基于偏振的金属伪装目标识别技术

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1、基于偏振的金属伪装目标识别技术第二章偏振检测的原理与分析§2.1偏振的基本概念及分类电磁波是矢量波，完全描述电磁波必须指明电磁场中任一点、任一时刻电磁波矢量的方向，在雷达领域一般用极化来描述电磁波的矢量方向。所谓极化，是指空间电磁波的时变电场矢量的幅度大小和方向随传播方向变化的情况。对应于电磁波中的极化，光学中称之为偏振。偏振是电磁辐射矢量性质的体现，即在与电磁波传播方向垂直的方向上，它具有方向敏感性，它也是电磁波横波性质的必然结果。偏振的电磁辐射是由沿同一方向传播且在与传播方向相互垂直的不同方向上具有不同位相和振幅的全体电磁波相互

2、作用的结果。根据偏振电磁波的性质可以把偏振分为线偏振、圆偏振和椭圆偏振。线偏振是指偏振电场的振幅分量始终在与电磁波传播方向垂直的平面内，且该平面的法线方向不随时间变化，所以在与传播方向垂直的平面内电场分量投影为直线。圆偏振是指电磁波在与传播方向垂直的方向上具有不变的电场振幅大小，但电场方向随时间而旋转，因此在与传播方向垂直的平面内电场分量的投影是一个圆，圆偏振与两个振幅相互垂直且具有固定位相差的电磁波具有相同的效果。椭圆偏振是指电场分量在与传播方向垂直的平面内的投影不仅随时间而旋转，而且振幅也随时间变化。§2.2偏振参量的描述方法截

3、至目前科研工作者已介绍了几种定量化描述偏振参量的方法，最常见的有三角函数描述法、Jones矢量描述法、Stokes矢量描述法和Poincare球图示描述法。四种数学描述方法各有其特点，可以视具体情况选择。2.2.1偏振的Jones矢量描述偏振光最一般的形态是椭圆偏振光，因为线偏振光和圆偏振光都可以看作是椭圆偏振光的特例。因此可以从讨论椭圆偏振光的矩阵表示法着手。设沿z轴传播的椭圆偏振光的光矢量在x、y坐标轴上的投影分别为(2-1)略去公因子，用复振幅表示为(2-2)正如普通二维矢量可用由它的两直角分量构成的一列矩阵表示一样，任意偏振

4、光可以由它的光矢量的两个分量构成的一列矩阵来表示，此列矩阵称为Jones矢量。它是美国物理学家琼斯（R.C.Jones）在1941年首次提出的，表示为(2-3)所以偏振光的强度可以表示为(2-4)由于我们感兴趣的是相位差和振幅比，可以将上式公因子提取出来得到更简洁表示式(2-5)式中Jones表示法最重要的应用是计算偏振光通过偏振器后偏振态的变化。偏振器的特性可以用一个2×2矩阵来描述。该矩阵称为偏振器的Jones矩阵。Jones表示法的应用可用图2-2-1表示，设入射光的光矢量(2-6)经偏振器出射的光矢量(2-7)偏振器P在和之

5、间起着变换作用。若变换是线性的，出射光的两个分量和是入射光的两分量和的线性组合，可以表示成以下形式(2-8)其中、、、是复常数。将上式写成矩阵形式(2-9)或写成(2-10)式中(2-11)所以一个偏振器件的特性可以用Jones矩阵P来描述。如果偏振光相继通过几个偏振器，它们的Jones矩阵分别为、、…、，则出射光的Jones矢量可用由矩阵相乘得到：(2-12)2.2.2Stokes矢量描述理想的单色光一定是偏振的。对于偏振光，随着时间的推移，电场矢量的端点在空间沿着一个椭圆做周期旋转，其中的特例就是椭圆退化为圆或直线。而对非偏振光

6、而言，电场矢量终点的运动没有任何规律，即在电场矢量与传播方向垂直的平面上的投影不具有方向性。完全偏振和非偏振是两种极端情况，对大多数情况而言，光场矢量方向的改变既不是完全有规律的也不是完全没规律的，这样的光称为部分偏振光。考虑准单色平面电磁波(2-13)其中代表传播方向上的单位矢量。若上式代表的平面波是时间谐波，选z轴在方向上，和的笛卡尔空间轨迹为(2-14)其中τ代表位相因子的复数部分，即(2-15)式(2-13)代表椭圆偏振的光波，特别地当时，椭圆退化为直线，代表线偏振光。当，时，分别代表右旋（）和左旋（）圆偏振光。1852年，

7、Stokes在关于部分偏振光的研究中引进了Stokes矢量来表征偏振态。相对于Jones矢量用振幅和相位描述光波的偏振态，Stokes矢量则利用4个参量（Stokes参量）描述光波的偏振态和强度。与Jones矢量的参量不同的是，Stokes参量均是光强的时间平均值，具有强度的量纲，可以直接被探测器探测。在偏振遥感技术应用领域，一般采用Stokes矢量分析准单色平面波的偏振状态，也就是说可以描述完全偏振光、部分偏振光以及自然光。Stokes矢量可以表示为（2-16）其中：各分量与光波电场的关系为（2-17）式中：和分别是光波电场沿x轴

8、和y轴的分量（z轴为光的传播方向）。I代表光的总强度，Q代表水平（x轴）偏振和垂直（y轴）偏振间的强度差，U代表光线偏振部分方向在45°（xoy平面内与x轴成45°）和-45°之间的强度差，V代表光的左旋和右旋圆偏振分量的强度差。为了