曹昭斌,黃雁華,楊云濤,龔艷春,史冬冬,楊 軍,武文遠(yuǎn)

(陸軍工程大學(xué),江蘇 南京 211101)

1 引 言

當(dāng)前,隨著偽裝、隱身材料及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,人們可將材料涂敷在人造金屬目標(biāo)表面上實(shí)現(xiàn)偽裝,這使得傳統(tǒng)的目標(biāo)檢測(cè)方式難以實(shí)現(xiàn)對(duì)偽裝目標(biāo)或隱身目標(biāo)的精準(zhǔn)識(shí)別。在復(fù)雜環(huán)境背景下,盡管涂有偽裝涂層的人造目標(biāo)可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度特性或光譜特性的偽裝,但是其偏振特性并不能實(shí)現(xiàn)很好地“偽裝”。人們可以運(yùn)用新型的目標(biāo)檢測(cè)手段——偏振技術(shù),通過(guò)分析電磁波振動(dòng)狀態(tài)的變化從而獲取物質(zhì)的組成、類(lèi)別及性質(zhì)等重要信息,這些信息在偽裝目標(biāo)檢測(cè)方面發(fā)揮著重要作用[1-2]。偏振探測(cè)技術(shù)是通過(guò)采集目標(biāo)的偏振參量實(shí)現(xiàn)精確地探測(cè)[3-5],例如偏振度、線(xiàn)偏振度、偏振角等,它不僅可以高效地提高探測(cè)的精準(zhǔn)度,而且相較于傳統(tǒng)的探測(cè)方式能夠使“強(qiáng)光弱化”,“弱光強(qiáng)化”,可以有效地提高目標(biāo)與背景之間的對(duì)比度,在目標(biāo)檢測(cè)方面具有更好的效果[6]。

粗糙涂層本身的理化特性(如折射率、含水量、表面粗糙度、涂層厚度、涂層層數(shù)、消光比等)、入射角、探測(cè)角、方位角及光的性質(zhì)等因素決定了光與其作用后的偏振特性[7-9]。我們通過(guò)探究不同因素對(duì)偏振特性的影響,可以篩選最優(yōu)條件下的偏振參量,利用偏振信息可以有效地識(shí)別不同的偽裝目標(biāo)。2009年張朝陽(yáng)等人研究了入射角、觀測(cè)方位角對(duì)偽裝涂層材料偏振散射特征的影響,有效地識(shí)別草地背景中的偽裝目標(biāo)[10]。2013年曹慧等人研究了多因素影響下兩種典型涂層目標(biāo)在微粗糙基底上的光散射偏振特性,分析了波長(zhǎng)、入射角、探測(cè)角及涂層特性對(duì)偏振度的影響,表明光學(xué)厚度為λ/4的涂層目標(biāo)偏振度最大[11]。2016年蘇志強(qiáng)等人在考慮表面粗糙度的條件下,研究了石英玻璃和綠漆涂層的偏振度與探測(cè)天頂角間的關(guān)系[12]。2020年柳祎等研究了表面粗糙度和入射角對(duì)金屬和非金屬目標(biāo)紅外輻射偏振度的影響,利用紅外偏振圖像有效分辨了金屬與非金屬目標(biāo)[13]。以上研究雖然探究了目標(biāo)在不同因素下線(xiàn)偏振度的變化規(guī)律,但并未討論S偏振光照射粗糙涂層后反射光的線(xiàn)偏振度峰值變化規(guī)律。

本文利用多角度高光譜偏振反射平臺(tái)測(cè)量了S偏振光照射三種粗糙涂層反射的光強(qiáng)及斯托克斯參數(shù),計(jì)算得到了400～1000 nm范圍內(nèi)涂層表面反射光的線(xiàn)偏振度,從連續(xù)波段中選取555 nm、670 nm及865 nm對(duì)應(yīng)的線(xiàn)偏振度進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析,進(jìn)一步地討論了波長(zhǎng)、入射角及探測(cè)角等因素對(duì)涂層材料線(xiàn)偏振度和線(xiàn)偏振度峰值的影響,并提出了針對(duì)粗糙涂層目標(biāo)的檢測(cè)方法。

2 Stokes矢量表示偏振度

1851年Stokes在其文中引入Stokes矢量[14]S=[I,Q,U,V]T描述光的偏振態(tài),它可以表示包含在部分偏振光中的任意偏振光,在忽略微弱的圓偏振特性下,其各個(gè)參量表示為:

(1)

式中,ax、ay及δ分別表示x、y方向上電場(chǎng)的振幅及兩者的相位差;〈〉表示求某一周期內(nèi)參量的時(shí)間平均值;I表示光的總強(qiáng)度;Q表示水平方向上線(xiàn)偏振光的強(qiáng)度;U表示45°方向上線(xiàn)偏振光的強(qiáng)度。

當(dāng)目標(biāo)反射光束經(jīng)與透光軸成θ的線(xiàn)偏振器后,探測(cè)器接收的光的Stokes參數(shù)變?yōu)?

