Исследование поляризации света, отраженного лакокрасочными покрытиями

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА, ОТРАЖЕННОГО ЛАКОКРАСОЧНЫМИ ПОКРЫТИЯМИ Н.В. Павлова, В.Т. Прокопенко, В.А. Трофимов

В статье рассматриваются результаты исследования состояния поляризации света, отраженного нитро-эмалевыми покрытиями, в сравнении с подобными характеристиками природных объектов. Установленные различия предлагается использовать для построения изображения, основанного на поляризационном контрасте объекта и фона. Утверждается, что такого рода техника позволит повысить достоверность обнаружения окрашенных таким образом объектов на фоне подстилающей среды.

Введение

В практике приборостроения часто возникает необходимость решения двух противоположных задач: задачи обнаружения объекта на фоне окружающей среды и обратной ей задачи, связанной с необходимостью камуфляжа объекта, снижающей вероятность его обнаружения.

Такие проблемы могут возникать, например, в системах неразрушающего контроля качества, требующих выделения неоднородности физико-технических параметров изделия, либо в системах обнаружения и локации, предназначенных для распознавания искомых объектов (цели) на фоне естественной среды, как, например, пашни, подлеска, травы и т.д. В подавляющем большинстве известных устройств, решающих эту задачу, используется принцип измерения мощности сигнала, определяемой свойствами отражающей поверхности объекта и фона, на котором этот объект находится [1]. Вследствие возможного сходства отражательной способности искусственных и естественных объектов выделение цели (неоднородности) на фоне подстилающей среды (на общем фоне) либо соизмеримых с ней естественных образований может быть затруднено. Такого рода ситуация определяет необходимость поиска дополнительных отличительных признаков, одним из которых может служить поляризация отраженного излучения.

Действительно, если рассматривать наиболее часто используемые способы описания векторных характеристик световой волны, то можно заметить, что энергетическая характеристика - интенсивность - является лишь одним из параметров, отображающих полную характеристику поляризации [2]. Дополнив информацию об объекте, построенную на основе энергетических характеристик, информацией, использующей векторные характеристики световой волны, можно либо существенно увеличить вероятность обнаружения объекта, либо разработать меры, резко снижающие этот показатель в зависимости от условий решаемой задачи.

Постановка задачи

Характеристики света, отраженного шероховатой поверхностью, определяются матрицами рассеяния объекта и фона. Элементы этих матриц являются функцией длины волны падающего излучения, углов падения и отражения, состояния поляризации падающей волны и физических характеристик отражающей поверхности, таких как форма, шероховатость, однородность и т.п. свойства [3]. Отличающиеся между собой матрицы рассеяния объекта и подстилающей среды могут определять различие состояния поляризации в отраженных ими лучах при одинаковой поляризации падающих. При локации диффузно-отражающей поверхности отраженный сигнал частично поляризован. Степень поляризации сигналов отраженных фоном и объектом может быть различна. Этот факт целесообразно использовать при построении оптических систем выделения изображения объектов на фоне подстилающей среды на основе поляризационного контраста. Кроме того, полезная информация об отражающих поверхностях содержится и в полностью поляризованной составляющей отраженного излучения, кото-

рая может быть использована для повышения достоверности рассматриваемой информации

Задача энергетического обнаружения характерна тем, что мощность сигнала, равная разности мощностей излучений, отраженных объектом и фоном АР = Р - Р , достигает такого порогового значения, когда на индикаторе с заданной вероятностью фиксируется лишь наличие в области обзора объекта без различия его формы и деталей. На практике же пользуются не абсолютным, а относительным ее значением, так называемым пороговым контрастом при нулевой пространственной частоте,

к = ---,

где - мощность сигнала объекта, - мощность сигнала фона. Подобное определение контраста может быть применено не только для интенсивности света, но и для каждого параметра поляризации отдельно, так что

к = ,

I

где Р - параметры вектора Стокса, I = 1,2,3,4. Матрица рассеяния является одной из важнейших и наиболее полных характеристик объекта, определяющих состояние поляризации в отраженном пучке, однако конкретный вид ее известен лишь в немногих случаях.

