红外偏振成像系统光学设计

物体的光学信息除了常见的光谱信息还包括偏振信息。对偏振信息的采集能够实现复杂背景下对特定目标的信息提取,特别是金属目标的信息提取。结合偏振成像的原理、组成和特点,采用共孔径共探测器长波红外偏振成像系统对目标信息进行提取,通过仿真软件进行分析,系统可探测到3 km远的车辆目标, 且成像质量良好。     

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.     

利用目标和大气偏振信息的雾天图像重构方法

结合目标偏振信息和大气偏振信息的差异, 提出了一种利用目标和大气偏振信息的雾天图像重构方法。首先, 从光强图像中分离大气光图像和目标光图像, 分别解析大气光偏振信息和目标光偏振信息, 构建偏振去雾模型。然后, 采用融合图像梯度信息的高斯滤波方法估算大气光强和目标光强, 并分别计算大气光偏振度和目标光偏振度。采用3σ法则阈值分割方法, 在大气光图像空间内估算无穷远处大气光强。最后, 重构出目标图像。在不同天气环境下开展外场实验, 结果表明, 该方法在雾霾、雨、雪天气下能够较好地恢复出目标信息, 重构后图像的信息熵提升约40%, 灰度标准差提升了约90%, 平均梯度和边缘强度提高了3倍。     

EMCCD集成偏振-微光一体化成像技术研究

单一探测器实现多维度信息获取是光电探测未来的发展方向。针对目标探测中能量和偏振信息不能兼顾的问题,提出了一种同时具有偏振-微光功能的像元阵列结构。通过引入白光通道和精简偏振通道,可在EMCCD器件上实现偏振和微光探测的一体化集成。实验结果表明,在微光条件下,探测器高灵敏性能被保持,低照度下的成像质量几乎不衰减;偏振模式下,白光通道和两个偏振角度使探测器能够获得足够的偏振信息,实现对目标的偏振探测。该方法实现了高灵敏度成像探测和偏振信息探测的同步获取,是一种通过算法处理就能够实现探测模式可重构的新方法。     

热红外偏振成像技术在目标识别中的实验研究

简要分析了热红外偏振探测与热红外强度探测在物理含义方面的区别,由此提出了一种利用偏振信息在红外图像中识别目标的新方法。通过热红外偏振成像系统获得了目标的偏振图像,并由计算机提取出了图像中的偏振信息。由于目标与自然背景的热红外偏振特性有较大的差异,所以通过分析这些信息,可以更好的识别目标。实验结果表明,该方法不仅可以很好地识别自然背景中的人造目标,而且对热红外伪装目标的识别也很有效。     

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.     

基于交织序列的偏振方向映射方法

偏振方向是偏振成像技术中的基本信息之一,能够反映出场景物体表面的方向信息,因此场景中偏振方向的分布对场景信息的解译有着重要的作用。传统的偏振方向表示方法存在着二维或三维信息映射方法的映射结果维度较高和由映射关系的距离相关性低而引起的映射方法噪声鲁棒性低问题。提出了具有距离保持特性的基于交织序列的偏振方向信息一维数值映射方法。选择从斯托克斯矢量分量中提取方向信息作为偏振方向的二维映射方法,再基于交织序列方法将二维数据映射为一维数值;之后研究了距离保持特性与映射方法对噪声鲁棒性的关系,并分析了该文所提出的偏振方向映射方法与传统偏振角映射方法的距离保持特性;进行了仿真实验与真实场景实验。仿真实验中,该文所提方法映射结果的PSNR均值相较于偏振映射方法提升了6%;真实场景实验中,该文方法映射结果相较于斯托克斯矢量映射方法降低了信息维度,相较于偏角映射方法,NMF特征的NRPSNR均值提升约14%,证明了所提出的映射方法具有低信息维度及较好的噪声鲁棒性。     