(2)

分別取偏振片透光軸0°、45°、90°、135°后,只需求得探測(cè)器各個(gè)角度的光強(qiáng),便可求得目標(biāo)表面反射光束的Stokes參量:

(3)

利用所得的Stokes參量即可表示線(xiàn)偏振度(Degree of Linear Polarization,DoLP):

(4)

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)多角度高光譜偏振反射平臺(tái)改變?nèi)肷浼疤綔y(cè)角度,實(shí)現(xiàn)粗糙涂層偏振反射特性的參數(shù)測(cè)定。實(shí)驗(yàn)儀器主要由光源、線(xiàn)偏振片、精密機(jī)械旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、光譜儀及計(jì)算機(jī)五部分組成,其中光源是鹵素?zé)?波段范圍為350～2500 nm；兩個(gè)線(xiàn)偏振片分別安裝在光源及探測(cè)器前,可獲取不同偏振態(tài)的光；利用QE Pro光譜儀(波長(zhǎng)范圍:350～1100 nm；半峰全寬FWDM:0.7～2 nm；信噪比1000∶1)測(cè)得目標(biāo)反射的光強(qiáng)值,實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量原理圖Fig.1 Experimental measurement principle diagram

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為具有同一涂層材料和金屬基底材料的不同粗糙度綠色樣品,涂層材料按照不同粗糙度涂到鐵質(zhì)金屬板表面,分別獲得了G1、G2和G3樣品,每塊樣品大小為150 mm×150 mm,厚度約為20 mm,其中涂層厚度約為40 μm,各樣品的表面粗糙度參數(shù)如表1所示。

表1 涂層樣品的表面粗糙度參數(shù)Tab.1 Surface roughness parameters of coated samples

實(shí)驗(yàn)在暗室室溫25 ℃、相對(duì)濕度30 %、入射方位角φi=180°和探測(cè)方位角φr=0°不變的情況下進(jìn)行,通過(guò)調(diào)整入射光處偏振片透光軸方向使得入射光為S偏振光,其透光軸方向垂直于主平面(圖1的yoz平面)。光源固定在入射角θi轉(zhuǎn)臂上,可手動(dòng)調(diào)節(jié),精度0.5°,并利用步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)探測(cè)器轉(zhuǎn)臂改變探測(cè)角θr的大小實(shí)現(xiàn)多角度測(cè)量,精度0.05°。在確定角度之后,旋轉(zhuǎn)探測(cè)器位置處的線(xiàn)偏振片透光軸方向至0°、45°、90°及135°,并配合光譜儀及計(jì)算機(jī)配置的Oceanview軟件采集各個(gè)偏振方向下的光強(qiáng)信息,運(yùn)用公式(3)可計(jì)算求得S光照射涂層表面后的Stokes參數(shù)I、Q及U,并利用公式(4)求得涂層表面反射光的DoLP信息。

3.2 波長(zhǎng)對(duì)DoLP的影響分析

以S偏振光照射三種涂層,在入射光方位角180°、探測(cè)光方位角0°和鏡面反射(即入射角與探測(cè)角相同)條件下,研究了400～1000 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的DoLP隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系,實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)如圖2所示。

(a)θi=θr=20°

(b)θi=θr=30°

(c)θi=θr=40°

由圖可知:(1)粗糙涂層的DoLP與波長(zhǎng)有較強(qiáng)的依賴(lài)關(guān)系,它隨著波長(zhǎng)的變化先增大后減小再增大,450 nm附近存在極大值點(diǎn),525 nm附近有極小值；之后DoLP隨著波長(zhǎng)先減小后增大再急劇減小,600 nm處存在極小值,670 nm附近有極大值；865 nm后的DoLP不斷減小,幾乎趨近于0。這些規(guī)律表明可見(jiàn)光范圍內(nèi)涂層的線(xiàn)偏振度大于近紅外波段的線(xiàn)偏振度,這是由于S偏振光的反射率與波長(zhǎng)密切相關(guān),不同波長(zhǎng)下樣品表面反射率影響了各個(gè)偏振態(tài)的光強(qiáng)值,繼而改變了線(xiàn)偏振度數(shù)值。(2)相較于波長(zhǎng)的影響,粗糙度并不會(huì)改變線(xiàn)偏振度極值點(diǎn)的位置,它只會(huì)改變線(xiàn)偏振度數(shù)值的大小。其中,G1樣品對(duì)應(yīng)的線(xiàn)偏振度值相較于其他樣品最小,但三者的極小值點(diǎn)均在525 nm附近,其他極值點(diǎn)位置與(1)的描述接近一致。

