《透明界面光电偏振成像与检测》从透明界面光电偏振成像理论与技术研究背景出发，全面论述透明界面辐射偏振特性和成像理论、系统构成和校正方法及典型应用。具体内容包括：光的偏振性及偏振信息的描述、透明界面的辐射偏振特性、偏振成像理论、偏振成像系统的响应非线性校正与仪器矩阵标定、透明界面的光电偏振成像检测方法、透明界面光电偏振成像技术的应用等。《透明界面光电偏振成像与检测》紧跟该领域的国内外发展现状和*新成果，是作者近年来在这一领域的主要研究成果的梳理和总结。

目录
“偏振成像探测技术学术丛书”序
前言
第1章 绪论 1
1.1 透明界面光电偏振成像理论与技术研究的意义 1
1.2 光电偏振成像技术的发展 3
1.2.1 偏振成像系统的技术发展 3
1.2.2 偏振成像系统优化的相关发展 10
1.2.3 偏振成像应用相关研究进展 11
1.2.4 透明介质三维面形偏振成像测量技术及其研究现状 14
1.3 光电偏振成像的实现模式 26
1.3.1 分时偏振成像 26
1.3.2 同时偏振成像 27
1.3.3 基于偏振图像的目标场景偏振信息重构 30
参考文献 31
第2章 光的偏振性及偏振信息的描述 38
2.1 光波的偏振态 38
2.2 光波在各向同质界面上的反射和折射偏振特性 40
2.2.1 反射定律和折射定律 40
2.2.2 菲涅耳公式 42
2.2.3 反射率和透射率 45
2.2.4 影响反射率的因素 47
2.3 基于缪勒矩阵的粗糙表面偏振特性表征 48
2.3.1 粗糙表面的反/散射偏振模型 48
2.3.2 粗糙表面偏振信息的提取 57
参考文献 60
第3章 透明界面的辐射偏振特性 61
3.1 透明界面的可见光反射偏振特性 61
3.2 透明界面的红外辐射与反射偏振特性 62
3.2.1 模型概述 62
3.2.2 反射辐射偏振度 63
3.2.3 自发辐射偏振度 65
3.2.4 水面总辐射偏振度 66
3.2.5 天空辐射 67
3.2.6 水面辐射 68
3.3 海面红外偏振辐射模型 68
3.3.1 基于光线逆追迹的大尺度、高空间分辨率海面红外偏振辐射模型 69
3.3.2 基于海浪特性统计模型的海面风浪波形重构方法 69
3.3.3 Elfouhaily海浪谱 70
3.3.4 基于双尺度的大尺度、高空间分辨率的海面合成方法 71
3.3.5 偏振光线逆追迹及其加速运算方法 76
3.3.6 数值仿真与结果分析 84
3.3.7 海面耀斑红外辐射偏振特性及其抑制方法 88
参考文献 91
第4章 偏振成像理论 93
4.1 传统偏振检测理论 93
4.1.1 偏振成像的基本原理 93
4.1.2 成像系统像面的辐照度 94
4.2 大视场偏振成像理论 94
4.2.1 自然光入射 96
4.2.2 线偏振光入射 97
4.2.3 斜入射光束下偏振成像理论的实验验证 98
4.3 自然光入射下偏振成像特性 105
4.3.1 自然光入射 105
4.3.2 偏振度与入射角的关系 109
4.3.3 偏振角与入射角的关系 110
4.3.4 基于反射率的消除入射角歧义性的方法 110
4.4 非理想偏振条件下的可见光偏振成像理论 112
4.4.1 考虑偏振片消光比的缪勒矩阵 112
4.4.2 考虑偏振片主方向误差的缪勒矩阵 113
4.4.3 非理想偏振条件下的偏振成像模型 114
4.5 前置偏振片的红外偏振成像理论与方法 115
4.5.1 前置偏振片红外偏振成像系统的理想模型 116
4.5.2 前置偏振片红外偏振成像系统的修正模型 117
4.5.3 基于前置偏振片红外偏振成像系统修正模型的辐射校正方法 118
4.5.4 实际室外场景校正实验及分析 119
参考文献 122
第5章 偏振成像系统的响应非线性校正与仪器矩阵标定 124
5.1 偏振成像系统的仪器矩阵及其标定方法 124
5.1.1 四点定标方法 124
5.1.2 E-P定标法的原理 125
5.1.3 偏振成像系统的仪器矩阵标定实验 127
5.2 偏振成像系统响应的非线性校正 129
5.2.1 光电探测器的γ特性 129
5.2.2 基于探测器输出数字信号的偏振信息重构方法 130
5.2.3 考虑探测器γ特性的偏振信息重构方法 131
5.3 红外偏振辐射源及其定标方法 132
