完整版偏振成像技术提取目标纹理的研究毕业设计.docx

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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

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。

通过改变偏振片间的夹角，获取了样品的表面和深层次信息。

（5）在烟雾气候环境条件下的导航。

（6）区分金属盒绝缘体，或从引诱物中区分真实目标。

（7）星载或者机载遥感。

（8）检测材料的物理特性。

（9）实现对小温差目标的探测和识别。

（10）海面目标的探测和识别。

（11）与其它的技术结合，如多光谱偏振红外成像，超光谱偏振红外成像等。

1.2国内研究现状

国内对利用偏振光主动成像研究起步较晚，但是近几年也逐步赶上了国外研究的脚步，并在实际应用中得到体现。

由《科学导报》评选的2006年中国重大科学进展发布，上海光机所周常河研究员、陆云清博士“首次发现偏振光栅自成像效应”入选2006年中国基础科学研究领域重大进展。

该项研究从理论上证明了偏振光栅自成像效应的存在，对高密度光栅的使用有着重要的参考价值，对相关开发、利用和检测等具有实际意义。

2010年，自从阿凡达一声怒吼，3D就成了高科技的全新代名词。

一时间索尼、夏普、松下、三星等国际家电企业都纷纷推出了自己的3D电视机产品，而国内企业也不甘人后，也先后推出了自己的3D电视机产品。

现在3D电视应用最广泛的“主动式快门3D成像技术”，这种成像技术是将两组液晶片构成一个眼镜，通过接收频闪信号，开启/关闭其中一只镜片，因为人类大脑在处理视觉信号时，会有非常简短的时差，而快门眼镜的频闪速度略快于大脑对图像的处理速度，这样就让两只眼睛虽然看着同一个屏幕，但却要看到略有偏差的两个不同画面。

但是其缺点在于带上这种加入黑膜的3D眼镜以后，每只眼睛实际上只能得到一半的光，因此主动式快门看出去，就好像戴了墨镜看电视一样，而且眼镜很容易疲劳。

再者主动式快门眼镜受到那块液晶层的限制，镜片面积也不能做得太大，对部份的人来说，特别是有戴眼镜的人群会很容易看到四周粗粗的黑框。

观看起来感觉非常不好。

同时由于不同的帧变化间断时间和人的个体差异不同，眼镜的疲劳程度和大脑的劳累速度也是不同的，最严重的长时间观看可能引发呕吐等现象。

所以我们研究了偏振3D技术，偏振3D技术起源早于主动式快门3D技术，与主动式快门3D技术不同，偏振3D技术依靠的是光学原理，而正因为光学技术的限制，所以目前主要只要应用于影院。

偏振3D电视的开发，现在还处于一个起步状态。

据了解，由于成本问题，全球现在只有我国的台湾友达光电与TCL大力推广偏振3D液晶技术。

2011年3月4日至5日，由中科院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室和中科院太阳活动重点实验室（国家天文台）联合举办的上海第19期交叉学科论坛，在中科院上海交叉学科研究中心召开。

会议的主题为“中红外太阳偏振成像观测的技术与方法”。

研讨会由中科院上海技术物理研究所陆卫研究员主持，国家自然科学基金委数理学部常务副主任汲培文、中科院基础科学局天文力学空间科学处薛艳杰副处长、中科院国家天文台郝晋新副台长、中科院上海技术物理研究所戴宁副所长和沈学础院士等30余位专家学者出席了研讨会。

会上得出以下结论中红外波段是迄今为止尚未完全开启的太阳观测窗口，其间孕育着诸多的科学机遇。

中红外波段以大气视宁度好、大气散射光小、仪器散射光小等特性，使其在技术方面具有得天独厚的优势。

更为重要的是，对于太阳物理研究而言，由于太阳大气中磁场所致的谱线Zeeman分裂，以及电场所致的Stark分裂都与波长平方成正比，因而在红外波段可望获得更精确的磁场信息，特别是横场信息，同时也可望直接测量目前尚无法直接获得的电场信息，因而红外观测对理解太阳磁场本质和起源、磁场相互作用机制及其对日地空间环境的影响都有极其重要的作用。

