偏振成像技术提取目标纹理的研究_毕业论文.doc

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偏振成像技术提取目标纹理的研究

摘要

本文主要通过实验研究偏振图像与强度图像在目标探测方面上的优劣。

实验基于偏振光特性结和Stokes矢量表示法，采用激光主动成像与自然光被动成像两种方式，分别在室内、外进行实验，用CCD采集获得各个目标3幅原始图像，再用Matlab软件对3幅原始图像进行处理，得到多组距离、光强不同的偏振度图像。

获得目标物体的强度图像与偏振度图像比较两种图像的优劣。

实验结果表明：

偏振图像与强度图像相比，偏振图像对低照度（阴影等）部分、边缘部分信息得到增强，偏振信息对物体的纹理探测效果明显。

所以偏振成像技术在军事侦查、目标识别、海洋搜救等领域有广阔应用前景。

关键词：

偏振成像；斯托克斯矢量；图像处理；偏振度图像；强度图

Abstract

Thispaperthroughtheexperimentalstudyofpolarizationimageandimageintensityintargetdetectiononthemerits.ExperimentsbasedonpolarizedcharacteristicsandStokesvectorrepresentation,usinglaseractiveimagingwithnaturallightpassiveimagingintwoways,respectively,andintheindoorexperiment,usingCCDdatafromeachtarget3pieceoftheoriginalimage,andthenMatlabsoftwareonthe3pieceoftheoriginalimageprocessing,resultinginmultiplesetsofdistance,intensityofdifferentdegreeofpolarizationimage.Toobtainthetargetobjectintensityimageanddegreeofpolarizationimagecomparisonoftwoimagequality.Atthesametime,weuselinearpolarizationlaserasthelightsource,makingtargetdetectionandrecognitionexperimentforseveralconventionalman-madeobjectsandthenaturaltargetindoorandoutdoor.Weuseimageacquisitionsystemtogetstrengthimageandpolarizationimageofdifferentroughnessmetaltargetandnonmetallictargets,andwritingmatlabprogramtocalculategrayvaluesofimageandenhanceprocessing.Resultsshowthatinlinearpolarizationlaserirradiation,man-madeobjectsandthenaturaltargethaveverybigdifferenceinrefundpartialnature.Technologyoflinearpolarizationlaseractiveimagingcanimprovemetaltargetandbackgroundcontrasttothebenefitoftargetdetectionandrecognition.Inactiveimagingofpolarizedactiveimaging,smoothsurfacetargetsaremoreconducivetorecognize.

Theexperimentalresultsshowthat:

polarizationimageandstrengthcomparedtoimages,polarizationimageonlowintensity（shadowpart）,edgeinformationisenhanced,thepolarizationinformationofobjecttexturedetectioneffectisobvious.Sothepolarizationimagingtechnologyinmilitaryreconnaissance,targetidentification,marinesearchandrescueandotherfieldshavebroadapplicationprospects.

Keywords:

Polarizationimaging；Stokesvector；Imageprocessing；Polarizationimage；Intensityimage

