双域形状–偏振光学编码用于探测器复用宽场红外小目标成像

《Sensors》：Dual-Domain Shape–Polarization Optical Encoding for Detector-Multiplexed Wide-Field Infrared Small-Target Imaging

　　

中文摘要翻译 探测器复用宽场红外成像通过将多个子视场折叠到共同的焦平面区域来复用探测器面积，但混叠后的小目标的支路身份无法仅从强度获得。研究人员提出了一种双域光学编码，其结合了固定的由Zemax导出的点扩散函数（PSF）库与一个条件分配的线偏振码本。为了替代先前的特征级验证，研究人员开发了一个图像级辐射度模拟器，该模拟器在固定入射光子预算下生成四幅检偏器图像，应用镜面传递、通量损耗、泊松散粒噪声、背景、读出噪声以及物理多目标PSF叠加，然后重新提取形态学和Stokes观测量。1037个PSF样本按子视场划分为构造集、校准集和锁定测试集，分别为623、207和207个样本。偏振到视场的分配是通过对构造数据进行穷举9!搜索选择的，而复合权重和可分性阈值仅从校准数据确定。在25000次锁定目标级测试中，等权形式的复合解码器达到了95.936%的准确率（95%置信区间为95.684–96.174%），相比之下，仅强度、仅形状和仅偏振解码的准确率分别为10.836%、45.564%和88.720%。在校准阈值下，形状、偏振和复合码空间的有效容量分别为五、四和九。这些结果是仿真阶段的证据，需要通过实测红外通量和元件公差进行实验验证。

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一、研究背景与问题

宽场红外光学成像系统通常需要在保持足够采样率、灵敏度和定位精度的同时观测大角度范围。单纯增大焦平面格式并不总是理想选择，因为大型制冷红外阵列会增加成本、冷却需求、读出带宽和仪器体积。光学探测器复用提供了一条替代路径：将多个子视场（sub-FOV）折叠到共用探测器区域，从而复用探测器面积。然而，核心光学问题不仅是如何成像，更是如何在有意混叠后保留每个目标的子视场身份。

从信息编码角度看，只有折叠后的光路携带可区分且可校准的物理标签时，探测器复用才具有实用价值。纯强度测量提供的标记能力有限，因为多个子视场共享相同探测器坐标，且小目标测量易受低光子通量、背景结构、探测器采样和光学公差影响。因此，实用的复用红外成像仪需要紧凑的硬件标签、稳定的校准性能、兼容目标级检测，并能从含噪检偏器测量中恢复。

先前研究中，柱面调制机制被用于为不同子视场赋予视场依赖的PSF形态学标签，实现了混叠图像中的变形小目标识别与空间反演。另一方面，偏振分辨成像显示矢量域测量可提供超越标量强度图像的信息。然而，每种单域编码在折叠红外成像链中都有固有失效模式：形状编码在PSF相似性高、信噪比（SNR）低、探测器采样不足及多目标重叠严重时会减弱；偏振编码则对检偏器噪声、调制误差、部分偏振以及折叠红外路径中镜面引起的退化敏感。这些误差源并不相同，因此研究人员提出为每个子视场分配由PSF形状标签和Stokes矢量标签组成的复合编码。

二、关键技术方法概述

研究人员建立了一个双域光学前向模型，包含以下关键技术：采用Zemax软件生成视场相关的PSF库作为形状域编码基础；设计九个线偏振态构成的偏振码本，并通过镜面Mueller矩阵建模偏振传递；开发图像级辐射度模拟器，在固定入射光子预算下生成0°、90°、45°和135°四个检偏器通道图像，施加通量损耗、泊松散粒噪声、背景和读出噪声；利用马氏距离定义形状域距离，利用Poincaré球面角距离定义偏振域距离，并通过归一化复合距离进行编码分配和解码；采用独立构造集、校准集和锁定测试集的分区策略防止数据泄露。

三、研究结果

3.1 视场解码精度与鲁棒性

在25000次锁定标称试验中，仅强度、仅形状、仅偏振和等权双域解码分别达到10.836%、45.564%、88.720%和95.936%的准确率。复合结果的Wilson 95%置信区间为95.684–96.174%。在250、500、1000和2000个入射光子条件下，复合准确率分别为41.175%、72.863%、96.025%和99.875%。在50%和70%物理重叠概率下，准确率降至72.950%和62.138%。额外偏振扰动5°、10°和15°时复合准确率为94.938%、91.400%和85.600%；残余镜面参考旋转2°、5°和10°时分别为95.650%、94.600%和91.675%。自适应融合达到94.896%，低于等权复合解码器的95.936%。

3.2 校准、码容量与定位

校准扫描选择α=0.10，在预测95%成对正确率水平设定τ=0.417。原始质心和去卷积质心均方根（RMS）误差分别为1.543和0.043探测器像素。全支路感知RMS误差：仅形状248.554像素，仅偏振237.093像素，复合解码器119.620像素。复合中位数和第95百分位误差分别为0.034和0.105像素。在校准阈值τ=0.417下，形状、偏振和复合码空间的最大互可解子集分别包含五、四和九个码。最小归一化距离分别为0.219、0.390和0.485，复合距离将所有成对距离提升至校准阈值以上。

3.3 实际实现考量

主架构使用柱面调制元件、九个线编码态、折叠模块和四个同步线检偏器通道。在1000个入射光子下，四通道设计（通量η=0.46）达到95.936%，而六通道全Stokes替代方案（η=0.42）在12000次锁定试验中仅达89.433%。目标无需具备稳定固有偏振特征，因为视场码由光学编码器施加。主要局限性在于当前证据仍处于仿真阶段，PSF来自Zemax，镜面传递为建模所得，组件通量和探测器噪声为预设而非实测值。

四、总结与结论

本研究提出一种用于探测器复用宽场红外小目标成像的双域形状–偏振编码。该方法将偏振分配条件化于固定Zemax PSF库，并使用带有显式光子、通量、背景和读出噪声计量的四通道检偏器模型。单一归一化复合距离统辖分配、解码和容量分析。独立的构造、校准和锁定测试分区消除了之前将同一模拟群体重复用于设计和报告的做法。较简单的等权解码器因其95.936%的锁定准确率超过校准自适应消融而被保留。

研究结论翻译：本文提出了一种用于探测器复用宽场红外小目标成像的双域形状–偏振编码。修订后的方法将偏振分配条件化于固定的Zemax PSF库，并使用带有显式光子、通量、背景和读出噪声计量的四通道检偏器模型。单一的归一化复合距离现在统辖分配、解码和容量分析。独立的构造、校准和锁定测试分区消除了之前将同一模拟群体重复用于设计和报告的做法。较简单的等权解码器因其95.936%的锁定准确率超过了校准自适应消融而被保留。复合编码在校准推导的可分性阈值下恢复了所有九个支路，并将标称支路诱导的定位RMS降低至119.620像素。性能在低光子计数和高频物理重叠下下降，六通道替代方案在固定光子预算下表现较差。这些边界是结果的一部分。未来工作将测量组件通量和Mueller矩阵，制造中间像面偏振编码器，并在红外硬件原型上验证完整流水线。