基于Mueller矩阵的目标偏振特性分析

目标Mueller矩阵反映了光波在传播过程中偏振态的变化,其包含与目标自身有关的起偏、退偏等偏振特性。为进一步研究目标Mueller矩阵特性,通过将光波传播过程转化为相关半正定二次型函数实现偏振态变化线性运算的方法,定义目标净退偏特性和可以综合评价目标起偏特性和退偏特性的偏振度PΔ,并证明了其在偏振探测目标识别和偏振特性分析中的有效性。最后利用实验测量了不同入射角、粗糙度铝板的Mueller矩阵,通过定义粗糙度对目标偏振特性的影响因子Q和目标偏振特性随入射角变化的稳定性S,分析了入射角和粗糙度对目标Mueller矩阵特性的影响。     

傅里叶变换高光谱Mueller矩阵成像理论与方法

提出了一种高光谱Mueller矩阵成像(HMMI)方法,实现了空间、光谱和Mueller矩阵图像的同步一体化获取。详细讨论了高光谱Mueller矩阵成像的原理以及双折射干涉器剪切干涉成像过程,对偏振态发生器/偏振态分析器进行了联合优化设计,给出了系统的定标方法。为验证仪器的性能,在实验室对目标进行光谱Mueller矩阵成像,证明了利用所提方法快速获取光谱图像和Mueller矩阵图像的可行性。所提方法具有光谱分辨率高、偏振调制快等优点,为光谱Mueller矩阵成像的发展提供了一种新的思路。     

基于偏振激光辅助照明的ICCD探测技术研究

为了验证偏振激光辅助照明ICCD探测目标的可行性,I以偏振成像探测原理为基础,提出一套基于偏振激光辅助照明的ICCD探测系统。该系统采用808 nm人眼不可见偏振激光辅助照明,ICCD对后向散射激光进行检偏和光电信息转换,实现背景中目标的偏振成像探测。通过在野外环境中对该系统的探测能力进行实验测试,结果表明,在0、45和90检偏角下,人造金属涂漆目标对照射偏振激光退偏小于10%;绿色背景对照射偏振激光退偏度约50%;沙土地面退偏度约30%,人造金属涂漆目标相对于自然背景随检偏角增大图像对比度也越大。     

基于双折射晶体的快拍穆勒矩阵成像测偏原理分析

针对传统穆勒矩阵成像测偏仪包含活动部件,需进行多次测量,容易产生测量误差,不能对运动目标或动态场景进行同时、实时测量等问题,提出了一种以改进型萨瓦偏光镜为核心分光器件的快拍Mueller矩阵成像测偏技术(MSP-SMMIP).它不含任何活动部件,能通过单次快拍测量获取目标强度图像和全部16个穆勒矩阵阵元图像.它主要由偏振态产生和偏振态分析两部分组成,偏振干涉条纹通过偏振态产生光路后定位于测试样品上,随后这些条纹通过空间载频将样品的Mueller矩阵分量编码,经偏振态分析光路成像于焦平面上.采用斯托克斯矢量-穆勒矩阵形式阐明了光场偏振态被MSP-SMMIP调制的过程,给出了其像面干涉图表达式,讨论了Mueller矩阵反演和系统定标的方法.基于CCD相机参数分析了系统的光学指标.通过数值模拟实验给出模拟测量结果,通过定性和定量评价测量结果表明该系统的可行性.MSP-SMMIP技术具有稳态、快拍、结构简洁、易定标、可同时实时获取目标强度图像和全部Mueller矩阵阵元图像的显著特点.     

