在背景與目標(biāo)紅外輻射量差距不大或背景較為復(fù)雜等情況下，傳統(tǒng)紅外成像技術(shù)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)與識(shí)別的難度較大。而紅外偏振探測(cè)在采集目標(biāo)與背景輻射強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，還獲取了多一維度的偏振信息，因此在探測(cè)隱藏、偽裝和暗弱目標(biāo)和復(fù)雜自然環(huán)境中人造目標(biāo)的探測(cè)和識(shí)別等領(lǐng)域，有著傳統(tǒng)紅外探測(cè)不可比擬的優(yōu)勢(shì)。但同時(shí)，偏振裝置的加入也增加了成像系統(tǒng)的復(fù)雜度與制作成本，且對(duì)于遠(yuǎn)距離成像，在紅外成像系統(tǒng)前加入偏振裝置對(duì)成像系統(tǒng)的探測(cè)距離有多大的影響，也有待進(jìn)一步的研究論證。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所、中國(guó)科學(xué)院紅外探測(cè)與成像技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和中國(guó)科學(xué)院大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)在《紅外與毫米波學(xué)報(bào)》期刊上發(fā)表了以“考慮探測(cè)器非理想性的紅外偏振成像系統(tǒng)作用距離分析”為主題的文章。該文章第一作者為譚暢，主要從事紅外偏振成像仿真方面的研究工作；通訊作者為王世勇研究員，主要從事紅外光電系統(tǒng)技術(shù)、紅外圖像信號(hào)處理方面的研究工作。

本文將從分析成像系統(tǒng)最遠(yuǎn)探測(cè)距離的角度出發(fā)，對(duì)成像系統(tǒng)的探測(cè)能力進(jìn)行評(píng)估。綜合考慮影響成像系統(tǒng)探測(cè)能力的各個(gè)因素，參考傳統(tǒng)紅外成像系統(tǒng)作用距離模型，基于系統(tǒng)的偏振探測(cè)能力，建立了紅外偏振成像系統(tǒng)的作用距離模型，討論了偏振裝置非理想性對(duì)系統(tǒng)探測(cè)能力的影響，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了建立模型的可靠性。

紅外成像系統(tǒng)作用距離建模

目前較為公認(rèn)的對(duì)擴(kuò)展源目標(biāo)探測(cè)距離進(jìn)行估算的方法是MRTD法。該方法規(guī)定，對(duì)于空間頻率為f的目標(biāo)，人眼通過(guò)紅外成像系統(tǒng)能夠觀察到該目標(biāo)需要滿足兩個(gè)條件：①目標(biāo)經(jīng)過(guò)大氣衰減到達(dá)紅外成像系統(tǒng)時(shí)，其與背景的實(shí)際表觀溫差應(yīng)大于或等于該頻率下的成像系統(tǒng)最小可分辨溫差MRTD（f）。②目標(biāo)對(duì)系統(tǒng)的張角θT應(yīng)大于或等于相應(yīng)觀察要求所需要的最小視角。

只需明確紅外成像系統(tǒng)的各項(xiàng)基本參數(shù)與觀測(cè)需求，我們就可以計(jì)算出系統(tǒng)的噪聲等效溫差與最小可分辨溫差，進(jìn)而求解出它的最遠(yuǎn)探測(cè)距離。

紅外偏振成像系統(tǒng)作用距離建模

偏振成像根據(jù)成像設(shè)備的結(jié)構(gòu)特性可分為分振幅探測(cè)、分時(shí)探測(cè)、分焦平面探測(cè)和分孔徑探測(cè)。其中分時(shí)探測(cè)具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單容易計(jì)算等優(yōu)點(diǎn)，但只適用于靜態(tài)場(chǎng)景；分振幅探測(cè)可同時(shí)探測(cè)不同偏振方向的輻射，但存在體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，計(jì)算偏振信息對(duì)配準(zhǔn)要求高等問(wèn)題；分孔徑探測(cè)也是同時(shí)探測(cè)的一種方式，且光學(xué)系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定，但會(huì)帶來(lái)空間分辨率降低的問(wèn)題；分焦平面偏振探測(cè)器具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、系統(tǒng)集成度高等優(yōu)勢(shì)，可同時(shí)獲取到不同偏振方向的偏振圖像，是目前偏振成像領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，也是本文的主要研究對(duì)象。圖1為分焦平面探測(cè)系統(tǒng)示意圖。