3.3 入射角對(duì)DoLP的影響分析

從上述連續(xù)譜線(xiàn)中選取了常見(jiàn)的地物檢測(cè)波長(zhǎng)555 nm、670 nm及865 nm進(jìn)行目標(biāo)特性分析,在給定波長(zhǎng)和探測(cè)角的條件下,測(cè)量不同入射角下樣品的DoLP值,DoLP隨入射角的變化關(guān)系如圖3～5所示。

圖3 θr=20°時(shí),不同入射角下的DoLP柱狀圖Fig.3 DoLP histograms at different incident angles when

圖4 θr=30°時(shí),不同入射角下的DoLP柱狀圖Fig.4 DoLP histograms at different incident angles

圖5 θr=40°時(shí),不同入射角下的DoLP柱狀圖Fig.5 DoLP histograms at different incident angles

通過(guò)分析柱狀圖可得:(1)G1樣品:在入射角θi=30°時(shí),555 nm或670 nm(圖(a)和圖(b))處的DoLP數(shù)值有極小值,而865 nm處(圖(c))的DoLP為極大值；(2)G2樣品:555 nm和670 nm(圖(a)和圖(b))波長(zhǎng)下,DoLP在θi=θr=20°時(shí)有最大值,而θr=30°、θr=40°不變時(shí),DoLP值在θi=30°時(shí)有極小值。G2樣品在865 nm處的DoLP均隨著入射角增大而增大；(3)G3樣品:三個(gè)波段下的DoLP值在θi=30°時(shí)均為極大值。(4)555 nm和670 nm處的三種樣品的DoLP數(shù)值均在60 %～85 %范圍內(nèi),而865 nm處的DoLP數(shù)值在5 %以下,表明可見(jiàn)光波段的線(xiàn)偏振度強(qiáng)于近紅外波段。結(jié)合菲涅爾公式可知,同一波長(zhǎng)下的S偏振光在不同入射角下的反射率不同,這一規(guī)律造成同一樣品在相同波段下的線(xiàn)偏振度隨入射角的變化而不同。而且在相同探測(cè)條件下,三種不同粗糙度的涂層材料表面反射光的線(xiàn)偏振度變化有明顯的不同,表明粗糙度會(huì)影響樣品表面反射光的偏振特性。

3.4 探測(cè)角對(duì)DoLP影響分析

在固定其他因素不變情況下,選取三個(gè)入射角度(20°、30°、40°),每間隔10°改變探測(cè)角,分別測(cè)得特定入射角下探測(cè)角在0°～60°范圍內(nèi)的DoLP信息,圖6～8分別對(duì)應(yīng)G1～G3樣品的DoLP曲線(xiàn)圖,(a)、(b)、(c)分別對(duì)應(yīng)三個(gè)入射角度。

圖6 不同探測(cè)角下G1的DoLP變化曲線(xiàn)圖Fig.6 DoLP change curve of G1 under different detection angles

圖7 不同探測(cè)角下G2的DoLP變化曲線(xiàn)圖Fig.7 DoLP change curve of G2 under different detection angles

圖8 不同探測(cè)角下G3的DoLP變化曲線(xiàn)圖Fig.8 DoLP change curve of G3 under different detection angles

分析曲線(xiàn)可知:(1)粗糙涂層的線(xiàn)偏振度與探測(cè)角有密切聯(lián)系,555 nm和670 nm對(duì)應(yīng)曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)一致,即隨著探測(cè)角增大,DoLP數(shù)值先增大后減小且小探測(cè)角處670nm的線(xiàn)偏振度均大于555 nm處的線(xiàn)偏振度,而865 nm的DoLP大體與探測(cè)角正相關(guān),即隨著探測(cè)角增大而增大；(2)555 nm及670 nm時(shí),DoLP峰值大多會(huì)出現(xiàn)在鏡面反射角附近,其中最小粗糙度的G3樣品的現(xiàn)象最為明顯,如圖8所示:θi=20°時(shí),(a)圖DoLP峰值對(duì)應(yīng)的探測(cè)角為20°；θi=30°時(shí),(b)圖峰值DoLP對(duì)應(yīng)的探測(cè)角為30°；θi=40°時(shí),(c)圖DoLP峰值對(duì)應(yīng)的探測(cè)角為40°,表明小粗糙度下,涂層表面反射光的線(xiàn)偏振度在鏡面反射處最大。

