一种基于偏振解析的三维表面重建方法

提出用解析反射光偏振图像来重建透明物体表面形状的原理及实现方法。从物体表面反射的光具有一定的偏振特性,偏振特性的不同反映了物体的形状和反射特性的不同,这两者之间存在一种必然的联系。通过分析物体表面反射光的偏振分布,可以得到物体的表面形状。依据菲涅耳反射公式,推导出偏振度与物体表面法线间的函数关系,据此构建相应算法,对由CCD照相机拍得的被测物体的偏振灰度图像进行处理,重建出被测物体的表面形状。实验结果证明提出的方法是实用且有效的。     

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。     

界面反射光的偏振态分析

首先利用菲涅尔反射公式,给出界面反射光s分量和p分量的光强反射率公式。然后分析并推导出自然光和部分偏振光分别入射介质界面时,反射形成的部分偏振光偏振度的一般表达式。对反射光偏振度的模拟分析表明,当自然光入射时,随入射角增加反射光的偏振度先增大后减小。当部分偏振光入射时,若I_sI_p,随入射角增加反射光的偏振度也是先增加后减小;若I_sI_p,则随入射角增加,反射光的偏振度呈现两次减小、两次增加。在正入射和掠入射的情况下,反射光的偏振度均与入射光的相同;在布儒斯特角入射的情况下,反射光的偏振度均为1,即线偏振光。最后,对线偏振光入射的情形进行了理论分析和模拟。结果表明,从光疏入射光密介质时,反射线偏振光的振动方位角随入射角增加单调增加。从光密入射光疏介质时,若入射角小于全反射临界角,反射线偏振光的振动方位角也随入射角增加而增加;若入射角大于全反射临界角,则随入射角增加,反射形成的椭圆偏振光的椭圆率先增大后减小。反射光偏振态的这些变化规律,对改造光的偏振态以及反射光偏振态信息的应用具有实际意义。     

基于偏振光成像的材质分类研究

为了降低偏振光成像技术的使用要求,提出了一种环境光照明条件下研究材质分类的方法。根据菲涅耳反射定律,目标表面的反射光带有偏振成份,采用偏振成像探测偏振角得到探测器与反射面的方位角,对偏振片的4个方向强度进行补偿得到被测表面对应的水平与垂直偏振度,通过测量反射光的反射偏振度与反射率比可以分类出目标材质。对橡胶板和金属铝板两种不同材质目标的反射偏振度与反射率比进行了仿真模拟与实验研究,研究结果表明金属与非金属在一定观测角度范围内存在明显的反射率比差异,采用菲涅耳反射率比作为衡量依据可以更有效区分金属与非金属目标。     

正交偏振法消除生物组织表面反射光的研究

应用光谱方法测量生物组织成分时, 信号的拾取一般有两种方法：透射法和反射法。其中,根据光纤测头与生物组织接触与否,反射法分为接触和非接触两种形式。接触测量时, 只有携带了组织信息的深层反射光进入测头, 但接触测量中压力、温度等变化会导致测量条件的变化,进而影响光谱数据的稳定性;非接触测量时, 虽然克服了接触压力、测头温度等对测量的干扰,却会导致不携带光与组织相互作用信息的表面反射光进入测头,由于表面反射光强度高且集中,将会影响检测器的动态范围。因此非接触测量的最大问题是如何有效地消除生物组织表面反射光的影响。针对非接触测量中生物组织表面反射光的消除方法进行了系统研究, 对课题组之前提出的正交偏振法进行了理论和实验分析。首先,以不同被测物为对象,研究了表面反射光的偏振态,结果表明表面反射光的偏振度与表面粗糙度密切相关,表面粗糙程度越小,偏振度越高,由此推断出,经表面光滑的Intralipid溶液反射后的表面反射光具有保偏特性;然后,以Intralipid-20%溶液为被测对象,对正交偏振法消除表面反射光的效果进行了研究,实验结果显示正交偏振法可以消除97%以上的表面反射光;最后,比较分析单波长下不同源探距离处的接触和非接触式光谱测量曲线,二者高度重合,这一现象进一步说明了正交偏振法消除表面反射光的有效性。该研究通过评价正交偏振法消除组织表面反射光的能力,旨在消除接触式漫反射光谱检测中测量条件变化对测量的影响,以期推动近红外无创光谱检测技术的进一步发展。     

