偏振成像及其优化技术研究*

李大林，唐　军，王　飞，张　楠，王晨光，任建斌，薛晨阳，刘　俊，刘丽双

（中北大学电子测试技术重点实验室，太原030051）



偏振成像及其优化技术研究*

李大林，唐军，王飞，张楠，王晨光，任建斌，薛晨阳，刘俊，刘丽双*

（中北大学电子测试技术重点实验室，太原030051）

摘要：偏振成像技术中成像器件所接受到的曝光量以及成像器件的灵敏度都对图像的质量以及偏振信息的获取产生了关键性的影响。从成像器件所接受到的曝光量以及成像器件的灵敏度两个方面分别分析其对天空偏振信息获取的影响。在日照充足的晴朗天气下，器件很容易发生过曝，所以首先要采取减小曝光量的方法来进行成像。实验表明，将曝光量减小5倍，偏振信息的精确度可提高48%。其次通过控制灵敏度来控制器件对于光线的敏感程度。实验表明，灵敏度每降低一个等级，相似度就可以提高5%，并且在感光度为100时相似度可达到最大值，这时的测量精度最高可达70%左右。

关键词：偏振成像；感光元件；曝光量调节；灵敏度调节

项目来源：国家重点基础研究发展计划项目（2012CB723404）；国家杰出青年科学基金项目（51225504）；国家自然科学基金培养项目、面上项目、青年基金项目（91123016，61171056，51105345）；山西省高等学校优秀青年学术带头人支持计划项目

对于地球表面和大气中的任何目标，在反射、散射和透射太阳辐射的过程中，都会产生其自身性质决定的偏振光谱特征。通过获取目标的偏振光特征可以为被观测目标提供传统方法无法获取的信息［1］。所以，通过一定技术手段获取高质量的偏振信息图像对于今后偏振光检测在各领域的应用至关重要。

美国的Kenneth J Voss教授［2］等在1996年设计了一种包含CCD相机和鱼眼镜头的天空偏振测试系统。科学家Gabor Horvath等在2002年设计出由3台相机和3个透镜组成的偏振测试仪。Kreuter A， Emdeh C，Blumthaler M等［3］设计了可自动旋转偏振片的鱼眼照相系统。国内在偏振成像方面的研究较晚，但也取得了一定成果。中科院安徽光学精密机械研究所研制了可调波段CCD相机机载原理样机，解决了机载平台多波段成像的偏振信息获取的关键技术［4］；刘俊课题组的研究人员通过设计仿生偏振传感器，成功获取了天空光的偏振分布信息［5］。

在获取偏振信息时，通常采用的是斯托克斯矢量偏振成像原理，利用光电成像器件，将偏振信息转化为二维图像信息，用灰度值分布来表示光强的分布，进一步得到偏振度和偏振方位角分布规律［6］。但是成像器件的成像过程只能感受光线的强弱，并不能分辨颜色，并且也不能完全将入射的光子转化为电信号。另外，在光强很大或很小时，超过了成像器件的动态范围，偏振信息就不能准确地由光强来表示了。

针对以上问题，本文在偏振成像原理的基础上，通过研究获取二维偏振图像时影响器件成像的因素，结合实验，比较分析了优化前后偏振图像的精度，得到最佳图像获取参数。

1　原理及实验

1.1偏振成像原理

偏振信息的表示方法有很多种，在描述大气偏振时常采用斯托克斯矢量［7］。斯托克斯矢量包含4个有强度量纲的参量，可以表示为：

其中I为总光强；Q表示水平和垂直两个方向的强度差；U则表示两个对角线方向的强度差；V表示圆偏振分量的强度。如图1所示，当偏振片的透光轴与x轴的夹角为θ时，可以将探测到的光强I0表示为：

由于圆偏振的分量极少，一般假设V=0，因此，只需3组独立的I0值就可确定I、Q、U。得到了斯托克斯矢量以后，偏振度和偏振角就可由式（3）计算得到［8］：

图1　偏振片成像系统

1.2实验平台

图2是实验测量系统示意图，系统由鱼眼镜头、偏振片、CCD相机及云台构成。在实验过程中保持整个系统水平，在设置CCD相应参数后选取偏振片透光轴方向为0°、45°、90°（以0°为参考）时的3个状态来实时获取天空偏振信息。

