分振幅偏振成像實(shí)驗(yàn)裝置的研究

高天元，周揚(yáng)

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

分振幅偏振成像實(shí)驗(yàn)裝置的研究

高天元，周揚(yáng)

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

偏振是電磁波的重要特征，是光除了波長(zhǎng)、振幅、相位以外的又一重要屬性。利用物質(zhì)的不同偏振屬性能夠?yàn)槟繕?biāo)的探測(cè)和識(shí)別提供更多維度的信息?；谄癯上窭碚撛O(shè)計(jì)了同時(shí)偏振成像儀器，并設(shè)置了用作對(duì)比的普通成像系統(tǒng)。在對(duì)系統(tǒng)完成封裝后進(jìn)行了外場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)，將偏振成像系統(tǒng)獲取的圖像進(jìn)行圖像融合等處理，目標(biāo)對(duì)比度相比于普通成像系統(tǒng)提升28%以上，體現(xiàn)出了偏振成像在識(shí)別目標(biāo)上的優(yōu)勢(shì)。

偏振成像；同時(shí)偏振探測(cè)；斯托克斯矢量；分振幅

偏振光作為光的一種狀態(tài)，并不能被人眼所直接獲得。地表及大氣目標(biāo)在光的散射、反射及輻射過程中，時(shí)刻向外傳遞著表征自己特征的偏振信息（跟物體材質(zhì)，表面粗糙度和電導(dǎo)率等屬性有關(guān)）。偏振成像［1］可將看不見的偏振光可視化，如今已應(yīng)用于軍事［2］、醫(yī)學(xué)［3］、海洋探測(cè)［4］等很多領(lǐng)域，受到人們的廣泛關(guān)注。

根據(jù)獲得偏振圖像的不同方式，可將偏振成像技術(shù)分為分時(shí)成像和同時(shí)成像兩種［5］。分時(shí)偏振成像是通過調(diào)整偏振片和波片位置，在不同時(shí)間獲得圖像并進(jìn)行偏振處理的偏振成像方式。而同時(shí)偏振成像，是在同一時(shí)間獲取目標(biāo)背景的多幅圖像的偏振成像方式，相比于分時(shí)偏振成像系統(tǒng)，其具有可探測(cè)動(dòng)態(tài)目標(biāo)、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。

1 探測(cè)理論分析

Stokes矢量描述法是G.G.Stokes［6］研究部分偏振光時(shí)引入的。與Jones R C［7］提出的瓊斯矢量使用振幅與相位來描述光的偏振態(tài)不同，斯托克斯矢量利用4個(gè)參量（斯托克斯參量）來描述光波的偏振態(tài)與強(qiáng)度。由于斯托克斯參量是光強(qiáng)的時(shí)間平均值，具有強(qiáng)度的量綱，可通過成像設(shè)備獲取。根據(jù)Stokes矢量定義，偏振光可描述如式（1）。其中I0為水平偏振方向光強(qiáng)分量，I90為垂直偏振方向光強(qiáng)分量，I45為偏振方向45°的光強(qiáng)分量，I135為偏振方向-45°的光強(qiáng)分量，IL為左旋偏振光光強(qiáng)分量，IR為右旋偏振光分量。

而出射偏振光斯托克斯矢量Sout與入射偏振光Stokes矢量Sin之間的函數(shù)關(guān)系，可通過4×4的穆勒矩陣聯(lián)系起來，關(guān)系如式（2）。

2 偏振成像儀器設(shè)計(jì)及相關(guān)參數(shù)

系統(tǒng)采用分振幅偏振成像機(jī)制。1982 Azzam設(shè)計(jì)了第一臺(tái)分振幅偏振測(cè)量?jī)x器［8］，即通過分光棱鏡、PBS（偏振分光棱鏡）等作用，將景物輻射分為4個(gè)偏振光束，成像于4個(gè)CCD上，再通過將光強(qiáng)線性轉(zhuǎn)為電信號(hào)，輸出到工作站以進(jìn)行偏振分析。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證裝置的成像原理如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置成像原理圖

景物輻射通過50/50分光棱鏡后，分成能量一致的兩束光，其中一束經(jīng)過PBS1（PBS為偏振分光棱鏡），分為兩路正交的偏振光束，其中CCD1接收水平方向偏振光，光強(qiáng)分量I0，CCD2接收垂直方向偏振光強(qiáng)分量I90。分光棱鏡反射的另一束光經(jīng)過PBS2（PBS2設(shè)為與光軸成45度夾角）同樣分為兩束正交的偏振光束，一束被CCD3接收，表征I45，另一束被CCD4接收，表征I135。工作站獲得了這四幅強(qiáng)度圖像之后，即可進(jìn)行處理得出相應(yīng)的Stokes矢量圖。在實(shí)際試驗(yàn)中，圓偏振由于光波頻率過高，CCD無法分辨，接收到的是勻化后得圖像IL與IR，基本一致。其中獲取的IL和IR圖像運(yùn)算后為相減圖像，沒有作參考的價(jià)值，所以在實(shí)際裝置中將波片去除。

為了與偏振圖像進(jìn)行對(duì)比，機(jī)構(gòu)中設(shè)置了普通成像系統(tǒng)，如圖2。普通成像系統(tǒng)的成像透鏡與偏振成像系統(tǒng)的相同，在進(jìn)行完第一次分光之后，使用分光棱鏡進(jìn)行第二次分光，成像于一個(gè)CCD上，系統(tǒng)中沒有偏振調(diào)制的光學(xué)元件。

圖2 普通成像系統(tǒng)

