多尺度水下偏振成像方法

水下偏振成像技术利用散射光偏振特性能够有效提高水下成像质量,在水下目标探测和识别领域具有重要应用价值.针对该技术在背景散射光和目标信息光分离时由于噪声放大现象导致重建图像质量受限的问题,提出多尺度水下偏振成像方法.该方法利用图像分层处理思想,结合小波变换的多尺度特性,对体现图像高对比度的基础层和低对比度但细节信息丰富的细节层分别进行处理,重建高对比度、高信噪比的清晰场景图像.实验结果表明,多尺度水下偏振成像方法不仅能够大幅提高对比度,复原图像细节信息,而且能够有效抑制放大噪声,提高重建图像的信噪比,在水下偏振成像领域具有良好应用前景.     

基于频谱信息的浑浊水下偏振成像技术

水体中悬浮粒子对光的散射导致浑浊水下成像质量下降。偏振光学成像技术可基于偏振信息分离散射光和信号光,是浑浊水下成像的有效方法。然而,现有的水下偏振成像技术主要从空域分离散射光和信号光,对于散射光的抑制效果较为有限。利用散射光和信号光在频域的差异性,基于对偏振图像频谱信息的处理实现了对后向散射光的有效抑制,从而实现了成像清晰度的显著提升。在不同浑浊程度水体环境下对于不同物体开展了多组实验,实验结果表明,所提方法相对于传统的水下偏振成像方法可更好地抑制后向散射光和凸显物体信号光,最终实现在浑浊水体环境下的清晰成像,尤其对于高浑浊水体,成像清晰度提升效果明显。     

基于Stokes矢量的实时偏振差分水下成像研究

偏振差分水下成像能够有效地克服光散射效应造成的图像退化问题, 在水下物体探测与识别领域具有重要应用价值. 传统的偏振差分方法靠光学检偏器的无规则机械转动来实现对散射背景的共模抑制, 限制了其在水下成像过程中的实时探测性能. 本文通过分析偏振差分探测原理来建立偏振差分成像模型, 从理论上提出了基于Stokes矢量的计算偏振差分水下实时成像系统, 并进行了实验验证. 研究结果表明, 基于Stokes矢量的计算偏振差分成像不仅与传统的偏振差分方法具有相同的水下探测效果, 更重要的是可以实现快速成像过程. 该方法可以应用到目前的偏振成像仪器系统, 实现无需人-机互动的自动化实时偏振差分水下成像, 进一步提高水下物体探测与识别的效率.     

全局参数自动估计的彩色图像偏振去雾方法

雾天环境下由于大气粒子对光线的散射作用导致成像质量下降, 针对雾霾等天气下图像退化问题, 提出了一种全局参数自动估计的彩色图像偏振去雾方法。利用不同角度的3幅偏振图像, 自动估算无穷远处的大气光和大气光的偏振度, 根据大气散射模型得到去雾后的图像。从RGB 3个色彩通道分别计算相应的参数, 使得算法适用于彩色领域。首先使用暗通道方法估计无穷远处的大气光和传输图, 并通过导向滤波对传输图优化; 然后基于大气光和目标光的不相关性, 采用全局搜索的方法估计大气光的偏振度; 最后根据大气散射模型恢复出清晰目标图像, 并利用对数变换进行增强。本文方法在雾霾天气下能够得到清晰的去雾图像, 且在浓雾天气下, 去雾图像的信息熵提升了约21%, 平均梯度提升了约2倍多, 标准差提升了约12%。实验结果表明, 本文方法较好地解决了人工取景估计参数不佳的问题, 提高了复原目标图像的清晰度和对比度, 可以用于彩色图像的目标探测与识别。     

基于双层多指标优化的水下偏振成像技术

无先验水下主动偏振成像方法能够实现目标信息光偏振度和后向散射光偏振度的自动获取,但该方法在反演过程中仅追寻高对比度这一单一指标,有时会导致自动获取的两项偏振反演参数过于相近,使图像复原效果不理想,且常伴有大量噪声.针对上述仅追求单一指标导致复原图像质量不理想的问题,本文提出一种基于双层多指标优化的水下偏振成像方法.首先,第1层以互信息和对比度为目标函数,基于多目标遗传优化算法自动获取偏振参数最优解集;其次,选择信息熵为第2层目标函数,遍历最优解集,获取偏振参数最终解,并将其代入成像模型,获取复原图像;最终,根据所获偏振参数之差,选取适当数字图像处理手段进一步提升复原图像质量.实验结果表明,无论背景区域存在与否,无论目标物偏振度高低,本方法均能有效增强图像细节,平衡各项图像质量评价指标,得到综合质量较高的复原图像.     