圖1 分焦平面探測(cè)器系統(tǒng)示意圖

本文仿真的分焦平面偏振探測(cè)器，是在紅外焦平面上集成了一組按一定規(guī)律排列的微偏振片，一個(gè)像元對(duì)應(yīng)著一個(gè)微偏振片，其角度分別為 0°、45°、90°和135°，相鄰的2×2個(gè)微像元組成一個(gè)超像元，可同時(shí)獲取到四種不同的偏振態(tài)。圖1為分焦平面探測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

傳統(tǒng)方法認(rèn)為在紅外成像系統(tǒng)前加入偏振裝置后，會(huì)對(duì)系統(tǒng)的噪聲等效溫差與調(diào)制傳遞函數(shù)MTF（f）產(chǎn)生影響，改變系統(tǒng)的最小可分辨溫差，進(jìn)而改變系統(tǒng)的最遠(yuǎn)探測(cè)距離。本文將從偏振裝置的偏振探測(cè)能力出發(fā)，分析成像系統(tǒng)的最小可分辨偏振度差，建立紅外偏振成像系統(tǒng)的探測(cè)距離模型。

我們首先建立一個(gè)探測(cè)器偏振響應(yīng)模型，該模型將探測(cè)器視為一個(gè)光子計(jì)數(shù)器，光子被轉(zhuǎn)換為電子并在電容電路中累積，綜合考慮探測(cè)器井的大小、偏振片消光比、信號(hào)電子與背景電子的比率以及入射輻射的偏振特性，通過(guò)應(yīng)用誤差傳播方法對(duì)結(jié)果進(jìn)行處理。從噪聲等效偏振度（NeDoLP）的定義出發(fā)，NeDoLP是衡量偏振探測(cè)器探測(cè)能力的指標(biāo)，即探測(cè)器對(duì)均勻極化場(chǎng)景成像時(shí)產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)差。對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，進(jìn)而分析得到紅外偏振成像系統(tǒng)的最遠(yuǎn)探測(cè)距離。

圖2 DoLP隨光學(xué)厚度變化曲線

對(duì)于探測(cè)器來(lái)說(shuō)，積分時(shí)間越長(zhǎng)，累積的電荷越多，探測(cè)器的信噪比（SNR）就越高，但這種增加是有限度的。隨著積分時(shí)間的增加，光生載流子有更多的時(shí)間被收集，增加信號(hào)。然而，同時(shí)，暗電流及其相關(guān)噪聲也會(huì)增加。對(duì)于給定的探測(cè)器，最佳積分時(shí)間是在最大化信噪比和最小化暗電流及噪聲的不利影響之間取得平衡，為方便分析，我們假設(shè)探測(cè)器工作在“半井”狀態(tài)下。

通過(guò)以下步驟計(jì)算紅外偏振成像系統(tǒng)最遠(yuǎn)作用距離：

a. 根據(jù)已知的目標(biāo)和背景偏振特性以及環(huán)境條件，計(jì)算在給定距離下，目標(biāo)與背景之間的偏振度差在傳輸路徑上的衰減。

b. 結(jié)合系統(tǒng)的探測(cè)器性能參數(shù)，確定目標(biāo)在給定距離下是否可被觀察到。如果不能則減小設(shè)定的距離。目標(biāo)被觀察到需同時(shí)滿足衰減后的偏振度差大于或等于系統(tǒng)對(duì)應(yīng)于該頻率的最小可分辨偏振度差MRPD，目標(biāo)對(duì)系統(tǒng)的張角θT大于或等于相應(yīng)觀察要求所需要的最小視場(chǎng)角。

c. 逐步增加距離，直到目標(biāo)與背景之間的偏振度差不再滿足觀察要求。這個(gè)距離即為成像系統(tǒng)最遠(yuǎn)作用距離。

τp (R)為大氣對(duì)目標(biāo)偏振度隨探測(cè)距離的衰減函數(shù)，可根據(jù)不同的天氣條件，根據(jù)已有的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，計(jì)算出不同探測(cè)距離下大氣對(duì)目標(biāo)偏振度的衰減，圖4. 5給出了根據(jù)文獻(xiàn)中測(cè)量數(shù)據(jù)得到的偏振度隨光學(xué)厚度增加衰減關(guān)系圖。