图2　实验测量系统示意图

2　实验结果及分析

2.1曝光量对偏振信息的影响

图3、图4分别是曝光时间为1/125 s，感光度为100和曝光时间为1/250 s，感光度为100时得到的实验结果，图中由上到下分别是光圈F值为18、13、10、8和7.1时的实验数据。

图3　曝光时间：1/125 s；ISO：100

图4　曝光时间：1/250 s；ISO：100

其中（a）为相机实拍的照片、（b）为实测得到的偏振度分布图、（c）为实测得到的偏振角分布图、（d）为理论仿真的偏振度分布图和（e）为理论仿真的偏振角分布图。

从图3（a）、4（a）中可以发现相同的曝光时间下，当感光元件的照度变大时，曝光量也在增大，而偏振度分布图3（b）、4（b）中显示随着照度的变大偏振度在减小。接下来对实测数据与理论数据进行相似度比较，结果如图5所示。从图5中可以发现当光圈值在增大时，即曝光量减小的过程，相似度都会呈现出一种上升的趋势。数据显示，将曝光量减小5倍，偏振信息的精确度可提高48%。

图5　不同F值下偏振度、偏振角相似度变化曲线

针对这种变化，我们从感光器件的工作原理上进行了分析。对于实验中的成像器件CCD来说，感光单元只能感受光信号的强弱，其像素位置通过图像传感器输出的颜色分量，事实上是对可见光波长范围内的光强按不同的加权求和得到的［9］。灰度值D则是用来衡量图像的明暗程度，它与器件接受的曝光量H有很大关系［10］，曝光量的定义如式（4）所示：

其中E代表光敏器件表面的照度，它是反映光照强度的一种单位，其物理意义是照射到单位面积的上的光通量。其中照度可以通过调节光圈来控制［11］，两者满足关系式：

q是物镜的特性参数，B表示亮度，实验中不关注这两个量的影响。F值是镜头焦距与光圈直径的比值，通常用来表示光圈的大小。由式（5）得知，照度与光圈F值得平方存在反比关系，所以一般通过改变F值的大小来控制感光元件表面的照度。曝光时间T可以理解为积分时间，在此期间光生电子存在一个积累过程。曝光时间越长，曝光量就越大。事实上，感光器件输出的灰度值D与其曝光量H在一定范围内存在线性关系，这个范围就定义为感光器件的动态范围［12］，动态范围越大，它能适应的光线强度变化范围就越大。

偏振度是一个计算结果，实测得到的是偏振片偏振极性方向在0°、45°、90°状态下对应的的光强值。当感光器件工作在线性区测得的光强值与实际光强值保持线性关系，而当曝光量变大时，感光器件工作在非线性区，这3个强度值的误差就会变大，所以计算得到的偏振度就会减小，相似度也就会降低。而图5中1/250 s时偏振度和偏振角的相似度在光圈F值为18时较低，与1/125 s时曝光时间又减小了一倍，根据式（4），这时的曝光量就减小了一倍，超出了动态范围的下限，相似度也呈现出了减小的趋势。

根据以上分析可知，在晴朗的白天由于外界光强很强，所以要尽量减小感光元件的曝光量，保证其工作在动态范围内，这样既可以得到较高的偏振度，又可以得到良好的相似度。

2.2灵敏度对偏振信息的影响

图6、图7是在曝光时间1/125秒，光圈F值为13时，使ISO值从F、100、125、160、200、250、320、400、500、640依次改变得到的。

图6　曝光时间：1/125 s；F=13

图7　曝光时间：1/125 s；F=13

其中（a）为相机实拍的照片、（b）为实测得到的偏振度分布图、（c）为实测得到的偏振角分布图、（d）为理论仿真的偏振度分布图和（e）为理论仿真的偏振角分布图。从图6、图7可以发现，当感光度不断增大时不仅实测的偏振度分布会发生变形，而且在不断减小。同样，我们也进行了相似度的比较，如图8所示。

观察图8发现，在晴朗的白天，当感光度设为最低档L时，实测偏振度和偏振角的相似度并不高，而当感光度为100时相似度达到了最大值，之后，再增加感光度时，相似度就呈现下降趋势，而灵敏度每升高一个等级，相似度就将降低5%左右。并且在感光度为100时相似度可达到最大值，这时的测量精度最高可达70%左右。从另一方面讲，感光度也反映了正常曝光所需要的曝光量，感光度越高，所需曝光量就越少。当感光度最低时，按器件设置的参量，接受的曝光量不足，就会导致相似度较低。当感光度达100以上，其接受的曝光量已满足，效果达到最好。

