分振幅偏振成像实验装置的研究

高天元，周扬

（长春理工大学 光电工程学院，长春 130022）

分振幅偏振成像实验装置的研究

高天元，周扬

（长春理工大学 光电工程学院，长春 130022）

偏振是电磁波的重要特征，是光除了波长、振幅、相位以外的又一重要属性。利用物质的不同偏振属性能够为目标的探测和识别提供更多维度的信息。基于偏振成像理论设计了同时偏振成像仪器，并设置了用作对比的普通成像系统。在对系统完成封装后进行了外场的实验，将偏振成像系统获取的图像进行图像融合等处理，目标对比度相比于普通成像系统提升28%以上，体现出了偏振成像在识别目标上的优势。

偏振成像；同时偏振探测；斯托克斯矢量；分振幅

偏振光作为光的一种状态，并不能被人眼所直接获得。地表及大气目标在光的散射、反射及辐射过程中，时刻向外传递着表征自己特征的偏振信息（跟物体材质，表面粗糙度和电导率等属性有关）。偏振成像［1］可将看不见的偏振光可视化，如今已应用于军事［2］、医学［3］、海洋探测［4］等很多领域，受到人们的广泛关注。

根据获得偏振图像的不同方式，可将偏振成像技术分为分时成像和同时成像两种［5］。分时偏振成像是通过调整偏振片和波片位置，在不同时间获得图像并进行偏振处理的偏振成像方式。而同时偏振成像，是在同一时间获取目标背景的多幅图像的偏振成像方式，相比于分时偏振成像系统，其具有可探测动态目标、分辨率高等优点。

1 探测理论分析

Stokes矢量描述法是G.G.Stokes［6］研究部分偏振光时引入的。与Jones R C［7］提出的琼斯矢量使用振幅与相位来描述光的偏振态不同，斯托克斯矢量利用4个参量（斯托克斯参量）来描述光波的偏振态与强度。由于斯托克斯参量是光强的时间平均值，具有强度的量纲，可通过成像设备获取。根据Stokes矢量定义，偏振光可描述如式（1）。其中I0为水平偏振方向光强分量，I90为垂直偏振方向光强分量，I45为偏振方向45°的光强分量，I135为偏振方向-45°的光强分量，IL为左旋偏振光光强分量，IR为右旋偏振光分量。

而出射偏振光斯托克斯矢量Sout与入射偏振光Stokes矢量Sin之间的函数关系，可通过4×4的穆勒矩阵联系起来，关系如式（2）。

2 偏振成像仪器设计及相关参数

系统采用分振幅偏振成像机制。1982 Azzam设计了第一台分振幅偏振测量仪器［8］，即通过分光棱镜、PBS（偏振分光棱镜）等作用，将景物辐射分为4个偏振光束，成像于4个CCD上，再通过将光强线性转为电信号，输出到工作站以进行偏振分析。实验验证装置的成像原理如图1所示。

图1 实验装置成像原理图

景物辐射通过50/50分光棱镜后，分成能量一致的两束光，其中一束经过PBS1（PBS为偏振分光棱镜），分为两路正交的偏振光束，其中CCD1接收水平方向偏振光，光强分量I0，CCD2接收垂直方向偏振光强分量I90。分光棱镜反射的另一束光经过PBS2（PBS2设为与光轴成45度夹角）同样分为两束正交的偏振光束，一束被CCD3接收，表征I45，另一束被CCD4接收，表征I135。工作站获得了这四幅强度图像之后，即可进行处理得出相应的Stokes矢量图。在实际试验中，圆偏振由于光波频率过高，CCD无法分辨，接收到的是匀化后得图像IL与IR，基本一致。其中获取的IL和IR图像运算后为相减图像，没有作参考的价值，所以在实际装置中将波片去除。

为了与偏振图像进行对比，机构中设置了普通成像系统，如图2。普通成像系统的成像透镜与偏振成像系统的相同，在进行完第一次分光之后，使用分光棱镜进行第二次分光，成像于一个CCD上，系统中没有偏振调制的光学元件。

图2 普通成像系统

为了进行外场试验将两个系统安装在盒体底部安装板之上。在盒体后面板设置了电源接口及数据传输的串口，用以对系统内部的成像CCD进行供电和CCD图像的获取。探测时需盖上上盖板，以减少杂散光对内部光学系统的干扰，影响探测精度。外场试验时需要架设三脚架以保证探测过程的稳定性，偏振同时成像仪器实物图如图3所示。

图3 偏振同时成像仪器实物图

3 图像处理及实验结果

为了验证理论及装置，进行相关的外场测试。目标在草丛中，通过装置获取强度图像。测试时间为上午10：50左右，此时天气晴朗，探测角为2°。由CCD获得4幅图像如图4所示。

图4 四个偏振强度图像

实际偏振探测过程中，由于系统噪声和空气中悬浮物等干扰造成的偏振图像位置差异性，所以需要对偏振图像进行融合前的预处理，其中包括基于边缘偏振态图像的去噪和配准。通过去噪和配准后，进行第一次图像融合计算得到S0到S3的四个斯托克斯参量图，如图5。

图5 计算后的四个Stokes参量图

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来表示。经过处理的DOP图像与AOP图像如图6所示。

图6 偏振度成像图像DOP和偏振角成像图像AOP图像

太阳光经过背景反射时，由于背景形状不规则，反射的光波的偏振度小于目标反射光波的偏振度，根据两者偏振度的不同，即可把目标的光信息探测出来。进行第二次图像融合后，获得偏振图像，如图7，以光波偏振度较小草地作为背景，目标为较规则的车辆，经过计算后的偏振图像与非偏振图像进行对比，方框内的对比度提高了44.87%，目标被很好的识别出来。

在图8中，目标停在沙堆旁边。经过偏振图像处理后得出的偏振图像，同样的，草坪的反射光被过滤掉，使得目标装甲车和草坪很好的被区分出来。图像经过偏振处理后，对比度也提高了27.31%。

图8 目标停在沙堆旁的非偏振和偏振图像

可见通过偏振成像和图像融合技术相结合，可以减少复杂背景在探测过程中对目标物识别的影响，提高目标和背景对比度，使得探测目标能很好的被人眼识别出来。

4 结论

本文利用分振幅偏振成像为理论基础，构建了偏振成像系统，通过获取强度图像和偏振图像，来计算出斯托克斯图像及偏振度图像。在两个场景的探测试验中，由于背景与目标的退偏振的差异，偏振成像系统消除了背景光干扰并提高对比度，从而使得在杂乱的背景中将目标识别出来。所设计的系统已被系统集成在设备中，与可移动工作站主机相连，实现了户外探测的可能。偏振成像由于较以往的普通强度成像在很多方向上有其独到的优势，具有巨大的发展前景，将是国内外研究和开发的热点之一。

［1］ 姚启钧.光学教程（第4版）［M］.北京：高等教育出版社，2008.

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［4］ 王朋.基于压缩感知的水下偏振光成像技术研究［D］.西安：中国科学院西安光学精密机械研究所，2015.

［5］ 廖延彪.偏振光学［M］.北京：科学出版社，2003.

［6］ 刘敬，夏润秋，金伟其，等.基于斯托克斯矢量的偏振成像仪器及其进展［J］.光学技术，2013（1）：56-62.

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［12］ 柳继勇，张聘义，肖仁鑫，等.一种偏振红外图像的像素级融合算法［J］.红外与激光工程，2007，36（s2）：286-289.

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