這里給出的橫坐標(biāo)是光學(xué)厚度，不同天氣條件下，光學(xué)厚度對(duì)應(yīng)的實(shí)際傳播距離與介質(zhì)的散射和吸收系數(shù)有關(guān)。

綜上，我們建立了傳統(tǒng)紅外成像系統(tǒng)和考慮了偏振片非理想性的紅外偏振成像系統(tǒng)的作用距離模型，下面我們將對(duì)模型的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，分析討論探測(cè)器各參數(shù)對(duì)成像系統(tǒng)探測(cè)能力的影響。

驗(yàn)證與討論

由噪聲等效偏振度的定義可知，其數(shù)值越小，代表偏振探測(cè)器的性能越優(yōu)秀。下面我們對(duì)影響紅外偏振成像系統(tǒng)探測(cè)性能的各因素進(jìn)行討論，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本文建立模型的正確性。

偏振片消光比

消光比是衡量偏振片性能的重要參數(shù)，市售的大面積偏振片的消光比可以超過(guò)200甚至更多。對(duì)其他參數(shù)按經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行賦值，從圖3可以看到，對(duì)于給定設(shè)計(jì)參數(shù)的探測(cè)器，偏振片消光比超過(guò)20后，隨著偏振片消光比的增加，探測(cè)器性能上的提升微乎其微。對(duì)于分焦平面探測(cè)器，為實(shí)現(xiàn)更高的消光比，不可避免地要犧牲探測(cè)器整體輻射通量。由于輻射通量降低而導(dǎo)致的信噪比損失可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)消光比增加所獲得的收益。這一結(jié)果同樣可以對(duì)科研人員研制偏振片提供啟發(fā)，對(duì)需要追求高消光比的偏振片來(lái)說(shuō)，增大透光軸方向的最大透射率要比降低最小透射率更有益于成像系統(tǒng)的性能。

圖3 偏振片消光比與探測(cè)器噪聲等效偏振度關(guān)系圖

探測(cè)器井容量

紅外探測(cè)器的井容量是指探測(cè)器像素在飽和之前能夠累積的電荷數(shù)量的最大值。井容量是衡量紅外探測(cè)器性能的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，井容量通常以電子數(shù)（e-）表示。較大的井容量意味著探測(cè)器可以在飽和之前存儲(chǔ)更多的電荷，從而能夠在更大的亮度范圍內(nèi)準(zhǔn)確檢測(cè)信號(hào)。這對(duì)于在具有廣泛亮度變化的場(chǎng)景中捕獲清晰圖像至關(guān)重要。從圖4可以看出，增大探測(cè)器井的容量，同樣能很好的提高成像系統(tǒng)的偏振探測(cè)能力。

圖4 探測(cè)器井容量與探測(cè)器噪聲等效偏振度關(guān)系圖

然而，井容量的增加可能會(huì)導(dǎo)致像素尺寸增大或探測(cè)器面積減小，這可能對(duì)系統(tǒng)的整體性能產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，在設(shè)計(jì)紅外探測(cè)器時(shí)，需要權(quán)衡井容量、像素尺寸和其他性能參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)最佳性能。

目標(biāo)偏振度

雖然推導(dǎo)出的噪聲等效偏振度公式包含目標(biāo)偏振度這一參量，但目標(biāo)的偏振度本身對(duì)探測(cè)器的噪聲等效偏振度沒(méi)有直接影響。NeDolp 是一個(gè)衡量探測(cè)器性能的參數(shù)，它主要受探測(cè)器內(nèi)部噪聲、電子學(xué)和其他系統(tǒng)組件的影響。然而，目標(biāo)的偏振度會(huì)影響探測(cè)器接收到的信號(hào)強(qiáng)度，從而影響信噪比（SNR）。從圖5也可以看出，探測(cè)器的NeDolp受目標(biāo)的偏振度影響不大。