三自由度偏振差分水下成像技术

影响水下成像质量的核心因素是后向散射光的干扰。偏振差分水下成像技术能够显著抑制后向散射光,是在水下散射环境中获取清晰图像的有效方法。传统的偏振差分方法是基于两个正交偏振方向上的偏振图像进行差分的,该方法虽然对后向散射光有明显的抑制效果,但其调制自由度低,限制了成像质量的进一步提升。针对这一问题,提出一种改进型偏振差分水下成像方法,该方法基于两个最优偏振方向的偏振图像进行差分,并通过引入差分项的权重系数,最终实现具有三个自由度的偏振差分水下成像。实验结果显示,该方法相对于传统的偏振差分成像方法,可更好地抑制后向散射光、凸显物体信号光,最终实现了更高质量的水下清晰成像。     

水下目标物偏振成像特性研究

偏振图像比传统强度图像包含更丰富的物体表面反射及散射信息。用萨尔萨(SALSA)相机在自然光照下获取水下偏振图像，研究不同材质物体、放置深度、牛奶浓度及波段因素对水下目标物偏振成像的影响。结果表明:蓝色波段偏振成像能够较好地获取水下物体的边界轮廓等信息; 不同材质的目标物在水下呈现不同的偏振特性, 紫铜偏振度最高达0.69;在1.40 mg/L牛奶浑浊度的水下，偏振图像仍能通过比较目标物的偏振度(degree of polarization，DOP)信息来检测出水下目标物，瓷片的DOP仅降低0.31;此外，在水下约40 cm深度下，偏振成像获取的图像比强度图像轮廓更为清晰，如铁的偏振对比度比强度对比度高5.26%。     

融合偏振信息的多孔径水下成像算法

水下光学成像是探索水下奥秘的关键技术,但是环境中介质吸收和背向散射效应会造成图像严重退化.基于差分偏振的复原技术是水下图像复原技术的主要方法之一,通过正交偏振图之间的共模抑制实现背景散射光的抑制,但是相关研究表明该方法对于非均匀光场等情况的恢复效果一般,其原因主要在于非均匀光场条件下偏振度和强度的估计误差.针对上述问题,本文提出融合偏振信息的多孔径水下成像技术,该方法利用相机阵列实现虚拟大孔径成像系统,从而获取广角光场信息,进而融合场景的深度信息实现背景散射和偏振度的精确估计,估计参数值能更好地反映场景的全局特征.对浑浊水下环境中不同偏振度目标进行成像实验,与目前先进的复原算法进行对比,结果表明,本文方法能够有效克服水下非均匀光场带来的问题,得到高质量的复原结果.     

水下偏振成像技术实验教学化的探索

为提高光的偏振现象实验的应用性和拓展性,设计了基于水下偏振成像技术的教学实验．以观察光的起偏和检偏现象为目标,搭建水下偏振成像实验平台,基于斯托克斯理论,采集浑浊水体中目标的偏振子图像,计算偏振度,然后通过图像处理软件获取最终清晰成像结果．该实验综合了光的偏振特性相关知识和实际应用方法,实验效果明显,可操作性强,通过实验能够有效加深学生对该知识点的理解．     

凝视型水下激光成像后向散射光理论模型研究

建立了后向散射光在二维光敏面上能量分布的理论模型,结合典型水下激光成像系统,提出用像面表观衬比度来评价系统极限探测距离的方法,并推导了计算公式;通过选取水下激光成像系统的典型参量进行模拟计算,进一步讨论了系统主要组成部分的相对位置对像面表观衬比度分布的影响;得到像面表观衬比度与目标距离的关系曲线以及系统极限探测距离随海水衰减系数的变化曲线,从而估算出不同水质条件下系统的极限探测距离。模拟仿真数据与实际实验结果基本一致。     

水下运动目标激光扫描测距方法研究

相对于传统水下光电成像,水下激光扫描成像系统可以获得更远的作用距离和更好的图像质量.基于激光同步扫描技术,提出了水下运动目标的测距方法,并对测距误差进行了定量分析,为水下目标测距提供了一个新的途径.其中单探测头水下激光扫描测距方法能对合作目标进行测距,在近距离时具有较高的测距精度,双探测头水下激光扫描测距方法能对非合作...     