粗糙目标表面红外偏振特性研究

红外偏振成像可突显目标、识别真伪,准确掌握目标红外辐射偏振特性可有效提高目标的探测识别概率。针对现有目标红外辐射偏振特性模型未考虑粗糙表面导致的遮蔽效应的问题,本文基于微面元双向反射分布函数模型,利用穆勒矩阵构建出含有遮蔽函数的粗糙表面红外辐射偏振度的斯托克斯解析模型。针对光线表面粗糙度和入射角对金属和非金属目标红外辐射偏振度的影响进行定量分析。分析结果表明:无论是金属还是非金属,其红外自发辐射偏振度都随粗糙度的增大而减小,非金属自发辐射偏振度下降的幅度大于金属偏振度;当粗糙度及温度相同时,金属的红外辐射偏振度始终大于非金属;红外辐射偏振度先随入射角的增加而增加,而后在特定入射角下达到峰值,超过一定入射角后,偏振度大幅下降,金属和非金属的红外辐射偏振度间的差异在一定入射角度范围内将达到最大,这有助于区分金属与非金属。最后,利用长波红外微偏振成像系统和近红外偏振成像系统进行不同场景目标的图像采集,获取目标的红外辐射偏振特性,实验结果与理论分析结果基本吻合。本文对研究目标偏振特性、优化设计红外偏振系统以及后续偏振图像处理均具有重要意义。     

利用分光计测反射光的偏振特性

当光照射到物体时,由于物体表面的反射作用,我们将会得到偏振光.这种光是部分偏振光.研究偏振光的特性可以让我们认识物体的状态或鉴别某种物质,因此,研究偏振光是非常具有现实意义的.本文将介绍用分光计测反射光的偏振特性,研究其随入射角变化的关系,并粗略验证菲涅尔公式.     

共路外差法分析牛顿望远镜偏振特性

应用共路外差干涉法分析了牛顿望远镜的偏振特性。根据菲涅耳定律求出了入射光s-偏光和p-偏光入射到望远镜各点的反射率公式。给出了共路外差干涉法测量牛顿望远镜偏振特性的实验装置原理图。采用632.8nm的外差光源,分析了牛顿望远镜对s-偏光和p-偏光反射系数、相位差以及对入射光偏振度的影响,根据入射角度的不同绘制了相应的变化曲线。结果表明：镀有铝膜的牛顿望远镜对入射光偏振特性影响较小,s-偏光和p-偏光反射系数相差不到0.01,偏振度变化不超过0.07,适用于激光遥感偏振成像的接收系统。     

全自动偏振光实验仪

设计了一种根据光强值大小来测定布儒斯特角和演示反射光偏振特性的全自动偏振光装置。通过对比不同入射角度的反射光光强得出反射介质的布儒斯特角;通过对比入射光与反射光的光强变化得出反射光是部分偏振光且是部分点偏振。结果表明,布儒斯特角的实验值与理论值的相对误差为1.44%;该装置能够直观演示反射光的偏振特性。     

基于自适应条纹投影的彩色物体三维形貌测量

针对三维形貌测量技术中彩色物体表面反射率的非均匀性影响测量结果的问题,提出一种基于自适应条纹投影的三维形貌测量技术,该方法可避免彩色物体表面反射率非均匀的影响,提高系统的测量精度。彩色相机采集RGB光强图像,并根据物体表面颜色的反射特性计算每个像素点的最优投射光强和颜色;采集水平和垂直的正弦条纹序列,利用计算所得绝对相位值将相机图像坐标系中每一个像素点的最优投射光强和颜色映射到投影仪像素坐标系;投射自适应条纹序列进而测量彩色物体的三维形貌。实验结果表明,该方法能够有效测量彩色物体三维形貌,具有很高的测量精度。     

转换反射中光自旋霍尔效应的自旋堆积方向

从理论上和实验上研究了转换反射中光自旋霍尔效应的自旋堆积方向的方法,建立了描述光束在空气-棱镜界面反射的自旋堆积模型,揭示了横移与光束入射偏振角的定性关系。研究发现,当入射角小于布儒斯特角时,随着入射偏振角的逐渐增大,自旋堆积的方向发生反转。而当入射角大于布儒斯特角时,自旋堆积的方向不再随入射偏振角的变化而反转。结果表明,在光束入射角为确定值且小于布儒斯特角的情况下,可以通过调控光束的入射偏振角转换自旋堆积的方向。转换自旋堆积方向的研究为有效调控光自旋霍尔效应提供了新的途径。     