中国红外天文学发展的重要意义，不仅体现在太阳研究方面，同时也体现在夜天文的观测研究方面。

红外波段无疑在我国未来的南极项目和空间站项目望远镜系统中成为非常重要的波段。

目前我国发展红外探测技术已经具备条件和需求，然而我国的红外探测器技术仍是红外天文学发展的最大技术瓶颈。

由于太阳是强源，可获得较高的信噪比，因此以太阳观测作为红外探测技术向天文领域发展的切入点是合适的。

为此探测器可以首先在该水平上获得突破和应用，再向更高水平发展。

在太阳红外探测技术发展中，最需关注的方向是集高光谱分辨、高空间成像分辨和高偏振分辨三者为一体的探测技术，这将形成高斯级磁场测量灵敏度的太阳成像技术。

考虑到目前技术的可行性，建议首先考虑将太阳探测的波段从可见发展到红外，重点关注10.5微米和12.3微米两个特种光谱线的探测。

考虑到未来能够向理想的三位一体技术发展，建议采用我国自行发展的傅里叶光谱仪（FTS）分光成像技术。

同时建议采用深低温致冷的高灵敏量子阱红外探测器技术，以此保证太阳红外探测技术得以持续自主地发展，为未来的我国大型太阳望远镜计划关键技术攻关奠定基础。

1.3国外研究现状

偏振光主动成像在一些国家已经比较彻底的应用，以美国、加拿大等发达国家为首在太空、军事、搜救等诸多领域将技术得以实现。

1996年，法国研制的测量地球反射的偏振和方向性（PolarizatiaoandDirectionalityoftheEarthReflectance,POLSER）仪器，有日本卫星（ADEOS）携带进入太空轨道运行，该仪器有8个通道，其中三个为偏振通道，主要用于观测云、大气溶胶以及陆地与海洋表面的状况测量。

诺斯罗普·格鲁曼公司的rq-4a“全球鹰”是美国空军乃至全世界最先进的无人机。

可从美国本土起飞到达全球任何地点进行侦察，或者在距基地5500km的目标上空连续侦察监视24h，然后返回基地。

机上载有合成孔径雷达、电视摄像机、红外探测器三种侦察设备，以及防御性电子对抗装备和数字通信设备。

合成孔径雷达的探测距离范围为20～200km，图像分辨率为0.9m，可区分小汽车和卡车；或者对1900个2km×2km的可疑地区进行仔细观察，图像分辨率为0.3m，能区分静止目标和活动目标。

电视摄像机用于对目标拍照，图像分辨率接近照相底片的水平。

红外探测器可发现伪装目标，分辨出活动目标和静止目标。

侦察设备所获得的目标图像通过卫星通信或微波接力通信，以50Mb/s的速率实时传输到地面站，经过信息处理，把情报发送给战区或战场指挥中心，为指挥官进行决策或战场毁伤评估提供情报。

其中红外探测器就是使用红外偏振成像技术。

1.4本文主要研究内容

通过结合斯托克斯矢量矩阵，利用实验得到的3个偏振方向（0°、60°、120°）的原始图像，再经过Matlab软件处理，得出偏振度图像。

比较了偏振度图像与强度图像对目标识别的效果，来说明偏振图像在识别目标物的纹理细节方面的良好效果。

2原理基本概述

2.1光的偏振

光的振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振，它是横波区别于其它纵波的一个最明显的标志。

光波电矢量振动的空间分布对于光的传播方向失去对称性的现象叫做光的偏振[4]。

只有横波才能产生偏振现象，故光的偏振是光的波动性的又一例证。

在垂直于传播方向的平面内，包含一切可能方向的横振动，且平均说来任一方向上具有相同的振幅，这种横振动对称于传播方向的光称为自然光（非偏振光）。

凡其振动失去这种对称性的光统称偏振光。

图2.1非偏振光与偏振光

（1）线偏振光

　　在光的传播方向上，光矢量只沿一个固定的方向振动，这种光称为平面偏振光引，由于光矢量端点的轨迹为一直线，又叫做线偏振光。

光矢量的方向和光的传播方向所构成的平面称为振动面。

线偏振光的振动面固定不动，不会发生旋转。

极大多数光源都不发射线偏振光而发射自然光。

（2）部分偏振光

　　光波包含一切可能方向的横振动，但不同方向上的振幅不等，在两个互相垂直的方向上振幅具有最大值和最小值，这种光称为部分偏振光。

自然光和部分偏振光实际上是由许多振动方向不同的线偏振光组成。

　　当光线从空气（严格地说应该是真空）射入介质时，布儒斯特角的正切值等于介质的折射率n。

由于介质的折射率是与光波长有关的，对同样的介质，布儒斯特角的大小也是与光波长有关的。

当入射角偏离布儒斯特角时，反射光将是部分偏振光。

（3）椭圆偏振光

　　在光的传播过程中，空间每个点的电矢量均以光线为轴作旋转运动，且电矢量端点描出一个椭圆轨迹，这种光称为椭圆偏振光。

迎着光线方向看，凡电矢量顺时针旋转的称右旋椭圆偏振光，凡逆时针旋转的称左旋椭圆偏振光。

椭圆偏振光中的旋转电矢量是由两个频率相同、振动方向互相垂直、有固定相位差的电矢量振动合成的结果。

（4）圆偏振光

旋转电矢量端点描出圆轨迹的光称圆偏振光，是椭圆偏振光的特殊情形。

在我们的观察时间段中平均后，圆偏振光看上去是与自然光一样的。

但是圆偏振光的偏振方向是按一定规律变化的，而自然光的偏振方向变化是随机的，没有规律的。

2.2偏振成像的基本原理

在光学中运用矩阵方法，可以使某些繁复的光学问题（比如几何光学计算、薄膜干涉和偏振态）变得简洁方便，并便于利用电子计算机来进计算，因此这种方法的运用日益得到重视，这里介绍3种偏振态的矩阵表示法（琼斯、斯托克斯、穆勒），并说明如何用矩阵来描述偏振态的物理特性。