5.3.1 红外偏振辐射源的系统设计 133
5.3.2 红外偏振辐射源的数学模型 135
5.4 反射式可控红外部分偏振辐射源 138
5.4.1 一种反射式红外可控部分偏振辐射源及其测量系统 138
5.4.2 部分偏振辐射源的理论分析 139
5.4.3 反射式红外可控部分偏振辐射源实验测试与讨论 143
参考文献 146
第6章 透明界面的光电偏振成像检测方法 148
6.1 透明界面的光电偏振成像遥测方法 148
6.1.1 *面法向量的表示方法 148
6.1.2 基于方向矢量的透明介质三维面形偏振成像测量方法 149
6.1.3 边缘视场 154
6.1.4 *面高度重建 155
6.1.5 湖面实验 155
6.2 水面波纹的多波段光电偏振成像检测分析 159
6.2.1 模型概述 159
6.2.2 水面偏振度仿真结果与分析 163
6.2.3 水面偏振度的实验测量与模型验证 166
参考文献 168
第7章 透明界面光电偏振成像技术的应用 169
7.1 海面耀光的滤除方法 169
7.1.1 计算线偏振图像模型及其在杂波抑制中的应用 169
7.1.2 基于红外偏振信息的水面杂波抑制方法 177
7.1.3 基于时域偏振特性的水面杂波抑制方法 185
7.2 水下光电偏振成像增强技术方法 196
7.2.1 水下成像模型 196
7.2.2 基于线偏振技术的水下图像复原方法 205
7.2.3 基于残差UNet的水下缪勒矩阵图像去散射算法 217
7.3 水下运动目标海面波纹的光电偏振成像检测技术 226
7.3.1 潜艇尾迹与海面波浪 226
7.3.2 海面尾迹光学偏振成像 229
7.3.3 海面尾迹的光学（偏振）成像检测方法 239
参考文献 250

第1章 绪论
　　1.1 透明界面光电偏振成像理论与技术研究的意义
　　地球约70.8% 的表面积为海洋，海洋中蕴藏着丰富的动植物和矿产资源，而且海洋是世界各国货物和能源运输的主要通道，特别是不少国家之间往往存在海域的归属争议，加剧了对海域及其资源争夺的可能性。因此，水下目标探测技术也可用于海洋资源探测、水下通信光纤维护、输油管道维护、水下救援等民用领域，潜艇探测和水雷探测等军用领域都需要重点发展水下目标探测与成像技术，使之成为沿海国家重点发展的关键前沿技术。
　　水下目标成像探测主要有星载、机载、水面和水下等工作平台，发展了声波成像、光电成像和雷达成像等多种探测技术。其中，机载水下目标光电成像探测技术由于具有搜索速度快、搜索效率高、成像直观、分辨率高、易于目标探测和识别等特点，成为国内外重点发展的一项技术，发展出多种不同工作原理的成像探测模式。利用水体在532nm波段的传输窗口，采用532nm蓝绿激光的单点扫描成像、脉冲线激光同步扫描成像和凝视激光距离选通成像等模式（图1.1.1），滤除水面反射和水体后向散射的影响，可实现水下目标的成像探测，国际上已实现装备应用。在实际机载水下目标探测时，由于水面波纹对水下目标的成像有明显的扭*（图1.1.2），所以会直接影响水下目标的搜索、定位和识别。因此，在提高水下目标探测距离的同时，必须突破水面波纹的校正技术，即水面波纹校正的关键之一是采用水面波纹形状的实时成像探测方法。
　　图1.1.1 美国“魔灯”机载水下目标激光成像系统的工作步骤
　　图1.1.2 机载水下目标探测模式，水面波纹对水下目标图像的扭*效应
　　图1.1.3 水下运动目标引起的水面波纹
　　另外，由于水下运动目标与水体的相互作用，水面会形成特定形状的波纹（图 1.1.3），其中水下运动目标所在位置形成的水面凸起称为“伯努利水丘”，而目标后面所形成的尾迹称为“开尔文尾迹”。“伯努利水丘”和“开尔文尾迹”成为水下运动目标探测的特征信息源。据报道，即便潜艇在水下1000英尺（约304.8m）的深度航行，在海面依然可探测到“伯努利水丘”和“开尔文尾迹”。美国海军2009 年开始研究全新的液体隐身衣，通过超材料改变潜艇的表面特性和水流分布，减小水下潜艇运行中的水面波纹。已开展的减小潜艇水面波纹研究表明：利用“伯努利水丘”探测水下运动潜艇是一种有效的技术途径。当然，实际应用中海面风生重力波也是水下目标特征水面波纹的主要干扰载波，实现水下运动目标成像探测的关键是有效的水面波纹成像探测技术及载波滤除方法。
