不同材质的偏振成像特性实验研究

偏振成像具有很多强度成像所不具备的优势,在某种特定背景下能够更加突显目标,是研究地表、大气等领域的良好辅助手段。在红（670 nm）、绿（530 nm）、蓝（450 nm）这3种比较典型的可见光波段下,采用旋转偏振片求取斯托克斯矢量的方法,分别对草地,石板,沥青地面,玻璃,橡胶和铁板6种材质做了偏振特性成像实验,并对它们的偏振度以及偏振度对比度进行了详细分析。实验结果表明,在某种背景下,目标的某些部分在强度成像中不易观测到,而偏振图像具有足够的亮度信息,包含了丰富的细节信息,更加易于人眼识别;另外,偏振成像特性与目标材质、观测时刻、成像波段均有较大关系。     

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.     

一种全局参数估计的水下主动偏振去雾算法

为改善水下主动光照明条件下后向散射光对成像的影响，通过分析水下主动偏振成像模型，提出一种基于拟合函数的全局参数估计的水下主动偏振去雾算法。该算法结合图像增强作为图像预处理，再设定二元多项式函数，利用最小二乘法进行后向散射光偏振度变量的拟合求解，得到对比度更高、信息更丰富的水下复原图像。实验结果表明:该算法可有效改善主动光照明条件下的水下图像质量，提高图像对比度，复原被淹没的细节信息，复原图像的图像增强测量值较以往算法相比提升70%，且能适用于不同浓度介质的情况。     

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。     

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.     

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.     

多光参量测量成像技术用于雾霾天气的实验研究

针对雾霾天气条件下目标对比度下降问题,研制成功了一套多光参量测量成像系统。通过多光参量成像的系统级辐射响应模型及模型参数分离式标定,实现雾霾天气情况下的多种场景目标成像实验观测。结果显示:楼房玻璃反射光中的偏振分量相对较强,通过线偏振、圆偏振、偏振角图像,可以清晰地分辨玻璃窗结构;普通的强度信息很难辨别雾霾天气下的路口车辆,在线偏振及偏振角图像中能够看到车辆,但是掺杂了树木的偏振信息,车辆信息较模糊;在圆偏振信息图像中,树木的圆偏振信息较少,车辆目标对比度提高20%。     

微光偏振成像系统设计及实验

为了实现对运动目标或变化场景的同时成像,根据偏振成像原理,基于孔径分割技术设计了一套微光偏振成像系统.开展了微光偏振成像实验,在实验室条件下定性分析了偏振成像的优势,研究了不同照度下偏振成像的准确度.通过改变偏振出射光束的照度,运用获得的偏振图像计算了该照度下光束的偏振度和偏振角.与真实偏振度、偏振角信息对比分析表明,当环境照度大于10-2 lx时,偏振成像能够比较准确地还原场景的偏振信息,改善微光成像质量.经过优化,该系统MTF在56lp/mm处所有视场下均不小于35%.     

基于偏振信息探究水下环境气泡群对目标成像的影响

水下光学成像是海底探索和目标识别的一个重要方式.由于海浪、船舶尾流以及海洋生物游动与呼吸等原因,存在着大量的气泡.气泡群的光散射作用往往会使水下目标成像效果受限、难以识别,并且一般的光学技术难以消除气泡对成像的影响.针对上述问题,本文先从理论上推导和仿真了入射光线在水下单气泡、气泡群中以及目标表面的光强和偏振信息的变化;然后在构建了水下气泡实验平台的基础上探究了光源入射角度的改变以及成像波段的变化对气泡环境中目标偏振成像的影响;研究了不同金属材质目标物的强度和偏振信息的变化趋势;分析了水下目标在不同气泡群厚度条件下强度和偏振信息的变化趋势;最后利用偏振特征提取与视觉信息保留的图像融合方法抑制气泡对水下目标成像的影响.实验结果显示气泡群中目标成像会受到多种因素的影响,利用偏振图像融合方法会使气泡群受到较好的抑制,并提高了水下目标的清晰度.     