红外偏振图像的舰船目标检测

红外成像系统作为探测舰船目标的一种重要方式,在军事侦察中起着至关重要的作用,面对复杂背景、恶劣天气环境等情况时,目标与背景局部对比度较低导致红外系统的探测准确率、查全率等性能指标受到严重影响,针对上述问题,开展了基于红外偏振图像的舰船目标检测方法研究。通过8～12μm长波波段红外偏振图像采集系统实际采集86组4个偏振方向(0°, 45°, 90°, 135°)的红外偏振图像,样本中舰船目标309个。对同场景下不同偏振方向的红外偏振图像及红外强度/偏振度图像的目标与背景局部对比度计算,发现海面与舰船目标偏振特征差异能够有效提高目标与背景局部对比度。在前视红外图像中,舰船目标通常位于海天线附近或下方,但复杂背景及天气等因素干扰对红外图像中检测海天线影响较大,为此提出红外偏振图像海天线检测方法,对红外偏振图像直方图进行高斯滤波消除局部极值,依据海面与背景的偏振特征差异,利用双峰法阈值分割检测海天线,最后利用霍夫变换检测海天线,分割出海面作为目标候选区域。针对红外偏振图像受到海杂波严重干扰的问题,提出海杂波背景抑制算法,采取背景抑制,距离加权方法抑制偏振图像中杂乱的海杂波背景。最后,利用MSER算法检测舰船目标,根据舰船目标特性约束条件剔除非目标区域。对86组红外偏振图像进行舰船目标检测实验,所提出的方法能够有效克服复杂背景和海杂波等因素的干扰准确检测海天线,通过海杂波背景抑制及舰船特征约束的方法消除海杂波及海岸对舰船检测所带来的干扰,检测准确率、查全率分别为93.2%和95.7%,优于红外舰船目标检测方法,特别在红外图像对比度低的场景下检测效果提升明显,检测准确率、查全率分别提高了46.5%和16.4%。表明充分考虑红外偏振图像中舰船目标与背景的偏振特征差异能够有效提高目标与背景的局部对比度,有利于准确检测海天线,提高舰船检测准确率和查全率,对复杂背景及恶劣天气有较强的适应性,在军事应用中具有极大应用价值,对红外波段舰船目标检测技术的发展有着极为重要的意义。     

光谱仪会聚光路中退偏器的设计方法

为了降低光谱仪的偏振敏感度,提出了一种在会聚光路中设计退偏器的方法。该方法首先将系统的望远镜和准直镜视为辅助光路,使得光束的偏振状态可以用Stocks矢量来表示;然后使用Mueller矩阵来表示元件的偏振特性,并推导出了基于Mueller矩阵的系统偏振敏感度模型;最后利用多重多元回归分析来提升Mueller矩阵的计算速度与精度。基于该方法设计了一款放置在会聚光路中的改进型退偏器,系统的偏振敏感度小于1%,像点分裂距离小于8μm,该结果满足设计要求,验证了该方法在会聚光路中设计退偏器的有效性。     

基于微光像增强器的偏振成像系统设计与实验

为验证用微光像增强器实现偏振成像的可行性,根据偏振成像原理,设计了基于分时型偏振成像技术的微光偏振检偏器。选用三代像增强器和高动态范围数字CCD,设计了相应大口径成像物镜和中继光学耦合透镜,获得了高透过率、高调制函数（MTF）的图像耦合性能。采用数字CCD、数字图像采集卡,编写了相应图像处理软件,实现了实验室和野外微光条件下的人造目标和自然景物的偏振探测成像。结果表明,原始图像中目标与背景对比度之比为1.35,基于微光像增强器的偏振成像系统的目标与背景对比度之比为2.35,微光偏振成像能够提高夜间环境下人造目标和自然背景的对比度。     

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%。     

基于三代微光ICCD成像装置的目标对比度影响因素测试分析

微光夜视整机可以在夜间光照条件较差的情况下,对目标实施有效观察,而夜间观察目标对比度是整机作用距离影响因素中的重要指标。为满足微光夜视整机夜间观察理论分析及试验对目标对比度数据的迫切需求,基于三代微光像增强器具有与星光条件下自然光辐射光谱良好匹配的使用特性,搭建了基于三代微光ICCD的成像装置。并从微光成像系统的能量传递链及光电子成像系统的视觉特征方程分别推导环境光照度和目标-背景反射率比与对比度关系。在暗室和夜天光条件下开展了对比度试验,试验结果证明,当照度处于三代微光像增强器照度-亮度的线性相关照度区间[E_s, E_m]时,对比度与照度无关;对同一目标及背景采集图像,目标-背景反射率越接近1,对比度越小。     

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.     