基于垂直观测的植被冠层高光谱偏振反射特性研究

以玉米冠层为研究对象,首先利用偏振反射机理分析了玉米冠层的反射信息中存在偏振现象;随后在抽穗前不同生长时期垂直观测方向对其高光谱偏振信息进行了测量,证明了理论推导,而且发现偏振光在总的反射光中所占的比例可达10%。这即表明了偏振测量可以为对地遥感提供辅助信息,同时也说明利用偏振信息反演大气参数时应该考虑地表偏振对它的影响。     

一种基于新型偏振干涉成像光谱仪的目标偏振信息探测新方法

提出了一种采用基于视场补偿型Savart偏光镜的新型偏振干涉成像光谱仪对二维目标偏振信息进行空间遥感探测的新原理和新方法.在新型偏振干涉成像光谱仪光学系统不变的情况下,通过旋转偏振干涉仪分别测出了三个不同角度下像面上各像点的光强值,反演出了二维面目标的斯托克斯矢量,并给出了各像点偏振度和偏振方向的理论表达式.采用计算机模拟实验对该探测原理和方法进行了验证,所得结果与理论完全符合.从理论和实践上扩展了干涉成像光谱仪的探测功能,与目前国内外所研究的成像光谱仪相比,该成像光谱仪既能同时探测目标二维空间信息和一维光谱信息,又提供了一种获得目标偏振信息的手段和方法.     

Pattern Detection in Gray-Scale Images with Polarization Coding

Most of the matched filtering techniques that have been used for pattern recognition have manipulated amplitude and phase information. Light, however, has another principal type of information that has not yet been used for pattern recognition. We propose a matched filtering technique which manipulates the polarization of light and shows the merits of using polarization information. The amplitude transmittance of input images is coded into the two-dimensional orientation distribution of linearly polarized light. A polarization spatial filter, which can change the light polarization two-dimensionally, is designed by considering the polarization distribution of the Fourier transform of an image to be detected which is polarization-coded. The proposed technique shows a better capacity to discriminate gray-scale images than do the conventional matched filtering techniques.     

新型光谱调制偏振测量技术研究

光谱调制偏振测量技术是一种新型的偏振调制技术,通过由消色差/4波片、多级相位延迟器和偏振器组成的调制模块,能够把入射光的偏振信息调制到光波的光谱维上,得到线偏振度和线偏振角呈规律变化的正弦曲线。设计解调算法对偏振调制后的光谱进行解调,可以得到目标不同波长处的线偏振度、线偏振角、光谱及辐射信息。文中阐述了光谱调制偏振测量技术的基本原理,给出具体实现方案。设计解调算法,搭建实验平台并进行实验验证。实验结果表明该技术的正确性及实际应用的可行性。相对于传统的偏振调制方案,该方案无运动、电控部件,具有体积小、重量轻的优点,一次测量即可得到目标的偏振信息,而不是测得Stokes矢量后再经进一步计算。本研究为新型空间偏振探测遥感器的开发提供一种新的技术途径。     

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%。     

基于偏振信息的遥感图像大气散射校正

大气散射严重影响了航空遥感图像的质量。为了提高航空遥感图像的识别能力,提出一种基于偏振信息的航空遥感图像大气散射校正方法。大气散射具有显著的偏振特性,而对于垂直探测的地物辐射信号偏振度非常低,该方法正是利用大气散射偏振特性与地物目标偏振特性的差别,从图像中提取地物目标辐射信息,从而提高遥感图像的质量。通过机载多波段偏振CCD相机获取航空偏振遥感图像数据,并采用一组443 nm波段的航空偏振图像数据进行图像大气散射校正实验,实验结果表明该方法能有效地进行航空遥感图像的大气散射校正,从而提高了航空遥感图像的识别能力。     