图8　不同感光度下偏振度与偏振角的相似度

CCD的成像过程可以分为3个阶段，第1阶段是光信号转换为电信号并存储的过程；第2阶段是电荷转移输出的过程；第3阶段是信号读出发放大的过程。在第3个阶段中，CCD图像传感器内部放大电路的放大倍数是可以调整的。改变放大倍数，相当于改变了器件感受光线的灵敏度。而感光度就是衡量灵敏度的一个量。当提高感光度时，传感器存储的电荷就会被放大，但放大有效信号的同时也放大了噪声。另外，CCD的工作特性决定了蓝通道噪声的不可避免［13］。因为感光器件对光线中红、绿、蓝3个分量的敏感程度并非完全一致，对绿光的敏感度最高，然后是红光，对蓝光的敏感度最差。因此，相对于红光、绿光两分量，在相机内部的控制电路对蓝光分量的增益更多。当提高感光度值时，蓝分量信号的增益系数就会相对较高，因此，真实信号放大的同时，噪声信号也相应地被放大了，图像就出现了噪点和失真。在图6和图7中可以清楚地发现，当感光度增大过程中，偏振度与偏振角分布图的失真情况越来越严重，可见在光线充足的情况下要尽量采用低感光度，避免太大噪声影响。

3　结论

结合理论和实验得知，在测量偏振信息时，影响测试结果的主要因素是感光元件的曝光量和灵敏度。实验结果表明，在光线强度较大的晴天，通过适当减小曝光量，使得感光器件能够工作在动态范围内，同时，由于光线情况足够好，保持灵敏度参数感光度的值为100，就可以得到良好的偏振信息。由此我们可以进一步得出，在黎明或傍晚光线强度较弱时，可以增大感光元件的曝光量来获得较好的效果；在夜间光线强度极其微弱，可以通过增大器件的灵敏度，同时辅以增大曝光量来获得高质的偏振图像。

参考文献：

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［2］Kenneth J Voss，Yi Liu. Polarized Radiance Distribution Measure⁃ments of Skylight.Ⅰ. System Description and Characterization ［J］. Applied Optics，1997，36（24）：6083-6049.

［3］Kreuter A，Emde C，Blumthaler M. Measuring the Influence of Aerosols and Albedo on Sky Polarization［J］. Atmospheric Re⁃search，2010，98（2）：363-367.

［4］杨伟峰，潘玲，洪津，等.多波段CCD相机的辐射定标研究［J］.高技术通讯，2004，14（10）：11-15.

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［13］史贺峰.关于高感光图像去噪算法的研究［D］.上海：上海交通大学电子信息与电气工程学院，2008：9-15.

李大林（1989-），女，硕士研究生，主要从事偏振光导航信息处理方面的研究，lidalin8356@126.com；

刘丽双（1968-），女，博士，教授，主要从事微米纳米技术、惯性测试技术及仿生导航方面的研究，lls@nuc.edu.cn。

Design of Multi Channel High Precision Voltage Conversion Module Based on C51*

WANG Zhiwei*，LU Jinjun

（Department of Electrical Engineering，Jiangsu College of Information Technology，Wuxi Jiangsu 214153，China）

Abstract：We set up a multi channel high precision voltage conversion module in order to meet the requires of cali⁃bration thermocouple and after level controller in different industrial field，thus realizing high precision temperature measurement. This module generates the standard bipolar signal which is accordant with the after level measurement and control requirements. The hardware system of module uses C8051F064 as the control core，in which sets up lin⁃ear operational amplifier circuits with high performance chip such as AD8572 and the military level precision dis⁃crete device，in which achieves high resolution output with 16 DA converter MAX5541. According to test the physi⁃cal output by given 0~10 V input voltage point by point，the measured results show that the module has good stabili⁃ty，high conversion accuracy（up to±0.01%），fully meet the needs of different industrial field.

Key words：voltage conversion module；high-precision，SPI bus；physical test；linearity

doi：EEACC：1290B10.3969/j.issn.1005-9490.2016.01.008

收稿日期：2015-04-01修改日期：2015-04-26

中图分类号：P401；O241.2

文献标识码：A

文章编号：1005-9490(2016)01-0032-04