　　虽然以上两种应用模式对水下目标探测分别属于直接成像和非直接成像探测，但都涉及水面波纹的成像检测问题。由于水面本身属于透明介质，采用常规的强度成像模式难以有效获取水面波纹的形状（激光扫描难以有效保证回波信号，双目立体视觉难以在海面有效搜寻视觉匹配点）。类似的问题也包括透明玻璃的面形成像测量、玻璃板划痕检测等对新型成像检测技术提出了新的要求。近年来，光电偏振成像技术迅速发展，其表现出有别于传统强度成像的特性，对透明介质面形的测量展现出技术可行性和有效性，有望用于透明介质（如玻璃、水面波纹）面形的偏振成像测量。因此，有关透明界面光电偏振成像理论与技术研究具有重要的理论和现实意义。
　　水下目标探测技术是当前国内外重点研究的方向，由于水下运动目标会在水面形成特征波纹，据此可获得目标的信息，因此，水面波纹的成像检测是实现水下目标有效成像探测、识别和定位的关键技术之一。然而，对于诸如基于脉冲激光距离选通的水下目标直接成像应用，水面波纹对水下目标形状与纹理的成像影响非常明显，必须给予实时校正。虽然利用水面波纹的特点进行图像复原处理是一种有效的方法，但处理的复杂性使得其尚难以适应实际应用要求。随着近年来光电偏振成像技术的发展，光学零件、水面等透明*面的成像检测成为可能，其分辨率高、图像直观，目前的偏振成像面形检测算法适用的成像视场较小，尚难适应具有较大的成像视场要求的机载水面波纹成像检测，并且从偏振图像中解算透明介质表面坡度的算法尚不成熟，算法精度有待提高。综上所述，研究透明介质*面坡度的求解方法，突破相关的科学问题和关键技术，对于探索新型水下目标成像探测方法具有重要的理论意义和实用价值。
　　1.2 光电偏振成像技术的发展
　　1.2.1 偏振成像系统的技术发展
　　偏振成像系统是测量与分析目标场景偏振特性的主要工具。自1808年Malus发现反射光偏振现象以来，各式各样的偏振测量与观察设备陆续出现。早期的偏振测量设备并不能成像，其结构相对简单，关键的起偏器与检偏器部件一般通过黑色玻璃反射或者玻片堆实现[1]。图1.2.1（a）为Biot在1850年设计的一种偏振测量设备，该设备的右侧为单片玻璃反射式的起偏器，左侧为玻片堆实现的检偏器；图1.2.1（b）为Pickering设计的一种偏振测量设备，该设备同样利用反射方法产生偏振光，检偏器则是通过尼科耳（Nicol）棱镜实现的。
　　图1.2.1 偏振测量装置
　　随着光电技术的进步，固体成像器件得到了广泛的应用。摄像管、焦平面阵列等也同样在偏振成像系统得到应用。天文及遥感观测是偏振成像的早期应用之一。1973年，发射用于木星和外太阳系探测的先驱者11号，其有效载荷包含了可见光偏振成像系统，可观测行星表面的偏振特征[2]。1980～1981年，Baur等设计了用于天文台观测的多光谱偏振太阳日冕仪，其偏振度分辨率可以达到0.1%[3， 4]。
　　1982年，Azzam设计了一种振幅分割型（division-of-amplitude，DOA）偏振成像系统[5]。该系统利用半透半反镜分光后，再利用沃拉斯顿（Wollaston）棱镜进行偏振分光并分别成像，系统中没有任何机械运动部件，结构可靠，可以同时获得四个不同偏振角度的图像，系统的响应速度只受到探测器自身性能的限制。
　　1983年，Prosch设计了一种多光轴的偏振成像系统[6]，该系统由三套前置了不同检偏角度的检偏器且光轴相互平行的可见光相机构成，其光谱响应范围为530～580nm，检偏器的检偏角度组合为Pickering模式（0°，60°，120°）。该系统可以对指定位置实时测试显示并记录，或者对场景进行一维或者二维扫描并通过磁盘实时记录数据。经过相关的校准之后，该系统的偏振度测量误差不超过3%。由于当时技术水平的限制，该系统并不能够对大范围的场景进行实时数据处理，且当时的模拟信号转数字信号技术也进一步限制了系统的精度。
　　1994年，Cronin等基于便携式摄像机设计了一种偏振成像系统[7]，其成像探测器为8bit电荷耦合器件（charge coupled device，CCD）探测器，通过在光学系统中加入两个扭*向列型液晶与一片检偏角固定的偏振片，实现偏振成像。其中液晶作为相位延迟器，对入射辐射的相位进行快速调制，并利用同步信号驱动相机同步工作。虽然当时该设计还比较原始，但是利用电控相位延迟器实现相对高速的调制在以后的研究中得到了广泛的应用。