目录

引言 1

1.绪论 1

1.1课题研究意义及应用前景 1

1.2国内研究现状 2

1.3国外研究现状 4

1.4本文主要研究内容 4

2原理基本概述 5

2.1光的偏振 5

2.2偏振成像的基本原理 6

2.2.1偏振的琼斯矢量 6

2.2.2偏振的斯托克斯矢量 7

2.2.3偏振光的穆勒矩阵表示法 8

3实验方案 12

3.1实验方案及步骤 12

3.2实验仪器及仪器参数介绍 12

4实验数据的分析处理 15

4.1图像处理方法 15

4.2图像数据分析 17

4.2.1激光主动式偏振成像分析 17

4.2.2被动式偏振成像分析 17

4.2.3探所材料与偏振成像间的关系 18

4.2.3探索过高光强对偏振成像质量的影响 20

4.3误差分析 20

4.4实验的不足与改进 21

4.5实验总结 21

5课题结论与展望 22

参考文献 23

附录1 24

附录2 25

附录3 27

第29页共29页

引言

1.绪论

1.1课题研究意义及应用前景

在复杂的背景中识别出感兴趣的目标，尤其是那些经过伪装或具有隐身能力的目标，是情报侦察、战场监视和目标领域中的一个重要课题。

通常的光学监测系统是根据光强的差别来区分目标的，但当强度差别不明显或目标所处的背景杂乱（受植被、地形、天气状况等影响）时，用强度来区分目标就很困难。

偏振成像探测系统正是为了适应这样的需求而发展起来的。

地球表面和大气中的任何目标，在反射、散射和电磁辐射的过程中会产生由其自身性质决定的特征偏振。

太阳光波是电磁波，具有偏振特性的横波。

在自然界中，光滑的植物叶片、江河湖海的水面、冰雪、沙漠、云、鱼鳞和皮革等物体都充当着天然反射起偏器的作用[1]。

自然光照射后，反射光中电矢量垂直分量和平行分量的振幅发生变化，因此，反射光不再是各向同性的自然光，而成为部分偏振光或线偏振光。

人造目标表面较光滑，也起到同样的作用，但它的反射偏振度与背景不同。

物体的表面结构、纹理、光人射角度的不同，都会影响反射光波的偏振状态，从而增强物体表面的某些信息。

激光具有良好的偏振性，现代主动成像系统中通常应用激光作为光源，由于目标表面特征的差异会影响反射光波的偏振度，从而使偏振成为可以用于目标提取和识别的重要特征。

此外，物体的热辐射也有偏振效应。

蕴涵着目标多种信息的偏振特性，能为目标识别提供大量新的资料，具有很高的利用价值。

偏振成像技术是最近十年来国内外发展很快的一项新的成像技术，具有广泛的军用和民用前景。

主要应用有：

（1）探测隐藏或伪装的目标：

偏振信息是不同于辐射的另一种表征物体的信息，相同辐射的物体，可能有不同的偏振度。

使用偏振手段可以在复杂的辐射背景下检测出有用的信号，以成像的方式检测隐藏、伪装的军事目标。

（2）水下目标的探测和识别：

混浊介质中物体的成像目前仍然是科学与工程界较难解决的问题之一。

数年的研究表明，限制水下成像的距离主要有以下原因：

吸收和散射作用造成光在水中的衰减；而光的后向散射造成目标图像的不清晰；目标与探测器之间的光散射使图像模糊并降低图像的对比度。

在水下激光探测的研究中，大多都是利用光强度成像，还有的采用距离选通技术。

因此，绝大多数系统都是通过检测图像在空域的影射强度来达到获取目标信息的目的，而较少考虑散射介质对目标成像所起的干扰作用，而恰恰是这些由于散射介质而产生的散射光对目标的成像产生了比较大的损害。

在水下成像应用中，根据悬浮粒子（水、雾、雨）后向散射光的解偏振度小于物体后向散射光的解偏振度原理，采用线偏振光或圆偏振光作照明光源，并在探测器前放置线偏振器或圆偏振器，以及利用水中粒子散射光和物体散射光解偏振度的差异，来减小悬浮微粒后向光散射光影响，从而可以提高水下物体的图像对比度。

（3）在医学上的诊断应用：

近年来，高散射介质中（尤其在生物组织中）光输运问题被越来越广泛和深入的研究。

在生物医学领域，大部分生物组织对于600-1300nm波段的光都呈高散射低吸收，类似于混浊介质。

并且该波段的光对生物组织没有电离和辐射等危害作用，非常适用于人体组织的无损检测和成像。

因此研究混浊介质中光的散射成像也成了生物光学的热点。

高散射介质中的光学成像主要包括漫射光层析成像，相干光层析成像，早到光子技术（各种门技术），时间分辨光学成像、频域光学成像、超声调制技术，偏振调制技术等。

其中的偏振成像技术是生物医学成像中的一个重要分支。

偏振成像技术具有价格低廉的优点，并且偏振检测可排除组织界面的镜面反射。

偏振成像技术包括：

偏振差异成像、偏振门技术、偏振灵敏光学相干层析术（Polarization-ensitiveOCT）等。

其中偏振差异成像利用介质和目标散射光偏振特性的差异来获取目标物体的信息，去除散射光对成像的干扰；偏振门技术利用偏振光在散射介质中传播时其原偏振态在多次散射中散失而在弱散射中保持部分的偏振态这一特性来分离出非散射或弱散射的光；PS-OCT主要是建立在OCT和SLP（激光扫描偏振计）的基础上，采用偏振低相干干涉的方法，采用介质的偏振特性作为成像因子最近报道的线偏振差异成像表明偏振成像距离是传统强度成像距离的2-3倍。

基于偏振识别的技术对减少后向散射光和提高成像质量方面正成为一项非常有前景的技术。

通常把生物组织看成是一种充满散射和吸收的悬浮粒子，并且散射系数大，吸收系数小。

在激光医学的诊断和治疗中，常需要对其中发生的病变如肿瘤等进行成像。

从水下成像研究中得到启发，由于正常组织和病变组织（肿瘤）在光学特性上有差异，如肿瘤的吸收系数比较大。

若在偏振光入射的情况下，病变组织（成像目标物体）散射光和正常组织散射光的解偏度也具有差异，就能够利用这样的差异，来减小组织中强后向散射光的影响，使对生物组织中肿瘤的成像能够获得较好的对比度。

（4）物体特征识别，如指纹识别；1997年，G.Demos和R.R.Alfano对人体手掌的表皮进行偏振成像研究。

实验用R-6G染料激光器发出的570-635nm的激光束照射样品，CCD相机采集图像，起偏器和检偏器的夹角从0°到90°改变。

通过改变