圖5 目標(biāo)偏振度與探測(cè)器噪聲等效偏振度關(guān)系圖

讀取噪聲與產(chǎn)生復(fù)合噪聲比值

讀取噪聲主要來(lái)自于探測(cè)器的讀出電路、放大器和其他電子元件。它通常在整個(gè)光強(qiáng)范圍內(nèi)保持相對(duì)恒定。產(chǎn)生復(fù)合噪聲是由光子的隨機(jī)到達(dá)和電荷生成引起的，與光子數(shù)成正比。在低光強(qiáng)下，產(chǎn)生復(fù)合噪聲通常較小；而在高光強(qiáng)下，它會(huì)逐漸變大。通過(guò)計(jì)算讀取噪聲和產(chǎn)生復(fù)合噪聲的比值，可以確定系統(tǒng)的性能瓶頸。如果讀取噪聲遠(yuǎn)大于產(chǎn)生復(fù)合噪聲，這意味著系統(tǒng)在低光強(qiáng)下受到讀取噪聲的限制。在這種情況下，優(yōu)化讀出電路和放大器等元件可能會(huì)帶來(lái)性能提升。如果產(chǎn)生復(fù)合噪聲遠(yuǎn)大于讀取噪聲，這意味著系統(tǒng)在高光強(qiáng)下受到產(chǎn)生復(fù)合噪聲的限制。在這種情況下，提高信號(hào)處理和光子探測(cè)效率可能有助于改善性能。從圖6可以看出，降低讀取噪聲與產(chǎn)生復(fù)合噪聲比值可以有效提升系統(tǒng)偏振探測(cè)能力。

圖6 δ與探測(cè)器噪聲等效偏振度關(guān)系圖

信號(hào)電子比例

綜合圖4~6可以看出，提升β的數(shù)值可有效提高探測(cè)器的偏振探測(cè)能力，由β的定義可知，對(duì)于確定井容量的探測(cè)器，β的取值主要取決于探測(cè)器的各種噪聲與積分時(shí)間，降低探測(cè)器的工作溫度、優(yōu)化探測(cè)器結(jié)構(gòu)、減少表面和界面缺陷等途徑都可以降低探測(cè)器的噪聲，調(diào)節(jié)合適的積分時(shí)間也有助于探測(cè)系統(tǒng)的性能提升。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)噪聲等效偏振度的定義，利用面源黑體與紅外可控部分偏振透射式輻射源創(chuàng)建一組均勻極化場(chǎng)景。如下圖7所示，黑體發(fā)出的紅外輻射，經(jīng)過(guò)兩塊硅片，發(fā)生四次折射，產(chǎn)生了偏振效應(yīng)，通過(guò)調(diào)節(jié)硅片的角度，即可產(chǎn)生不同線偏振度的紅外輻射。以5°為間隔，將面源黑體平面與硅片間的夾角調(diào)為10°~40°共七組。每組將面源黑體設(shè)置為40℃和70℃兩個(gè)溫度，用國(guó)產(chǎn)自主研制的紅外分焦平面偏振探測(cè)器采取不少于128幀圖像并取平均，然后將每組兩個(gè)溫度下相同角度獲得的圖像作差，以減少實(shí)驗(yàn)裝置自發(fā)輻射和反射輻射對(duì)測(cè)量結(jié)果的干擾，差值圖像就是透射部分的紅外偏振輻射。對(duì)差值圖像進(jìn)行校正和去噪后，即可按公式計(jì)算出探測(cè)器對(duì)均勻極化場(chǎng)景產(chǎn)生的偏振度圖像。計(jì)算出紅外輻射的線偏振度，為減小測(cè)量誤差，僅取圖像中心區(qū)域的像元進(jìn)行分析。該區(qū)域像元的標(biāo)準(zhǔn)差就是該成像系統(tǒng)的噪聲等效偏振度（NeDoLP）。探測(cè)器具體參數(shù)如表1所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)示意圖

表1 偏振探測(cè)器參數(shù)