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。     

浅海被动水下偏振成像探测方法

针对传统被动水下偏振成像方法忽略水体对光的吸收效应,成像结果中存在严重的色彩失真,且并未深入发掘利用背景散射光中包含的场景信息的问题.提出浅海被动水下偏振成像探测方法,该方法从水体中背景散射光的传输特性出发,分析场景深度信息与散射光的物理关系,建立基于深度信息的水下Lambertian反射模型,实现无色彩畸变的水下目标场景清晰成像探测.实验结果表明,该方法能够提供接近水下目标真实色彩、符合人眼视觉特性的清晰探测结果,提高水下成像探测能力.     

Optical Imaging and Tissue Characterization with Polarization Discrimination of Time-Gated Signals

In this paper we demonstrated the effectiveness of imaging in a tissue phantom with isotropic scattering using polarization discrimination combined with the time gating method. This simple polarization discrimination technique was shown ineffective when it was applied to filamentous tissues. In this situation, we utilized the time-gated degree of polarization (DOP) imaging technique to show that the DOP measurement was quite effective for high-quality imaging of objects in filamentous tissues. We also applied this technique to the characterization of myocardial tissues and showed the difference between normal and abnormal tissues. In addition, we demonstrated a novel method for target depth determination in a turbid medium based on co-polarized light measurements. This method relied on the strong dependence of transmitted co-polarized intensity on target depth.     

自适应多波段偏振图像融合研究

为综合利用不同波段的偏振信息，以便有效地去除背景杂波的影响，提高目标检测的效果，提出一种基于伪彩色映射和窗口线偏振度熵为系数的自适应加权多波段偏振参量图像融合方法.该方法是根据目标和杂乱背景的特性及多波段成像偏振探测的基本原理，利用目标偏振特征的波长依赖性，不同波段偏振图像所反映场景信息的差异，同一波段Stokes参量图像之间的关系，以及线偏振度图像所反映的有关人造物与自然背景之间的关系.将其应用于不同真实场景下多波段偏振图像，仿真结果和评价指标表明，该方法在背景抑制方面取得了良好的效果.     

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%。     

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.     

Determination of the depth of a scattering target in a turbid medium with polarization discrimination of transmitted signals

We demonstrate the feasibility of a novel method of determining target depth in a turbid medium through Monte Carlo simulations and experiments. The method is based on the strong and weak dependencies of the copolarized component and the degree of polarization (DOP), respectively, of the transmitted intensity on the target depth. The two-way measurements of the copolarized intensity can be used for determination of target depth, whereas the transversely scanned DOP results are used for estimating the two-dimensional image in a turbid system. The combination of these two sets of data could provide useful results for estimating three-dimensional images.     

一种分焦平面偏振成像系统光源标定方法北大核心CSCD

水下偏振成像技术是目前水下成像研究的热点,由于自然光在水中衰减大,水下成像系统多采用主动照明方式。针对分焦平面偏振成像系统中偏振照明光源与偏振探测像元偏振方向不匹配引起采集图像偏振信息存在的偏差,进而影响目标图像增强质量的问题,提出了一种分焦平面偏振成像系统光源标定方法。阐述了偏振光源的标定原理,然后给出偏振光源标定的实施步骤,最后采用偏振去雾算法和图像质量评价方法对标定前后的水下目标图像进行了图像增强和图像质量评价。评价结果表明,标定后的增强图像质量优于未标定的增强图像质量,平均梯度最大提升了2.48倍。该标定方法简单有效,实用性强,适用于分焦平面偏振成像系统偏振光源标定。     

不同波长的散射介质后向散射光偏振度特性

基于Stockes矢量,通过测量以线偏振光和圆偏振光入射时脂肪乳剂后向散射光的偏振度,研究了532nm、650nm和780nm三个波长的光与散射粒子粒径为325nm的脂肪乳剂溶液作用后,其后向散射光的偏振度特性.研究结果表明,对于入射线偏振光,780nm波长后向散射光中的线偏振光成分多于圆偏振光成分,而532nm波长则相反;对于入射圆偏振光,三个波长后向散射光中的圆偏振光成分均多于线偏振光成分;532nm波长的总偏振度高于650nm和780nm两个波长各自的总偏振度;线偏振光的保偏性优于圆偏振光的保偏性,但偏振光在散射介质中的穿透深度较小.因此,后向散射成像技术适用于物体表层成像,而且选择波长略大于粒径的线偏振光可以提高成像质量.