利用一种偏振方法减小由强反射或弱反射强度引起的植被反演误差

无论是多角度遥感的发展、还是偏振、高光谱遥感的发展,它们有一个相同的目的,即利用电磁波的种种特性、以及空间特性来对地球表面的一切地物进行精确的识别。任何单一的方法和手段不可能完整地描述和反映地物的所有特征。偏振测量是目标测量识别技术中不可缺少的技术之一,并且成为近年来全世界目标识别领域中的研究热点。由于定量遥感的反射强度对植被遥感的影响不可忽视,反射辐射信号呈现饱和或过弱都不能被检测到。而偏振是植被定量遥感的重要手段,因而有必要开发一种克服由反射强度强弱引起的植被反演误差的方法,这也是我们目前的研究目标。如果反射的辐射信号太强或太弱,都会影响遥感的准确性,而来自植被的偏振光可以提供有用的信息,特别是当反射的辐射信号饱和时,使得传感器不能获得足够有用的非偏振信息。本研究采用基于地面的偏振成像光谱仪系统,开发了一种偏振方法来克服反射强度过强过弱引起的植被反演误差。利用FISS-P偏振成像光谱仪系统研究了反射强度对遥感植被NDVI和DoLP效用的影响,实验地点在北京市中国科学院奥林匹克科技园。在对目标采样时对反射率强,反射率弱以及反射率适中的植被分别测量,同时对目标植被的不同波段(470, 555, 670, 864 nm)的DoLP进行计算与分析。地基成像光谱仪系统(FISS-P)提供了具有偏振信息的高空间分辨率图像,我们可以确定在阴影和强反射区域中单个像素的光谱偏振特性。在成像光谱信息的基础上,利用光的偏振性来对地物的物理特性进行分析。本文使用斯托克斯分量来表征反射光的各个偏振分量,使用线偏振度(DoLP)表征反射光偏振程度。信号饱和度和阴影效应导致归一化植被指数(NDVI)植被密集程度非常低,造成严重的反演误差,然而强反射对线偏振度(DoLP)的影响不大。研究结果表明,反射辐射信号饱和时,偏振效应可以通过适当的频带提高植被的反演精度,平均NDVI的相对误差为33.8％,而DoLP(670 nm)的相对误差仅为6.3％,而其他波段的DoLP(555 nm,864 nm)的相对误差要大很多。这项研究结果表明,在植被识别时可以忽略强反射,然而,阴影(弱反射)效应是不容忽视的。FISS-P偏振成像光谱仪是用于计算具有不同反射强度的样品类型的偏振和非偏振参数的有效工具,同时发现在识别植被时,强烈的反射可以忽略不计,但是植被的阴影(弱反射)效应不容忽视。与非偏振方法相比,偏振效应可以提高反射辐射信号饱和时的植被反演精度。这项研究分析了使用偏振法强弱反射强度引起的误差减少。为了进一步揭示植被的阴影(弱反射)效应与DoLP之间的关系,还有一些问题需要解决。     

基于最大和最小光强图像的偏振去雾方法

相对于传统光学探测技术,偏振探测在目标探测、识别方面有着独特的优势。针对雾、霾等天气下图像退化的问题,提出一种利用偏振信息的图像去雾方法,通过获取3个角度下目标的偏振图像,求解出场景目标的斯托克斯矢量,从斯托克斯矢量与穆勒矩阵的关系出发,分析偏振图像光强随着偏振角度的变化规律,获取最大和最小光强下的正交偏振图像,利用偏振滤波和亮通道先验方法分别估算大气光偏振度和其无穷远处大气光强值,最终重构出无雾图像。实验结果表明,在雾霾天气下,利用获取的正交偏振图像能够重构出清晰的图像,且重构图像的平均梯度和边缘强度均提升了约3倍,灰度标准差提升了约88%。     