為了進(jìn)行外場(chǎng)試驗(yàn)將兩個(gè)系統(tǒng)安裝在盒體底部安裝板之上。在盒體后面板設(shè)置了電源接口及數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇?，用以?duì)系統(tǒng)內(nèi)部的成像CCD進(jìn)行供電和CCD圖像的獲取。探測(cè)時(shí)需蓋上上蓋板，以減少雜散光對(duì)內(nèi)部光學(xué)系統(tǒng)的干擾，影響探測(cè)精度。外場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)需要架設(shè)三腳架以保證探測(cè)過程的穩(wěn)定性，偏振同時(shí)成像儀器實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 偏振同時(shí)成像儀器實(shí)物圖

3 圖像處理及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證理論及裝置，進(jìn)行相關(guān)的外場(chǎng)測(cè)試。目標(biāo)在草叢中，通過裝置獲取強(qiáng)度圖像。測(cè)試時(shí)間為上午10：50左右，此時(shí)天氣晴朗，探測(cè)角為2°。由CCD獲得4幅圖像如圖4所示。

圖4 四個(gè)偏振強(qiáng)度圖像

實(shí)際偏振探測(cè)過程中，由于系統(tǒng)噪聲和空氣中懸浮物等干擾造成的偏振圖像位置差異性，所以需要對(duì)偏振圖像進(jìn)行融合前的預(yù)處理，其中包括基于邊緣偏振態(tài)圖像的去噪和配準(zhǔn)。通過去噪和配準(zhǔn)后，進(jìn)行第一次圖像融合計(jì)算得到S0到S3的四個(gè)斯托克斯參量圖，如圖5。

圖5 計(jì)算后的四個(gè)Stokes參量圖

其中部分偏振光可看做完全偏振光和非偏振光的混合而成的，其表征完全偏振光所占比例，用DOP來表示。經(jīng)過處理的DOP圖像與AOP圖像如圖6所示。

圖6 偏振度成像圖像DOP和偏振角成像圖像AOP圖像

太陽光經(jīng)過背景反射時(shí)，由于背景形狀不規(guī)則，反射的光波的偏振度小于目標(biāo)反射光波的偏振度，根據(jù)兩者偏振度的不同，即可把目標(biāo)的光信息探測(cè)出來。進(jìn)行第二次圖像融合后，獲得偏振圖像，如圖7，以光波偏振度較小草地作為背景，目標(biāo)為較規(guī)則的車輛，經(jīng)過計(jì)算后的偏振圖像與非偏振圖像進(jìn)行對(duì)比，方框內(nèi)的對(duì)比度提高了44.87%，目標(biāo)被很好的識(shí)別出來。

在圖8中，目標(biāo)停在沙堆旁邊。經(jīng)過偏振圖像處理后得出的偏振圖像，同樣的，草坪的反射光被過濾掉，使得目標(biāo)裝甲車和草坪很好的被區(qū)分出來。圖像經(jīng)過偏振處理后，對(duì)比度也提高了27.31%。

圖8 目標(biāo)停在沙堆旁的非偏振和偏振圖像

可見通過偏振成像和圖像融合技術(shù)相結(jié)合，可以減少?gòu)?fù)雜背景在探測(cè)過程中對(duì)目標(biāo)物識(shí)別的影響，提高目標(biāo)和背景對(duì)比度，使得探測(cè)目標(biāo)能很好的被人眼識(shí)別出來。

4 結(jié)論

本文利用分振幅偏振成像為理論基礎(chǔ)，構(gòu)建了偏振成像系統(tǒng)，通過獲取強(qiáng)度圖像和偏振圖像，來計(jì)算出斯托克斯圖像及偏振度圖像。在兩個(gè)場(chǎng)景的探測(cè)試驗(yàn)中，由于背景與目標(biāo)的退偏振的差異，偏振成像系統(tǒng)消除了背景光干擾并提高對(duì)比度，從而使得在雜亂的背景中將目標(biāo)識(shí)別出來。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)已被系統(tǒng)集成在設(shè)備中，與可移動(dòng)工作站主機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)了戶外探測(cè)的可能。偏振成像由于較以往的普通強(qiáng)度成像在很多方向上有其獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，具有巨大的發(fā)展前景，將是國(guó)內(nèi)外研究和開發(fā)的熱點(diǎn)之一。

［1］ 姚啟鈞.光學(xué)教程（第4版）［M］.北京：高等教育出版社，2008.

［2］ 段錦，付強(qiáng)，莫春和，等.國(guó)外偏振成像軍事應(yīng)用的研究進(jìn)展（上）［J］.紅外技術(shù)，2014（3）：190-195.

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［4］ 王朋.基于壓縮感知的水下偏振光成像技術(shù)研究［D］.西安：中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，2015.

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［6］ 劉敬，夏潤(rùn)秋，金偉其，等.基于斯托克斯矢量的偏振成像儀器及其進(jìn)展［J］.光學(xué)技術(shù)，2013（1）：56-62.

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Experimental Verification of Simultaneous Polarization Imaging Detection

GAO Tianyuan，ZHOU Yang
（School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，ChangChun 130022）

Polarization is an important feature addition to the wavelength，amplitude，phase of electromagnetic waves.Use dif?ferent polarization properties of the material can provide more dimensions of information for the detection and identification of tar?gets.Based on the theory of polarized imaging，we design a simultaneous polarimetric imaging instrument and set up a common imaging system for comparison.After system has been encapsulated，the field experiment is carried out，and the images acquired by the polarization imaging system are processed by image fusion.The target’s contrast is improved by 28%compared with the or?dinary imaging system，which shows the advantage of polarization imaging in recognition-target.

polarization imaging；simultaneous polarization detection；stokes vector；divison-of-amplitude

TH744

A

1672-9870（2017）03-0009-04

2017-03-17

高天元（1970－），男，博士，副教授，E-mail：gty@cust.edu.cn