论框架奠定了坚实基础,并为后续探测应用的发展提供了有力支撑。
本文简要总结了不同目标的偏振特性研究成果。人造目标比自然景物偏振性强,高温目标偏振性比常温强,这一特点为红外偏振成像探测应用提供了目标特性依据。同时,大量研究结果表明,目标的偏振特性受多种因素影响,包括材料、表面粗糙度、观测角度、探测波段、温度以及所处环境等。这些因素不仅赋予红外偏振成像探测技术在极端环境下目标识别及真假目标辨别方面的独特优势,同时也为偏振成像探测的应用条件带来诸多限制。因此,需要结合具体环境下目标的偏振特性,以充分发挥偏振探测技术的效能。
在探测任务需求的推动下,红外偏振探测器技术取得了显著进展。本文介绍了美国等国家在红外偏振成像技术领域的研究进展,同时概述了我国在红外偏振探测器技术方面的最新进展。整体来看,偏振成像技术正朝着多波段、轻量化和高检偏能力的方向稳步发展。
本文概述了红外偏振成像技术在军事目标探测中的实际应用,并通过具体案例展现其在复杂环境下的目标探测优势。相比于传统红外成像探测技术,红外偏振探测能够获取目标的强度、偏振等多维度特征信息,有效增强目标特征、抑制背景干扰,提高目标与背景的信杂比,从而提升目标探测能力。
综上所述,红外偏振成像技术在现代军事领域展现出广阔的应用前景,其独特的性能优势为解决复杂战场环境下的目标探测难题提供了新视角和新方案。展望未来,随着技术的不断进步与应用的持续深化,红外偏振成像技术有望在提升军事装备性能、强化战场信息获取能力等方面发挥更大作用。

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