　　同年，Chun等提出了一种焦平面分割型（division of focal plane，DoFP）偏振成像探测器[8]。他们提出该设想的初衷是能够利用此种探测器准确地测量物体表面红外辐射的偏振度与偏振角（angle of polarization，AoP），以反演出物体的三维外形。他们通过建立数学模型，分析了该方法的可行性。尽管该设想当时还很超前，但随着微纳加工技术的迅速进步，仅在数年之后该设想就成为现实。
　　1999年，Nordin等成功制作了中波偏振红外焦平面探测器[9-11]。探测器波段为3～5μm，像素分辨力为256×256。每个偏振探测单元由2×2个像素构成，探测器像素间距为38μm，通过干涉光刻工艺加工的钼金属线栅的大小为16μm×16μm。线栅的填充率约为25%，消光比约为10dB。探测单元中的其中两个像素检测水平方向的辐射，一个像素检测竖直方向的辐射，剩余的一个像素检测与水平方向呈45°的辐射。
　　1999年，Howe等设计了一种双色红外斯托克斯（Stokes）偏振成像仪[12]。该系统中场景辐射先通过一个反射式远焦镜，由一个平板分束器分为长波（8～12μm）和中波（3～5μm）两部分，再分别在前置旋转波片的中波与长波红外偏振成像系统中成像。需要注意：由于探测器响应波段较宽，需要选择对入射波长相对不敏感的波片，以降低系统的测量误差。
　　2003年，Oka和Kaneko提出了一种基于双折射楔形棱镜的紧凑偏振成像系统[13]，如图1.2.2所示，利用两组由楔形棱镜组成的相位延迟器，使得入射光在成像时发生干涉，从而在水平与竖直方向产生不同的干涉条纹，*后利用这些干涉条纹反演场景辐射的偏振信息。
　　图1.2.2 基于双折射楔形棱镜的紧凑偏振成像系统原理与实物
　　2005年，Pezzaniti等设计了一种分孔径分割型偏振成像系统[14]，如图1.2.3所示，其光学系统主要分成两部分，物镜部分焦距为100mm，F数为2.3，后截距为1in（1in = 2.54cm）；分孔径光学系统部分*先通过一个场景减小入射光线与光轴的夹角以降低后续设计的难度，通过孔径光阑的是一个小型平行光管，光管后端是一个2×2的线栅偏振片阵列，*后通过迷你透镜分别成像。该部分的视场为±3.2°，透过率为81%，图像畸变不大于0.3%。考虑到分孔径光学系统需要完整地置于杜瓦中，并且需要承受很大的温差，因此光学系统采用了与镜片材料热膨胀系数相近的硅铝合金作为镜片的支架与外包围。虽然该方法降低了探测器的空间分辨率，但是依然取得了较好的成像效果。
　　2008年，Kudenov等利用中波红外平板偏振分束器制作了双探测器的偏振成像系统[15]。在偏振分束器前端是一个后向工作距离调节镜，通过该调节镜之后，
　　图1.2.3 分孔径分割型偏振成像系统原理图与实物图
　　光线与光轴夹角变小，有利于降低由不同入射角通过偏振片造成的误差。显然，两通道并不能完成斯托克斯矢量的有效测量，因此该系统中的偏振辐射镜依然是可旋转部件。
　　同年，Winker等设计并制作了一种基于液晶相位延迟器的偏振成像系统[16]，如图1.2.4所示，该系统通过两组液晶相位延迟器与一片偏振片的组合实现对不同偏振角的偏振光的检测。系统中的两组液晶相位延迟器在不加电状态时均等效为1/2波片，通过四种开关组合，实现对0？、45？、90？和135？角偏振光的检测。由于采用了切换频率可达毫秒级的双频液晶，系统成像帧频可达到100帧/s。
　　图1.2.4 基于液晶相位延迟器的偏振成像系统
　　2011年，Sarkar等基于互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺设计了可见光波段的偏振成像探测器[17]，如图1.2.5所示，该探测器原理与Chun等[8]所提出的方法基本相同，但由于制作该探测器的主要目的是测试工艺，探测器分为三个部分，**部分只测试强度，第二部分只测试垂直于水平方向的偏振辐射，第三部分则测试三个不同角度的偏振辐射。该探测器的线栅填充率为50%，消光比为5～7dB。
　　2011年，Bhandari等设计了一种探测海洋下辐射偏振特性的多通道偏振成像系统[18]，如图1.2.6所示，该系统由四套光轴相互平行的成像探测器构成，且具有