Исследование возможности обнаружения объектов на основе поляризационного контраста

ОПТИЧЕСКИЕ И ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

УДК 535

С. А. Алексеев, С. А. Кононов, К. Г. Секарин, В. А. Трофимов

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ОБНАРУЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ НА ОСНОВЕ ПОЛЯРИЗАЦИОННОГО КОНТРАСТА

Рассмотрена возможность построения изображения объекта на основе поляризационного контраста с подстилающей средой (фоном). Для обоснования сделанного предположения выполнены измерения параметра поляризации света, отраженного от нитроэмалевого покрытия, позволившие отработать методику измерений и рассмотреть различие поляризационных характеристик образцов и естественных покрытий. Установленные различия могут быть использованы для повышения вероятности обнаружения объектов с нитроэмалевыми покрытиями на фоне подстилающей среды.

Ключевые слова: поляризация, отражательная способность, матрица рассеяния света, степень поляризации, поляризационный контраст, вероятность обнаружения объекта.

Введение. В практике приборостроения часто возникает необходимость решения двух противоположных задач: обнаружения объекта на фоне окружающей среды и маскировки объекта для снижения вероятности его обнаружения.

Такие задачи могут возникать, например, в системах неразрушающего контроля качества, требующих выделения неоднородности физико-технических параметров изделия, либо в системах обнаружения и локации, предназначенных для распознавания объектов (цели) на фоне естественной среды (пашни, подлеска, травы и т.д.). В подавляющем большинстве известных устройств положен 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 параметров сигнала, одним из которых может служить поляризация отраженного излучения.

Действительно, если рассматривать различные 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, основанную на энергетических характеристиках, векторными характеристиками световой волны, можно существенно увеличить вероятность обнаружения (сокрытия) объекта.

Постановка задачи. Характеристики света, отраженного шероховатой поверхностью, определяются матрицами рассеяния объекта и фона. Элементы этих матриц являются функ-

цией 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. [3]. Различающиеся 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 различной. Этот факт целесообразно использовать при построении оптических систем выделения изображения объектов на фоне подстилающей среды на основе поляризационного контраста. Кроме того, может быть использована полезная информация о характеристиках отражающих поверхностей, содержащаяся в полностью поляризованной составляющей отраженного излучения.

При обнаружении объекта мощность сигнала, равная разности мощностей излучений, отраженных объектом и фоном АР = Ро - Рф, достигает такого порогового значения, при котором на индикаторе с заданной вероятностью фиксируется лишь наличие в области обзора объекта. На практике пользуются не абсолютным, а относительным ее значением АР — так называемым пороговым контрастом при нулевой пространственной частоте

Р — Р

к = .

рф

Подобное определение контраста может быть применено не только для интенсивности света, но и для каждого параметра поляризации в отдельности

к = , (2) ^гф

где 8г — параметры вектора Стокса (г = 1, 2, 3, 4).

Матрица рассеяния является одной из важнейших и наиболее общих 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, поступающей от наблюдаемого объекта, с информацией, хранящейся в памяти системы обнаружения. Для калибровки системы обнаружения, основанной на анализе энергетических характеристик сигнала, были выполнены долгосрочные измерения альбедо различных естественных образований. При этом тщательно исследовалась зависимость процессов рассеяния естественного света от различных факторов, таких как склонение естественных источников освещения, их характер, время года, параметры 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 искусственных объектов, подлежащих обнаружению, может быть поверхность с лакокрасочным покрытием (различного рода гражданская и военная техника, жилые и производственные постройки и т.п., расположенные на естественном фоне).

Экспериментальные исследования. Для определения контраста в соответствии с (2) необходимы априорные сведения о поляризационных характеристиках объекта и фона, причем достаточным условием является отличие по одному из параметров. Для проверки предположений и отработки методики измерений были исследованы поляризационные свойства образцов, представляющих собой дюралевые пластины (прокат), покрытые нитроэмалевым покрытием, выполненным по технологии естественного высыхания.