Процесс обнаружения, как правило, строится по принципу сравнения информации, приходящей от наблюдаемого объекта, с информацией, хранящейся в памяти системы обнаружения. Для заполнения памяти системы обнаружения, основанной на энергетической локации, выполнены долгосрочные измерения альбедо различных естественных образований. При этом тщательно измерены процессы рассеяния естественного света в зависимости от различных факторов, таких как склонения естественных источников освещения, их характера, времени года, характеров объектов и т. п. Подобная информация, связанная с поляризационными свойствами объектов, практически отсутствует. В этой связи представляют интерес измерения, позволяющие поместить в память распознающих систем информацию о поляризационных свойствах объектов, подлежащих обнаружению.

Одним из наиболее распространенных искусственных объектов, подлежащих обнаружению, может быть поверхность, покрытая лакокрасочным покрытием. Примером тому могут быть различного рода гражданская и военная техника, жилые и производственные постройки и т.п., расположенные на естественном фоне.

Описание экспериментальных исследований

Определение контраста в соответствие с (2) предполагает наличие априорных сведений о поляризационных характеристиках объекта и фона, причем достаточным условием является отличие по одному из параметров. Для проверки изложенных предположений и отработки методики измерений выполнены исследования поляризационных свойств образцов, представляющих собой дюралевые пластины (прокат), покрытые нитроэмалевым покрытием, выполненным по технологии естественного высыхания.

Исследования выполнены на поляриметре, позволяющем осуществить измерения по схеме нулевого метода [4] (см. рис.1).

Состояние поляризации света в падающем пучке определяется тем, что в качестве излучателя используется газовый лазер с анизотропным активным элементом. Особенностью такого излучателя является высокая степень линейной поляризации генерируемого излучения. Установленная на пути такой световой волны четвертьволновая пластинка позволяет с помощью изменения ее азимута задаваться различными формами

поляризации. Сформировав таким образом циркулярно-поляризованное излучение и установив на его пути линейный поляризатор, можно формировать в падающем луче различные формы линейно поляризованного излучения, отличающиеся значениями азимутов. Для анализа отраженного от исследуемого образца излучения используется гониометр с установленными на алидаде анализатором, четвертьволновой пластинкой и поляризационно-нечувствительным фотоприемником. Анализатор можно установить с четырьмя значениями азимутов 0°, 90° и 45°, -45°, а фазовую пластинку можно либо вывести из схемы измерений, либо установить с азимутами 0° и 90°. Определение нулевого положения элементов схемы проводится с помощью модулятора Фарадея и резонансного усилителя по известной методике наблюдения в составе регистрируемого фототока наличия или отсутствия первой гармоники [4].

Рис.1. Схема экспериментальной установки. 1. Лазер. 2. Четвертьволновая пластинка. 3. Поляризатор. 4. Модулятор Фарадея. 5. Образец. 6. Анализатор. 7. Фотоприемник. 8. Узкополосный усилитель. 9. Осциллограф. 10. Звуковой генератор

Матрица рассеяния рассматриваемых образцов может быть представлена в виде:

М =

1 т12 0 0

т21 т22 0 0

0 0 т33 0

0 0 0 т44

т

т

¡к

¡к

т

и

т21 = т12

Экспериментально выявленная зависимость элементов матрицы рассеяния от угла наблюдения, представленная в таблице для двух образцов, позволяет определить характер изменения отдельных параметров Стокса при отражении света с различными типами и формами поляризации в соответствие со следующим правилом:

$1 = ¡х + ¡у, $2 = 1х - /у , ¿3 = ¡45 - I -45, $4 = Г 45 - I .45,

где ¡1 - интенсивность пучка света, прошедшего определенным образом ориентированные поляризационные элементы [5].