3.5 影響DoLP的綜合因素分析

上述討論了單因素條件下涂層DoLP特性的變化規(guī)律,進(jìn)一步地發(fā)現(xiàn),波長(zhǎng)、入射角和探測(cè)角的綜合作用下,DoLP峰值呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律:

(1)555 nm和670 nm波長(zhǎng)下,DoLP峰值位置與入射光角度正相關(guān),即入射角增大時(shí),DoLP峰值位置向大探測(cè)角方向移動(dòng),如圖6～8所示,這一現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于鏡面反射角附近的線(xiàn)偏振度最大,隨著入射角的增大,鏡面反射角同時(shí)變大,DoLP峰值位置向鏡面反射角附近移動(dòng)。

(2)粗糙涂層的線(xiàn)偏振度峰值在特定入射角及波長(zhǎng)下存在極大值,如圖6～8所示,在入射角小于30°時(shí),670 nm峰值的線(xiàn)偏振度大于555 nm峰值的線(xiàn)偏振度,相反入射角大于30°時(shí),670 nm峰值處的線(xiàn)偏振度小于555 nm的線(xiàn)偏振度。其中,圖(a)入射角20°、670 nm的DoLP峰值明顯大于555 nm,圖(b)30°入射時(shí)兩者近似相等,圖(c)40°入射時(shí)670 nm的DoLP峰值小于555 nm。因此選取合適入射角和波長(zhǎng)可獲得較高的線(xiàn)偏振度。

結(jié)合上述規(guī)律,本文提出針對(duì)該粗糙涂層的檢測(cè)方法:在S偏振光的入射角小于30°時(shí),探測(cè)器在鏡面反射角附近選取670 nm波長(zhǎng)進(jìn)行線(xiàn)偏振度檢測(cè),大于30°時(shí)選取555 nm波長(zhǎng)可有效提高檢測(cè)偽裝涂層的精準(zhǔn)度。同時(shí),在確定波長(zhǎng)、入射角及探測(cè)角的最優(yōu)條件后,我們可進(jìn)一步根據(jù)峰值處線(xiàn)偏振度值的大小,區(qū)分涂有同一涂層的粗糙的綠色偽裝目標(biāo)。

4 結(jié) 論

本文對(duì)三種不同粗糙度的綠色涂層材料的線(xiàn)偏振度進(jìn)行測(cè)量,獲得了S偏振光照射粗糙涂層表面后反射光的線(xiàn)偏振度變化規(guī)律,分析了波長(zhǎng)、入射角及探測(cè)角等因素對(duì)線(xiàn)偏振度的影響:

(1)線(xiàn)偏振度與波長(zhǎng)關(guān)系:粗糙涂層在小入射角度下,可見(jiàn)波段的線(xiàn)偏振度明顯大于近紅外波段,這一規(guī)律與涂層自身特性密切相關(guān)；(2)線(xiàn)偏振度與探測(cè)角關(guān)系:555 nm和670 nm處涂層表面反射光的線(xiàn)偏振度隨著探測(cè)角增大先增大后減小,865 nm波長(zhǎng)的線(xiàn)偏振度與探測(cè)角正相關(guān)；(3)線(xiàn)偏振度與粗糙度關(guān)系:粗糙度只會(huì)改變線(xiàn)偏振度數(shù)值大小,而不會(huì)改變線(xiàn)偏振度極值點(diǎn)的位置；(4)線(xiàn)偏振度峰值與影響因素關(guān)系:當(dāng)探測(cè)角位于鏡面反射角附近時(shí),小粗糙度涂層表面的線(xiàn)偏振度出現(xiàn)峰值,其峰值位置與入射角正相關(guān),并且線(xiàn)偏振度峰值大小與波長(zhǎng)密切相關(guān)。

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)論證明線(xiàn)偏振度可以作為檢測(cè)粗糙綠色涂層的指標(biāo),同時(shí)合理地選取波長(zhǎng)及探測(cè)條件可獲取涂層的最大線(xiàn)偏振度,利用峰值處的線(xiàn)偏振度可有效提高檢測(cè)的精準(zhǔn)度,這對(duì)復(fù)雜背景下的偏振檢測(cè)具有重要的應(yīng)用價(jià)值。