基于稀疏低秩特性的水下非均匀光场偏振成像技术研究

针对浑浊水体偏振成像时由于强散射作用导致的背景散射光分布不均匀且目标信息被淹没,无法有效解译,难以实现清晰化成像的问题,提出基于稀疏低秩特性的水下非均匀光场偏振成像技术.该技术利用散射光场中偏振信息的共模抑制特性消除非均匀性,结合水下散射光场中背景信息纹理单一、信息相关性高以及目标信息空间占比小的特点,建立偏振域的稀疏-低秩信息分析处理模型,有效分离目标和背景信息,重建高对比度清晰目标图像.实验结果表明,基于稀疏低秩特性的水下非均匀光场偏振成像技术不仅能够有效地提升浑浊水下图像的对比度,复原细节信息,而且能够有效地抑制非均匀强散射,在水下偏振成像领域具有良好的应用前景.     

暗弱目标偏振度图像与偏振角图像去噪方法研究

针对暗弱目标偏振融合图像存在背景噪声强、细节轮廓特征不明显等问题,利用偏振度图像中高斯背景噪声灰度与待测目标灰度的差异性,提出了基于噪声模板阈值匹配的偏振度图像去噪算法。分析了偏振角图像中纯噪声区域子图像与目标轮廓区域子图像的灰度相关性,提出了基于区域灰度相关性匹配的偏振角图像去噪算法,与传统去噪方法相比,该算法可有效去除大量背景噪声,更好地保留目标轮廓特征。偏振图像融合对比实验结果进一步证明,提出的偏振图像去噪方法可显著提高暗弱目标在图像中的对比度,改善偏振融合增强图像的质量。     

基于多层膜偏振元件的软X射线磁光Faraday偏转测量

在北京同步辐射装置(BSRF)的3W1B软X射线光束线上利用自行研制的同步辐射软X射线综合偏振测量装置对Ni的M_2,3边附近(60—70 eV)进行了软X射线磁光(magneto-optical)法拉第效应(Faraday effect)的偏转测量,实验装置主要由起偏器,检偏器,样品架,圆形钕铁硼永磁铁和MCP探测器组成,偏振元件(起偏元件和检偏元件)均采用反射式非周期性Mo/Si宽带多层膜.实验采用反射起偏和反射检偏的模式,得到一系列能量范围在60—70 eV间的法拉第偏转角结果, 关键词： 软X射线 磁光Faraday效应 综合偏振测量装置 宽带多层膜     

前向散射角度对偏振成像对比度影响的研究

为了分析前向散射角度对偏振成像的影响,从偏振图像对比度出发,分别研究不同偏振状态的线偏振光和不同前向散射角度对目标偏振图像对比度的影响。实验采用波长为532 nm水平线偏振光和-45°线偏振光照射目标,计算两者的偏振图像对比度。结果表明,前向散射角度的增加可有效提升偏振图像对比度,并且水平线偏光的图像对比度低于-45°线偏振光的图像对比度。实验结论可为后续偏振成像探测工作提供技术支持。     

基于互结构正则约束的红外偏振图像增强算法

为有效改善红外偏振图像视觉效应,提高红外偏振成像质量,提出了基于互结构正则约束的红外偏振图像增强算法。根据红外偏振特性描述,对Stokes参数Q分量与U分量进行加权邻域梯度融合,获得起偏特征图像,捕获目标边缘、轮廓的偏振特性;提出互结构正则约束模型,以梯度幅值相似算子联合正则约束融合结果与起偏特征图像的边缘结构相似性,及与辐射强度图像的灰度一致性,优化得到增强后的高质量红外偏振图像。实验结果表明,基于互结构正则约束的红外偏振图像增强算法,能有效提高红外偏振图像对比度与清晰度,同时提升复杂背景下人造目标边缘轮廓的偏振显著性,算法快速,工程实时性高.     

