高天元，周揚

（長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

分振幅偏振成像實驗裝置的研究

高天元，周揚

（長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

偏振是電磁波的重要特征，是光除了波長、振幅、相位以外的又一重要屬性。利用物質的不同偏振屬性能夠為目標的探測和識別提供更多維度的信息?；谄癯上窭碚撛O計了同時偏振成像儀器，并設置了用作對比的普通成像系統(tǒng)。在對系統(tǒng)完成封裝后進行了外場的實驗，將偏振成像系統(tǒng)獲取的圖像進行圖像融合等處理，目標對比度相比于普通成像系統(tǒng)提升28%以上，體現(xiàn)出了偏振成像在識別目標上的優(yōu)勢。

偏振成像；同時偏振探測；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。地表及大氣目標在光的散射、反射及輻射過程中，時刻向外傳遞著表征自己特征的偏振信息（跟物體材質，表面粗糙度和電導率等屬性有關）。偏振成像［1］可將看不見的偏振光可視化，如今已應用于軍事［2］、醫(yī)學［3］、海洋探測［4］等很多領域，受到人們的廣泛關注。

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

1 探測理論分析

Stokes矢量描述法是G.G.Stokes［6］研究部分偏振光時引入的。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個參量（斯托克斯參量）來描述光波的偏振態(tài)與強度。由于斯托克斯參量是光強的時間平均值，具有強度的量綱，可通過成像設備獲取。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分量，I90為垂直偏振方向光強分量，I45為偏振方向45°的光強分量，I135為偏振方向-45°的光強分量，IL為左旋偏振光光強分量，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)關系，可通過4×4的穆勒矩陣聯(lián)系起來，關系如式（2）。

2 偏振成像儀器設計及相關參數(shù)

系統(tǒng)采用分振幅偏振成像機制。1982 Azzam設計了第一臺分振幅偏振測量儀器［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個偏振光束，成像于4個CCD上，再通過將光強線性轉為電信號，輸出到工作站以進行偏振分析。實驗驗證裝置的成像原理如圖1所示。

圖1 實驗裝置成像原理圖

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，光強分量I0，CCD2接收垂直方向偏振光強分量I90。分光棱鏡反射的另一束光經(jīng)過PBS2（PBS2設為與光軸成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度圖像之后，即可進行處理得出相應的Stokes矢量圖。在實際試驗中，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圖像運算后為相減圖像，沒有作參考的價值，所以在實際裝置中將波片去除。

為了與偏振圖像進行對比，機構中設置了普通成像系統(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，在進行完第一次分光之后，使用分光棱鏡進行第二次分光，成像于一個CCD上，系統(tǒng)中沒有偏振調制的光學元件。

圖2 普通成像系統(tǒng)

為了進行外場試驗將兩個系統(tǒng)安裝在盒體底部安裝板之上。在盒體后面板設置了電源接口及數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇冢靡詫ο到y(tǒng)內部的成像CCD進行供電和CCD圖像的獲取。探測時需蓋上上蓋板，以減少雜散光對內部光學系統(tǒng)的干擾，影響探測精度。外場試驗時需要架設三腳架以保證探測過程的穩(wěn)定性，偏振同時成像儀器實物圖如圖3所示。

圖3 偏振同時成像儀器實物圖

3 圖像處理及實驗結果

為了驗證理論及裝置，進行相關的外場測試。目標在草叢中，通過裝置獲取強度圖像。測試時間為上午10：50左右，此時天氣晴朗，探測角為2°。由CCD獲得4幅圖像如圖4所示。

圖4 四個偏振強度圖像

實際偏振探測過程中，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，所以需要對偏振圖像進行融合前的預處理，其中包括基于邊緣偏振態(tài)圖像的去噪和配準。通過去噪和配準后，進行第一次圖像融合計算得到S0到S3的四個斯托克斯參量圖，如圖5。

圖5 計算后的四個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，由于背景形狀不規(guī)則，反射的光波的偏振度小于目標反射光波的偏振度，根據(jù)兩者偏振度的不同，即可把目標的光信息探測出來。進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，目標為較規(guī)則的車輛，經(jīng)過計算后的偏振圖像與非偏振圖像進行對比，方框內的對比度提高了44.87%，目標被很好的識別出來。

在圖8中，目標停在沙堆旁邊。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，對比度也提高了27.31%。

圖8 目標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相結合，可以減少復雜背景在探測過程中對目標物識別的影響，提高目標和背景對比度，使得探測目標能很好的被人眼識別出來。

4 結論

本文利用分振幅偏振成像為理論基礎，構建了偏振成像系統(tǒng)，通過獲取強度圖像和偏振圖像，來計算出斯托克斯圖像及偏振度圖像。在兩個場景的探測試驗中，由于背景與目標的退偏振的差異，偏振成像系統(tǒng)消除了背景光干擾并提高對比度，從而使得在雜亂的背景中將目標識別出來。所設計的系統(tǒng)已被系統(tǒng)集成在設備中，與可移動工作站主機相連，實現(xiàn)了戶外探測的可能。偏振成像由于較以往的普通強度成像在很多方向上有其獨到的優(yōu)勢，具有巨大的發(fā)展前景，將是國內外研究和開發(fā)的熱點之一。

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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