基于RSP的植被多角度偏振特性研究

偏振探测能够获取新的反应目标属性的信息。相对于传统遥感观测,多角度偏振信息具有更稳定的相关性和规律性。植被是地表最典型的地物之一,利用光与植被相互作用后表现出的偏振特性可以进行植被相关性质研究。RSP（research scanning polarimeter）是美国研制的星载偏振遥感探测器APS(aerosol polarimetery sensor)的原型样机,提供有九个光谱偏振通道,通过对航空飞行试验获取的扫描偏振数据预处理得到的稳定的多角度、多波段偏振探测信息分析,可以得到植被的光学特性和微物理特性。以植被密集区、植被稀疏区（接近裸地）为研究对象,根据仪器飞行时姿态信息进行配准,对比分析了可见光波段和近红外波段在-30°和65°观测天顶角下的强度反射特性和偏振反射特性。结果表明,植被密集区和植被稀疏区在不同的观测角度均表现出规律的偏振度特性,偏振反射在接近热点区域能量小,相比于常规强度反射在接近热点区域反射能量大,可有效防止因反射能量过强影响探测器的稳定性,根据在可见光波段植被密集区偏振度高于植被稀疏区,在近红外波段植被密集区偏振度低于植被稀疏区的反射特性,说明探测器在研究区域的植被密集区接收的可见光波段信号以单次散射为主而在近红外波段以多次散射为主。     

A secure identification system using coherent states

A quantum identification system based on the transformation of polarization of a mesoscopic coherent state is proposed. Physically, an initial polarization state which carries the identity information is transformed into an arbitrary elliptical polarization state. To verify the identity of a communicator, a reverse procedure is performed by the receiver. For simply describing the transformation procedure, the analytical methods of Poincar\'{e} sphere and quaternion are adopted. Since quantum noise provides such a measurement uncertainty for the eavesdropping that the identity information cannot be retrieved from the elliptical polarization state, the proposed scheme is secure.     

Quantum key distribution on composite photons, polarization qutrits

Polarization states of a photon are the most natural degrees of freedom for encoding classical information bits. The two-dimensional space of states associated with polarization degrees of freedom of the photon is insufficient for many problems of information transfer with quantum states. We propose to use the polarization degrees of freedom of composite states of photons (polarization qutrits) for secret cryptographic key distribution.     

利用偏振技术识别人造目标

提出了一种利用目标的偏振信息识别人造目标的新型方法。利用自制的多波段偏振CCD地面实验装置获取目标的偏振图像,并提取其中的偏振信息。由于人造目标和自然目标的偏振特性上有较大差别,因而根据这些信息,通过较常规的图像处理手段,即可很好地识别出图像中的人造目标。实验证明,该方法识别自然背景下的人造目标是相当有效的。     

遥感遥测中偏振信息的研究进展

偏振是光的固有特性之一。地球表面和大气中的任何目标物在与光相互作用的过程中,由于目标物的表面结构、内部结构以及光入射的角度不同,都会产生其自身性质决定的特征偏振。而偏振遥感探测就是以目标物辐射能量的偏振特征作为探测信息,可以在复杂的背景中提取目标的七维信息并很好地分辨目标物上低反射区域和目标轮廓,解决了传统遥感所不能解决的大气探测和伪装识别方面的问题,具有良好的应用前景。文章介绍了偏振遥感遥测的机理,详细阐述了偏振探测的理论模拟、偏振遥感探测仪以及偏振遥感探测技术在大气探测、地球资源探测、海洋表面与水下探测、生物医学、天文探测、军事等领域应用的国内外研究概况、水平和发展趋势,归纳了目前存在的问题,并指出目前国内外偏振探测技术的研究方向,以期为后续的同类研究提供参考。     

自然光照下反射光的偏振特性研究

在自然光照条件下,用CCD相机获取树叶表面反射光的偏振信息,经过分析和计算,得到反映树叶表面信息的偏振度图像偏振度图像.在实验室条件下,对不同种类的树叶以及不同颜色的同种树叶样品进行了研究,结果表明PDI探测相对于传统的光度探测有一定的优越性,可以在军事目标识别和遥感探测领域发挥重要作用.     

Communication with dynamically fluctuating states of light polarization

The fast, irregular, fluctuations of the state of polarization of light output from an erbium doper fiber ring laser are used to communicate digital information. The experiments illustrate the application of a dynamical encoding and information recovery scheme that is robust to perturbations of the communication channel, a standard single mode fiber. A fiber-optic polarization analyzer was used to measure and visualize the polarization dynamics at nanosecond time scales on the Poincaré sphere.