Methoden mit Polarisation

Aus Wissen gegen Minen

Die folgenden Ausführungen basieren auf einer Vorlesung von Dr. Kurt Beier bei der Carl Crantz Gesellschaft und wurden von ihm mit freundlicher Genehmigung zur Verfügung gestellt.

Infrarot-Polarisation

Polarimetrische Infrarot-Sensoren zum Auffinden künstlicher Objekte

Ein kritischer Punkt beim Einsatz von Infrarotsystemen ist das Finden von Objekten z.B. Landminen auf der Oberfläche, wenn diese in Hintergrundstörungen (Clutter, wie z.B. Gras) eingebettet beobachtet werden müssen. Zeichnet sich das Signal des Objektes nicht gegen den Hintergrund im IR ab, das heißt bei zu geringem Kontrast in der IR-Szene überhaupt (Temperatur von Objekt und Hintergrund sind annähernd gleich), kann das Objekt auch nicht gefunden werden. Andererseits ist die Strahlung der Objekte weitgehend polarisiert, wohingegen die Strahlung der meisten Hintergründe unpolarisiert ist. Dies bietet die Möglichkeit simultane Messungen der Intensität und der Polarisation der IR-Strahlung durchzuführen, die in vielen Fällen einen höheren effektiven Bildkontrast für das Auffinden des Objektes ermöglichen als 'Nur-Intensitätsdaten'.

Die IR-Szenen enthalten sowohl reflektierende als auch emittierende Anteile. Im sichtbaren Spektralbereich hingegen werden die Szenen nur im reflektierten Licht betrachtet. Die Polarisation von reflektierter Strahlung an einer glatten Oberfläche wird durch die Fresnel’schen Formeln beschrieben. Die reflektierte Strahlung wird hierbei in Abhängigkeit vom Einfallswinkel und dem komplexen Brechungsindex durch die Komponenten der Polarisation senkrecht und parallel zur Einfallsebene berechnet. Speziell wenn unpolarisierte Strahlung mit dem Brewsterwinkel einfällt, dann ist die reflektierte Strahlung vollständig senkrecht polarisiert. Ist die betrachtete Fläche jedoch senkrecht zur Beobachtungsrichtung orientiert, so wird keine polarisierte Strahlung erzeugt. Es ist hierbei wichtig festzustellen, dass die Polarisation durch Fresnel'sche Reflexion und Emission nur dann auftritt, wenn die Oberfläche des Materials glatt ist, d.h. Rauhigkeitsmaß Wellenlänge. Die Polarisation von emittierter Strahlung ist nicht so gut bekannt, ist jedoch ebenso eine Folge der Fresnel-Gleichungen, denn bei Anwendung des Kirchhoff'schen Gesetzes sind die reflektierenden und emittierenden Komponenten jeder Polarisationsrichtung miteinander verknüpft.

Die Unterschiede in der Polarisation sind im IR weitgehend unabhängig von dem Intensitätskontrast und können so zur Detektion und Erkennung künstlicher Objekte, wie z.B. Fahrzeuge oder Minen, bei geringem Intensitätskontrast oder starken Hintergrund-Clutter eingesetzt werden. Die Beispiele zeigen, dass zusätzlich zur Temperaturverteilung, die dreidimensionale Information der Objekte in Echtzeit empfangen und dargestellt werden kann. Die Ergebnisse zeigen ebenfalls, dass die Polarisationsdaten brauchbare Kontraste erzeugen, die ausreichen um künstliche Objekte vom Hintergrund zu unterscheiden und um verschiedene Orientierungen der Oberfläche zu erkennen.

Die Phänomenologie die zur Polarisation der Strahlung im Infraroten führt ist die gleiche wie im sichtbaren Spektralbereich, jedoch komplizierter, da die IR-Szenen sowohl reflektierende als auch emittierende Anteile enthält. Im sichtbaren Spektralbereich hingegen werden die Szenen nur im reflektierten Licht betrachtet. Die Polarisation von reflektierter Strahlung an einer glatten Oberfläche wird durch die Fresnel’schen Formeln beschrieben. Die reflektierte Strahlung wird hierbei in Abhängigkeit vom Einfallswinkel und dem komplexen Brechungsindex durch die Komponenten der Polarisation senkrecht und parallel zur Einfallsebene berechnet. Speziell wenn unpolarisierte Strahlung mit dem Brewsterwinkel einfällt, dann ist die reflektierte Strahlung vollständig senkrecht polarisiert. Ist die betrachtete Fläche jedoch senkrecht zur Beobachtungsrichtung orientiert, so wird keine polarisierte Strahlung erzeugt. Es ist hierbei wichtig festzustellen, dass die Polarisation durch Fresnel'sche Reflexion und Emission nur dann auftritt, wenn die Oberfläche des Materials glatt ist, d.h. Rauhigkeitsmaß Wellenlänge. Die Polarisation von emittierter Strahlung ist nicht so gut bekannt, ist jedoch ebenso eine Folge der Fresnel-Gleichungen, denn bei Anwendung des Kirchhoff'schen Gesetzes sind die reflektierenden und emittierenden Komponenten jeder Polarisationsrichtung miteinander verknüpft. Die Unterschiede in der Polarisation sind im IR weitgehend unabhängig von dem Intensitätskontrast und können so zur Detektion und Erkennung künstlicher Objekte, wie z.B. Fahrzeuge oder Minen, bei geringem Intensitätskontrast oder starken Hintergrund-Clutter eingesetzt werden. Die Beispiele zeigen, dass zusätzlich zur Temperaturverteilung, die dreidimensionale Information der Objekte in Echtzeit empfangen und dargestellt werden kann. Die Ergebnisse zeigen ebenfalls, dass die Polarisationsdaten brauchbare Kontraste erzeugen, die ausreichen um künstliche Objekte vom Hintergrund zu unterscheiden und um verschiedene Orientierungen der Oberfläche zu erkennen.

 Physik der Polarisation
 Polarimetrie im Infrarotspektralbereich
 Polarimetrische IR-Kameras
 Polarimetrische IR-Eigenschaften von Zielen und Phänomenologie
 Polarimetrische IR-Eigenschaften von natürlichem Hintergrund
 Simulation von polarisierten IR-Szenen
 Auswertung mit polarimetrischen IR-Bildern