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。     

基于偏振双向反射分布函数的粗糙表面偏振特性

为了研究高斯粗糙表面偏振特性,基于微面元理论,综合考虑微面元的漫反射和镜面反射,建立偏振双向反射分布函数模型。对由偏振双向反射分布函数得到的穆勒矩阵进行分解、变换等处理,推导出表征粗糙表面二向色性、相位延迟和退偏的3个子矩阵及其对应的偏振特性表达式。针对典型的粗糙目标,对偏振特性进行理论计算。分析入射角、方位角,以及粗糙度对粗糙表面偏振特性的影响。结果表明:粗糙表面二向色性在入射角变化范围内有极大值,且随方位角的增大而增大;相位延迟随入射角的增大而减小,且在方位角变化范围内有极大值;退偏能力在入射角范围内有极小值,且随方位角的增大而减小;粗糙度对除退偏能力以外的偏振特性影响较小。     

一种改进激光偏振主动成像的建模及理论分析

提出一种改进激光偏振主动成像的实验方法,给出实验装置原理图,详细分析实验装置的成像原理。在分析目标Mueller矩阵测量方法的基础上,给出改进后激光偏振成像装置偏振度和强度的计算公式,从理论上证明了该方法的可行性。然后针对实验仪器的要求分析了实验装置存在的误差,以及Cassegrain望远镜对目标散射光的消偏现象。该方法与利用双旋转波片技术（DRRT）测量目标散射光的偏振度和强度相比可以降低对实验装置的精度要求,同时可以提高测量速度,不需要进行16次测量,只需1次就可以测量出目标散射光的偏振度和强度,进而得到偏振度和强度图像。     

基于穆勒矩阵的模拟溢油样品荧光偏振特性研究

为了对模拟溢油样品在不同偏振态激发下诱导荧光的偏振特性进行研究,借鉴了穆勒矩阵椭偏仪的原理和结构,搭建了基于旋转波片原理的模拟溢油样品激光诱导荧光椭偏实验装置。通过特征值校准方法对该装置进行校准,获得了宽波段下偏振状态调制矩阵W(λ)和偏振状态分析矩阵A(λ)的确切调制状态,并基于荧光光谱强度矩阵Flu(λ)分别建立了轻、中、重质原油样品和柴油样品的荧光穆勒矩阵。通过极化分解方法对荧光穆勒矩阵进行分解后发现,不同样品荧光光谱的退偏振性质差异十分显著。柴油样品荧光穆勒矩阵的退偏振系数Δ(λ)没有明显的波长响应性,在荧光光谱范围内始终保持较高的退偏值,而三种原油样品的退偏系数Δ(λ)则随波长增大逐渐上升,其中,中质原油样品退偏系数随波长的变化幅度小于重质样品,超过轻质样品;就不同样品的退偏值来看,轻质原油样品最高,重质样品最低,中质原油样品介于二者之间,柴油样品的荧光退偏值略低于轻质原油样品,介于轻质和中质原油样品之间。将基于荧光穆勒矩阵极化分解后的结果与线偏振激发下样品荧光光谱的正交偏振实验结果进行对比,发现两种实验方法获得的退偏系数具有较高的吻合程度。实验还发现,四种模拟溢油样品荧光穆勒矩阵所包含的双向衰减和相位延迟性质都很微弱,不具有明显的差异。     

伪装目标与背景的偏振对比特性

为解决传统光强探测手段难以有效探测和识别伪装目标这一难题,基于偏振探测技术搭建了光谱偏振探测成像系统,利用该系统在位于442.0,545.5,670.5,850.5 nm的窄波段对典型草地、土壤背景下的某型深绿色和土黄色伪装涂层进行了光谱偏振探测实验研究。并通过编制的图像处理软件对测试结果进行处理分析以提取其中的偏振信息,获得了目标与背景偏振度和偏振对比度随探测波长和探测角的变化规律。研究结果表明,合理地选择偏振成像探测条件可以使伪装涂层与背景之间存在较大的偏振对比度,可以实现对传统伪装涂层涂覆的目标的有效探测和识别。