в т12 т22 т33 т44

1 2 1 2 1 2 1 2

-25° 0,04 0,05 0,2 0,25 -0,18 -0,16 -0,1 -0,01

0° -0,05 -0,05 0,25 0,29 -0,2 -0,22 -0,11 -0,09

25° -0,37 -0,33 0,5 0,51 -0,16 -0,17 0 -0,09

56° -0,36 -0,48 0,72 0,77 0,09 0,12 0,11 0,14

72° 0,06 0 0,6 0,59 0,1 -0,06 0,12 -0,04

Таблица. Экспериментально выявленная зависимость элементов матрицы

рассеяния от угла наблюдения

Выбор образцов определялся возможностью исследования наиболее распространенных нитроэмалевых защитных покрытий, выполненных при разных температурных режимах естественной сушки.

Пример расчета, представленный на рис. 2, выполнен на основе полученных экспериментальных данных.

0,8 0,6

0,4 0,2 0 -0,2 -0,4 -0,6 -0,8

а*

\

\

X

20 40

в. \тл. град.

Рис. 2. Изменение второго параметра Стокса £2 от угла наблюдения в при отражении света от образца №1 для различных состояний поляризации света в падающем пучке:

горизонтальная линейная поляризация Р = {1,1,0,0}:; линейная поляризация с азимутом +45°: Р2 ={1,0,1,0}; циркулярно-поляризованное излучение: Р3 ={1,0,0,1}.

Р. %

40

35 30 25 20 15 10 5 О

1

\з

4\\ /

\ У

\ 5 1

2 !

Р. %

50 40 30 20 10

о

5 4 : ___1- — - _1.г

П 2 1

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 -100 -80 -60 -40 -20 0 20

в, утл. град. в, утл. град

Рис. 3. Зависимость степени поляризации Р отраженного света от угла падения в.

Поляризация падающего света: а) - линейная; азимут 45°, б) - естественная. Л = 520 нм, угол падения 70°. 1 - образец №1; 2 - образец №2; 3 - земля; 4 - пустыня; 5 - речной песок

Анализ результатов демонстрирует ярко выраженную зависимость поляризационных характеристик полностью поляризованной компоненты отраженного света (параметров вектора Стокса) от угла наблюдения, при этом различие в поведении отдельных параметров особо заметно в диапазоне 40-50 угл. град. К сожалению, воспользоваться этой особенностью для повышения достоверности обнаружения объекта не всегда возможно. Свойства отражающих поверхностей зачастую таковы, что доля полностью поляризованной компоненты после отражения даже полностью поляризованного света становится ничтожной. В этом случае особую важность может иметь такая поляризационная характеристика, как степень поляризации света. Пример расчета зависимости

степени поляризации света, отраженного исследуемыми образцами, в сравнении с данными из работы [6] представлен на рис 3.

Рассматриваемые зависимости показывают, что для широкой области углов наблюдения выявлено заметное различие степени поляризации света, отраженного от естественных объектов и исследуемых образцов. В среднем эти различия составляют тридцать процентов для диапазона углов в сорок пять градусов, при этом контраст представляет заметное значение порядка 2,5-3, что, безусловно, позволяет использовать этот фактор в целях повышения вероятности обнаружения.

Заключение

Рассмотрена возможность построения изображения объекта на основе поляризационного контраста с подстилающей средой (фоном). Для обоснования высказанного предположения выполнены измерения поляризации света, отраженного от нитроэмале-вого покрытия, позволившие отработать методику измерений и рассмотреть различие поляризационных характеристик образцов и естественных покрытий. Установленные различия состояния поляризации полностью поляризованных компонент и степени поляризации отраженного света подтверждают обоснованность высказанного предположения и могут быть использованы для повышения вероятности обнаружения объектов с нитроэмалевыми покрытиями на фоне подстилающей среды.

Литература

1. Волохатюк В.А. , Вопросы оптической локации. М.: Сов. радио, 1971.

2. Аззам Р. Башара Н., Эллипсометрия и поляризованный свет. М.: Мир, 1981.

3. Орлов В.М., Элементы теории светорассеивания и оптическая локация. Новосибирск: Наука, 1982.

4. Горшков М.М. Эллипсометрия. М.: Сов. радио, 1974. 200 с.

5. Дитчберн Р.Физическая оптика. М., Наука, 1965. 632 с.

6. Nand C.R., Nagaraja Rao. // Brit. J. Appl. Phys. {J. Phys. D}. 1968. V.2. Р.1191