偏振光在非球形气溶胶中传输特性的Monte Carlo仿真

非球形气溶胶是影响辐射传输的重要因素. 系统给出了矢量辐射传输Monte Carlo模型, 并验证了其准确度; 考虑入射光偏振态, 讨论了不同方向漫射光Stokes矢量对气溶胶形状的敏感性; 分析了气溶胶形状、入射光偏振状态对光波退偏振度、透过率及反射率的影响. 模拟仿真结果表明, 对于不同偏振态的入射光, 不同方向的Stokes矢量对气溶胶形状变化的灵敏程度并不一致, 而在天顶角0°方向区域,Q, U及V分量对形状的灵敏程度普遍不高; 气溶胶形状对反射漫射光退偏程度的影响强于透射漫射光, 入射光偏振态不同, 漫射光退偏程度也存在较大差异. 气溶胶形状对光波整体透过率与反射率影响显著, 且该影响随传播距离增大而增大; 入射光偏振态对透过率与反射率影响相对较小, 与自然光相比, 水平偏振光透过率略偏小, 反射率略偏大, 垂直偏振光反之, 圆偏振光与自然光的模拟结果相当.     

多角度探测的不同材质表面偏振特性实验分析

相比于强度探测,使用偏振探测的方法能有效增强地物目标(如伪装目标)识别的准确性。设计并搭建偏振特性测试系统,对铁板、玻璃板、绿漆涂层铁板、绿漆涂层玻璃板、草皮这5种目标进行多角度偏振成像实验。首先,通过旋转偏振片将入射光源设置为完全线偏振光。其次,在偏振相机镜头前加滤光片,来获取同一中心波段下5种材质在各个探测天顶角、探测方位角下的图像。最后,将获得的偏振图像进行偏振度计算。结果表明,不同材质的保偏特性不同,且物体偏振度只与材质表面涂层有关,与内部组成成分无关;在镜面反射方向,目标的偏振度最大。这说明偏振光探测能作为材料分类的依据,可应用于遥感探测、物证搜寻等方面,还对反偏振侦察的特殊伪装材料制作有一定指导意义。     

基于激光偏振特性的水下声信号探测方法研究

水下航行体辐射的声波传播到水-空气分界面上时,会在水表面形成微扰,使水表面元产生微倾角.提出一种利用激光偏振特性对水下声信号进行探测的方法,不直接利用散射光强信息,而是利用激光在布儒斯特角附近入射水表面时,反射光偏振特性随入射角剧烈变化的特点对水表面微扰进行高精度探测.建立了该方法的理论模型,得到了入射波、出射波垂直分...     

光波p分量在单轴晶体表面反射和折射的相位特性

根据单轴晶体的双折射和双反射性质,通过数值计算研究了光轴在入射面内并与晶体界面成任意角时光波p分量在单轴晶体表面反射和折射的相位特性.结果表明,光轴取向对相位变化有较大影响,光从光疏各向同性介质射入单轴晶体时,光轴方向改变反射光p分量的相位突变点,但对折射光p分量相位无影响.光从光密各向同性介质射入单轴晶体未发生全反射时,光轴方向同时影响p分量反射光和折射光的相位突变|发生全反射后,光轴方向影响反射光p分量的相位变化曲线.从单轴晶体出射到光疏各向同性介质未发生全反射时,光轴方向改变反射光p分量的相位跃变规律,折射光p分量在光轴方向和晶面成小角度时在布儒斯特角附近发生相位突变|发生全反射后,反射光p分量的相位变化曲线随光轴方向的改变发生较大变化.     

Electrically-Controllable Liquid Crystal Polarizing Filter for Eliminating Reflected Light

A high-speed controllable polarizing filter has been developed to eliminate obstructive polarized light reflected from glass and watery surfaces for image pickup in video media program producing and marine dynamic remote sensing. In this device, the polarization plane of incident light is rotated through 0°, 45°, 90° or 135° by an electrically-controllable polarization rotator composed of 45° and 90° twisted nematic liquid crystal cells, and the polarization component of reflected light is absorbed by a fixed polarizing film. It selectively absorbs more than 80% of incident white light linearly polarized in an arbitrary direction. With the drastic reduction of reflected light, the object images hidden by the bright reflected light are clearly captured in real time. Another type of polarizing filter, using a guest-host liquid crystal cell instead of the polarizing film, controls light absorption as well as polarization angle.