利用本文建立的探測(cè)器仿真模型計(jì)算出硅片的線偏振度仿真值，公式19計(jì)算出硅片線偏振度的理論值，與實(shí)驗(yàn)的測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，圖8展示了三組數(shù)據(jù)的變化曲線，從圖中可以看出，三組數(shù)據(jù)存在一定偏差，這可能與硅片調(diào)節(jié)角度誤差、面源黑體穩(wěn)定性、干涉效應(yīng)、硅片擺放是否平行等因素有關(guān)，但在誤差允許的范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了偏振探測(cè)系統(tǒng)的性能，也證明了本文建立仿真模型的可靠性。NeDoLP測(cè)量結(jié)果如表2所示。

圖8 線偏振度理論值、測(cè)量值與本文模型仿真值曲線圖

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從上表可以看到NeDoLP的測(cè)量值與仿真值的差值基本能控制在5%以內(nèi)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果再次印證了本文設(shè)計(jì)的模型的可靠性。

實(shí)例計(jì)算

應(yīng)用建立的模型對(duì)高2.3m，寬2.7m，溫度47℃，發(fā)射率為1的目標(biāo)的最遠(yuǎn)探測(cè)距離進(jìn)行預(yù)測(cè)，目標(biāo)差分溫度6℃；背景溫度27℃；發(fā)射率1；目標(biāo)偏振度30%，背景偏振度1%，使用3.2節(jié)中樣機(jī)的探測(cè)器參數(shù)，最后，采用文獻(xiàn)中介紹的“等效衰減系數(shù)-距離”關(guān)系的快速逼近法對(duì)紅外探測(cè)系統(tǒng)最遠(yuǎn)作用距離R進(jìn)行求解，得到表3的結(jié)果。

表3 紅外成像系統(tǒng)的最遠(yuǎn)作用距離

根據(jù)紅外探測(cè)系統(tǒng)最遠(yuǎn)探測(cè)距離，利用本文第二節(jié)提出的方法，得到不同探測(cè)概率下紅外偏振成像系統(tǒng)最遠(yuǎn)作用距離結(jié)果如表4所示。

表4 紅外偏振成像系統(tǒng)的最遠(yuǎn)作用距離

所選例子為目標(biāo)與背景偏振度差異大于其溫差，所以在這種探測(cè)場(chǎng)景下紅外偏振成像系統(tǒng)的探測(cè)能力要優(yōu)于紅外成像系統(tǒng)。探測(cè)器的參數(shù)不同，探測(cè)場(chǎng)景與目標(biāo)的變化都會(huì)對(duì)模型的結(jié)果產(chǎn)生影響，但本文提供的成像系統(tǒng)作用距離模型可為實(shí)際探測(cè)中不同應(yīng)用場(chǎng)景下的成像系統(tǒng)選擇提供參考。

結(jié)論

針對(duì)不同的探測(cè)場(chǎng)景，紅外成像系統(tǒng)與紅外偏振成像系統(tǒng)在最遠(yuǎn)探測(cè)距離方面哪個(gè)更有優(yōu)勢(shì)并沒(méi)有定論，探測(cè)目標(biāo)的大小，背景與目標(biāo)的溫差與偏振度差，大氣透過(guò)率，具體探測(cè)器的參數(shù)等因素都會(huì)對(duì)成像系統(tǒng)的最遠(yuǎn)探測(cè)距離產(chǎn)生影響。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文所建立的非理想紅外偏振成像系統(tǒng)的響應(yīng)模型是可靠的，可以用于估算成像系統(tǒng)的最遠(yuǎn)作用距離，針對(duì)不同的探測(cè)場(chǎng)景，讀者可通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定探測(cè)器的具體性能參數(shù)，利用仿真軟件或?qū)嶒?yàn)測(cè)量的方式獲取探測(cè)目標(biāo)的溫度與偏振信息，明確探測(cè)環(huán)境的具體大氣參數(shù)，利用模型對(duì)紅外成像系統(tǒng)與偏振成像系統(tǒng)的最遠(yuǎn)作用距離進(jìn)行預(yù)估，選擇更具優(yōu)勢(shì)的成像系統(tǒng)。

這項(xiàng)研究獲得上海市現(xiàn)場(chǎng)物證重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金（No. 2017xcwzk08）和上海技術(shù)物理研究所創(chuàng)新基金（No. CX-267）的資助和支持。

審核編輯：彭菁