Исследования были выполнены на поляриметре, позволяющем осуществлять измерения по схеме нулевого метода [4]. На рис. 1 приведена схема экспериментальной установки (здесь

1 — лазер, 2 — четвертьволновая пластинка, 3 — поляризатор, 4 — модулятор фарадея, 5 — образец, 6 — анализатор, 7 — фотоприемник, 8 — узкополосный усилитель, 9 — осциллограф, 10 — звуковой генератор).

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. После того как таким образом сформировано циркулярно-поляризованное излучение и на его пути линейный поляризатор, возникает возможность 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 может быть установлен с четырьмя значениями азимута 0, п/2 и п/4, -п/4, фазовая пластинка может быть выведена из схемы измерений либо установлена с азимутами 0 и п/2. Нулевое положение элементов схемы определяется с помощью модулятора Фарадея и резонансного усилителя по известной методике наблюдения в составе регистрируемого фототока наличия или отсутствия первой гармоники [4].

Матрица рассеяния рассматриваемых образцов может быть представлена в виде

Рис. 1

м =

1 т12 0 0

т21 т22 0 0

0 0 т33 0

0 0 0 т44

т,

т =

т

11

т21 = т

12-

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 соответствии со следующим правилом:

¿1 - /х + 4 ¿2 - /х - 4 & - /я/4 - /-я/4, ¿4 - /'я/4 - /'

-я/4,

где / — интенсивность пучка света, прошедшего определенным образом ориентированные поляризационные элементы при выведенной из оптической схемы фазовой пластинке, /'г — при введенной [5].

0 , 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

Для исследования выбирались наиболее распространенные нитроэмалевые защитные покрытия, выполненные при различных температурных режимах.

На рис. 2 представлен пример рассчитанной зависимости изменения второго параметра Стокса 52 от угла наблюдения 9 при отражении света от образца № 1 для различных состояний поляризации света в падающем пучке: 1 — горизонтальная линейная {1,1,0,0}, 2 — линейная с азимутом п/4 {1,0,1,0}, 3 — циркулярно-поляризованное излучение {1,0,0,1}.

52, о.е. 0,6 0,4 0,2 0 -0,2 -0,4

-0,6 -0,8

-80 -60 -40 -20 0 20 9,

Рис. 2

Результаты демонстрируют ярко выраженную зависимость поляризационных характеристик полностью поляризованной компоненты отраженного света от угла наблюдения, при этом различие в поведении изменения отдельных параметров особо заметно в диапазоне 40—50°. К сожалению, использовать это различие для повышения достоверности обнаружения объекта не всегда возможно. Действительно, свойства отражающих поверхностей часто 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

Рис. 3

Для широкой области углов наблюдения было выявлено заметное различие степени поляризации света, отраженного от естественных объектов и исследуемых образцов. В среднем эти различия составляют 30 % для диапазона углов в 45°, при этом значение контраста порядка 2,5—3, что, безусловно, позволяет использовать этот фактор в целях повышения вероятности обнаружения.

Рассмотрена возможность построения изображения объекта на основе поляризационного контраста с подстилающей средой (фоном). Для обоснования сделанного предположения выполнены измерения параметра поляризации света, отраженного от нитроэмалевого покрытия,

позволившие отработать методику измерений и рассмотреть различие поляризационных характеристик образцов и естественных покрытий. Установленные различия могут быть использованы для повышения вероятности обнаружения объектов с нитроэмалевыми покрытиями на фоне подстилающей среды.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ВолохатюкВ. 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. Шутов А. М. Методы оптической спектрополяриметрии. М.: КомКнига, 2006. 232 с.

Сергей Андреевич Алексеев Сергей Александрович Кононов

Константин Геннадьевич Секарин Владимир Анатольевич Трофимов

Рекомендована кафедрой твердотельной оптоэлектроники

Сведения об авторах Санкт-Петербургский университет информационных технологий, механики и оптики, E-mail: asast@mail.ru

Санкт-Петербургский университет информационных технологий,

механики и оптики,

E-mail: sergei_kononov@yahoo.com

Санкт-Петербургский университет информационных технологий, механики и оптики

Санкт-Петербургский университет информационных технологий, механики и оптики, E-mail: troftu@mail.ru

Поступила в редакцию 03.03.08 г.