偏振信息传输理论及应用进展（特约）

光的偏振态是电磁波的基本属性,偏振信息是使用光的偏振态作为信息表现形式的工程科学应用技术,需要合适的表征方法对其进行描述。由于大气散射特性,光在地球表面存在一种特殊的偏振分布模式,可以用于近地空间自主导航,同时,不同的偏振态在各种散射介质中传输也具有特定的变化规律。因此,研究光的偏振信息在不同分散介质中的传输特性,对其在现代军事、航空、海洋等领域内的广泛应用具有重要的参考价值。近年来,偏振光学成像技术广泛应用于雾霾、水下及其他散射介质中的清晰成像,并取得了很多优秀的研究成果。文中主要介绍了光的偏振态的各种表征形式、偏振信息在不同分散介质中的传输特性、经过散射介质后的偏振信息恢复算法、以及偏振去雾技术的应用等,并在最后展望了偏振信息应用的未来发展趋势。     

基于大气偏振模式分布规律的导航方向角计算方法

 针对已有仿生偏振光导航方法中,根据局部天空区域的偏振信息获取导航信息存在的缺陷,提出一种基于大气偏振模式分布规律的导航方向角计算方法.该方法利用大气偏振模式的对称性定义了偏振响应和函数,根据大气偏振模式有限采样点的偏振信息,拟合估计出太阳子午线位置,并最终获取导航方向角信息,最后通过多组观测时刻、多组观测地点的仿真实验,验证了基于大气偏振模式分布规律的导航方向角计算方法的有效性.     

基于时域有限差分法的非球型气溶胶和卷云粒子散射特性研究

本文选取3种气溶胶粒子和3种卷云粒子,利用时域有限差分法,对椭球型气溶胶粒子和六棱柱卷云粒子在不同波长下散射相位函数进行了仿真分析,并讨论了入射方向对粒子散射特性的影响。仿真结果表明,尺寸参数较小时散射相位函数变化较平稳,尺寸参数较大时曲线出现震荡,且随尺寸参数增大震荡剧烈;粒子单次散射能量主要集中在前向散射,随散射角增大呈指数下降;气溶胶粒子散射相位函数在90~150°之间出现明显的波谷;卷云粒子散射相位函数一般不出现明显波谷。当入射角度改变时,气溶胶粒子在整个0~180°之内的散射相位函数都有101数量级的变化,卷云粒子则在0~90°前向散射内保持稳定。本文的研究方法和结论可以为研究天空偏振光模式的形成机理和变化规律提供参考。     

湿度影响下的气溶胶粒子的偏振特性

气溶胶散射特性对大气辐射和气候研究具有重要意义。为研究气溶胶在不同相对湿度下的散射特性,根据Mie散射理论建立了湿度偏振模型,在0.55μm的可见光下,分析比较了3种气溶胶的单粒子和粒子群在不同相对湿度下的偏振特性。结果表明,相对湿度变化对气溶胶偏振度有规律性的影响,尤其在120°～150°的后向散射角区域,3种粒子偏振度都随相对湿度的增大而增大,说明了部分后向散射角上散射光偏振度能有效反映气溶胶粒子随相对湿度变化的信息。     

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。     

基于SIFT和PCA的图像感知哈希方法

提出了一种新颖的基于尺度不变特征变换(SIFT)和主成分分析(PCA)的感知哈希方法。SIFT特征在通常的图像处理中具有很强的稳定性,并具有尺度和旋转不变性,通过对哈希生成两阶段框架的详细分析,SIFT算法用来提取图像的局部特征点,PCA用来对特征数据的信息压缩。每个特征点的PCA基的叠加构成图像哈希,在叠加中采用了伪随机处理,增强了算法安全性,图像之间的相似度通过哈希的归一化相关值来确定。实验分析表明该方法对各种复杂攻击,如图像旋转、光照变化、图像滤波等具有较好的稳健性,对比基于非负矩阵分解的图像哈希方法在图像识别应用中具有更好的性能。     

基于大气偏振模式对称性检测的航向角获取方法

基于自然特性的导航科学具有重要的研究与应用价值,本文针对仿生偏振光导航技术中的航向角获取问题,研究了一种基于大气偏振模式对称性检测的航向角获取方法。文章建立在对大气偏振模式分布规律的分析基础上,对获取的大气偏振模式图像进行对称性检测,利用大气偏振模式分布的对称性特征,根据检测结果确定大气偏振模式对称轴,即太阳子午线位置,进而解算出航向角信息,并通过实验验证了本文所述方法的有效性。本文提出的基于大气偏振模式对称性检测的航向角获取方法是仿生偏振光导航的一个重要研究内容,对基于自然特性的导航方法与策略研究,具有重要的实践指导意义。      

基于支持样本间接式的行人再识别

行人再识别就是在无重叠视域多摄像机监控系统中,识别出相同的行人。针对来自于不同摄像头行人图片存在着视角、光照和尺度变化的问题。该文提出了基于支持样本间接式匹配的行人再识别方法。该算法首先通过聚类的方法分别提取不同摄像头下的支持样本,当要对来自不同摄像头的行人进行匹配时,在距离测度的基础上利用支持样本分别判别出其所在摄像头下的行人类别,通过类别的对比判断是否为同一行人。该方法避免了不同摄像头下行人图片直接匹配,有效解决不同摄像头带来的视角、光照和尺度问题。实验结果表明该文的算法相比一些经典算法识别率有一定的提高,并且在数据集VIPeR, CAVIAR4ReID和CUHK01上,Rank1分别达到了43.60%, 41.36%, 43.82%。     

基于电矢量描述的大气偏振建模

现有理想情况下大气偏振建模回避了对散射过程的描述,无法扩展到实际模型.本文采用电场强度矢量描述光波,建立天球坐标系与东北天坐标系研究光的多点单次散射过程.利用两坐标系之间的转换关系计算参数,将单次瑞利散射分析方法应用于全天域.计算散射光电场强度矢量并处理,得到偏振度和偏振方向矢量来表征大气偏振信息.仿真实验表明该方法能够准确描述理想情况下大气偏振模式,且所得电矢量可以作为实际建模的参考数据,方法具有一定的扩展性和应用价值.     

光在可变厚度介质中后向散射传输的偏振特性分析

针对不同浓度下介质厚度改变对后向散射光偏振特性影响的问题,以典型蒙特卡罗偏振模型为基础,提出了一种基于后向散射的可变介质厚度蒙特卡罗偏振模型。根据本文提出的模型开展了仿真实验,得到了不同浓度下介质厚度与后向散射偏振特性的影响关系。仿真结果表明,介质厚度在不同浓度下均对后向散射光的偏振度有着直接影响;在低浓度的情况下,介质厚度增加主要起消偏作用,浓度达到一定阈值后,介质厚度增加起起偏作用;在低浓度的情况下,线偏振光的后向散射光偏振保持特性优于圆偏振光,浓度达到一定阈值后,圆偏振光的后向散射光偏振保持特性优于线偏振光;在浓度极高的情况下,线偏振光与圆偏振光的保持特性趋于一致。