2.2.1偏振的琼斯矢量

偏振光最一般的形态是椭圆偏振光，因为平面偏振光和圆偏振光都可看作是椭圆偏振光的特例，因此，设沿z轴传播的椭圆偏振光的光矢量在坐标轴上的投影分别为

（2-1）

略去公因子，用复振幅表示为:

（2-2）

正如普通二维矢量可用由它的两直角分量构成一列矩阵表示一样，任一偏振光可以由它的光矢量的两个分量构成的一列矩阵不来表示，这个列矩阵称为琼斯矢量，它是美国物理学家琼斯在1941年首次提出的，并记作：

（2-3）

这束偏振光的强度为：

（2-4）

因为通常我们关心的是相对强度，所以可以将（2-3）式除以，得到琼斯矢量的归一化形式，即

（2-5）

我们感兴趣的是位相差和振幅比，因而通常还可将式（2-3）中所有公共因子提出来得到更简洁的表示。

（2-6）

式中

2.2.2偏振的斯托克斯矢量

理想的单色光一定是偏振的。

对于偏振光，随着时间的推移，电场矢量的端点在空间沿着一个椭圆做周期旋转，其中的特例就是椭圆退化为圆或直线。

而对非偏振光而言，电场矢量终点的运动没有任何规律，即在电场矢量与传播方向垂直的平面上的投影不具有方向性。

完全偏振和非偏振是两种极端情况，对大多数情况而言，光场矢量方向的改变既不是完全有规律的也不是完全没规律的，这样的光称为部分偏振光。

1852年，Stokes在关于部分偏振光的研究中引进了Stokes矢量来表征偏振态。

相对于Jones矢量用振幅和相位描述光波的偏振态，Stokes矢量则利用4个参量（Stokes参量）描述光波的偏振态和强度。

与Jones矢量的参量不同的是，Stokes参量均是光强的时间平均值，具有强度的量纲，可以直接被探测器探测。

在偏振遥感技术应用领域，一般采用Stokes矢量分析准单色平面波的偏振状态，也就是说可以描述完全偏振光、部分偏振光以及自然光。

Stokes矢量可以表示为：

（2-7）

其中：

各分量与光波电场的关系为：

（2-8）

式中：

Ex和Ey分别是光波电场沿x轴和y轴的分量（z轴为光的传播方向）。

代表非偏振光强，代表水平（x轴）偏振和垂直（y轴）偏振间的强度差，代表光线偏振部分方向在45°（xoy平面内与x轴成45°）和-45°之间的强度差，代表光的左旋和右旋圆偏振分量的强度差。

由于圆偏振分量很小，相对于仪器的误差可以忽略，故通常=0。

在任一个xoy平面中，在与X轴夹角为的方向上进行观测所得到的光强可以引用下列表述：

（2-9）

因此，要完全确定一束光的偏振态，需要三个独立数据来建立方程组求解I、Q、U。

只要测出三个不同角度处理的线偏振分量光强，即可解得参量I、Q、U。

当分别为0°、60°、120°三个不同角度时，以下关系成立：

（2-10）

由此对应的偏振度和偏振角公式为：

（2-11）

如果接收到的光强能量有变化，则：

（2-12）

对应的偏振度和偏振角分别为：

（2-13）

因而，当外界光强变化时，偏振图像对应的偏振度和偏振角的值不变。

2.2.3偏振光的穆勒矩阵表示法

利用斯托克斯矢量表示光的偏振状态，大大地简化了对光的偏振现象的分析。

对于每一个偏振的光学组件都可以用一个4*4的矩阵来描述其对光束状态的影响，这么一个矩阵称为穆勒矩阵。

穆勒矩阵是一种对于描述光学器件对光束的改变（包括光强的衰减和退偏等）的一种理想的方法。

如果入射光的偏振信息完全已知，即知道光束的斯托克斯矢量的话，那么通过穆勒矩阵对其进行变换，就可以得到光束经过这一偏振组件之后的输出斯托克斯矢量。

另外由于斯托克斯矢量的可以测量的特性，可以通过测量斯托克斯矢量来确定光路中的一些参数。

目标与入射光Stokes矢量Sin和散射光的Stokes矢量Sout的偏振态之间的关系可以用穆勒（Mueller）矩阵M（Mij，i，j=0、1、2、3）表征：

（2-14）

或表示为：

（2-15）

矩阵包括了目标引起的所有偏振影响，例如退偏振、双向衰减和延迟。

Mueller矩阵不仅依赖于目标参量，例如目标的材料、表面粗糙度，而且依赖于入射光波长、入射角及测量仪器的特性（孔径、观测方位）。

斯托克斯参量与琼斯矢量不同，都是实数，而且具有强度的量纲。

所以实际测量是可能的，并具有即使器件很多时也能直接地进行计