考虑探测器γ特性的光电偏振成像系统偏振信息重构方法

由于探测器响应的γ特性, 造成光电偏振成像中直接利用图像灰度重构的偏振信息与真实目标场景偏振信息的严重偏离, 基于重构偏振信息的后续定量化处理将完全失去意义. 为此, 提出了一种考虑探测器γ特性的光电偏振成像系统偏振信息重构方法, 分别针对分时和同时偏振成像模式分析了实现方法, 并设计进行了实际偏振成像实验. 实验数据表明: 探测器γ特性直接影响偏振成像系统重构的斯托克斯矢量和偏振度, γ值偏离1越大, 直接利用图像灰度重构的偏振度的重构误差也越大; 该偏振信息重构方法能够准确地重构出目标场景的斯托克斯矢量和偏振度信息, 为后续偏振成像的研究和定量应用奠定了理论基础.     

激光偏振主动探测及成像系统的误差研究以及系统的改进

利用Mueller矩阵,以三种典型目标为模型,全面分析了主动偏振成像系统的误差来源。在实验系统典型参数下,对偏振度误差进行了模拟。提出了利用标准偏振度目标校准系统参数的方法,提高了实验系统的精度。以仿真结果为基础,对实验系统进行了进一步的改进。通过对实验元件参数和位置的合理配置,该实验系统能够提供高精度的目标偏振度探测。误差分析结果为偏振成像实验系统元件参数的选择提供了重要的参考依据,同时也为实验系统的改进提供了理论支持。     

利用表面散射光偏振差异的目标识别技术

分析了不同物体散射场偏振特性的差异,依据消光定理的矢量微扰解方法将物体散射场分为零阶和高阶解,零阶反射光可完全保持入射光的偏振度,高阶散射则会导致偏振度的降低,因而总散射光的偏振度依赖于散射表面的粗糙程度。提出了利用斯托克斯-穆勒体系测量物体消偏特性的方法并通过实验对一些物体作了测量,实验结果表明：光滑表面可以较好地保留入射光偏振度,而粗糙表面则有很强的消偏作用,因此偏振成像方法可有效地提高目标探测和识别效率。     

近地面三阵子天线估计电磁波到达角和极化参数

从自由空间中的三阵子天线求入射电磁波极角和方位角的基本原理出发, 结合电场各个分量与极化方式之间的关系给出了左手极化波计算波达角的公式, 及地球表面上方三阵子天线判断入射波极化方向的方法; 本文提出了一种新颖的滤除地面反射波的方法, 保证了波达角的求解精度; 利用获得的高精度的波达角和测得的电场强度, 计算出了电磁波的各种极化参数, 这些极化参数可以作为电离层研究和电磁波在电离层中传播研究的参考. 关键词： 地球表面 三阵子天线 波达角 极化参数     

多尺度奇异值分解的偏振图像融合去雾算法与实验

针对现有偏振去雾算法鲁棒性不强和图像增强效果有限的问题,提出一种基于多尺度奇异值分解的图像融合去雾算法.首先,利用偏振测量信息的冗余特性,采用最小二乘法,提高了传统偏振图像去雾算法中偏振信息的准确度;然后,从传统偏振图像去雾算法的局限性出发,定性分析了偏振图像融合去雾的可行性,并提出了一种基于多尺度奇异值分解的偏振图像...     

水下对空成像的光学计算模型

海面波浪对光线的扰动以及海水对光的吸收和散射对水下对空成像有重大影响。建立了水下对空成像的光学计算模型，采用基于PM谱的海浪模型和基于小角度散射理论的水下辐射场传输模型，利用光线追迹分析波浪对光线的扰动，得到了像面照度的分布。仿真结果的分析表明，像面上的照度由视场中心向边缘递减，并随成像深度增加按指数衰减，海浪对图像的破坏程度在消光边界附近最大。