水下目标偏振光学成像实验研究

郭银景， 吴 琪， 苑娇娇， 侯佳辰， 刘 琦， 马新瑞， 吕文红

（山东科技大学电子信息工程学院；交通学院，山东青岛266590）

0 引 言

水下光学成像在水下目标探测［1-2］、海洋资源勘探［3］等领域有广泛应用，然而，由于水体对可见光的吸收和散射作用，造成成像对比度下降，因此克服水体散射对水下成像的影响是亟待解决的问题［4］。偏振光学成像技术作为新兴的水下光学成像技术，可以解决水中悬浮颗粒的杂散光问题，同时能够获取目标物的偏振特性信息。与传统水下成像技术相比，偏振光学成像技术根据光波偏振态的变化分析目标光强图像以及偏振度、偏振角等参数图像，从而满足对探测目标的纹理结果、表面状态和材料类型等信息需求。

Schechner等［5-6］对水下偏振成像技术进行研究，实验采用安装偏振器的探测器，图像强度随偏振角度不同发生信息变化。Yang等［7］提出利用主动非偏振照明的偏振成像技术提高浑浊水下图像的可见度的方法。Tian等［8］提出基于偏振度和多视角图像后向散射强度的物体辐射检索方法。曹念文等［9］开展了偏振成像技术对提高成像清晰度、成像距离的实验，得出偏振图像清晰度与距离的定量关系。吴中芳等［10］、鲍富成等［11］开展水下实验探讨水下偏振成像特性，采用较为昂贵的SALA相机，分析对比偏振图像目物体表面信息。张若兰等［12］提出短相干照明和偏振相结合的水下远距离成像方法，为远距离深海光学监测提供了新的研究思路。现有偏振成像研究实验中探测实验成本较高，并且图像数据处理过程较为复杂。本文以高分辨率、低实验成本以及高便捷性为目标搭建实验平台，研究目标物在水下的偏振成像特性，探讨成像观测角度、成像距离、材料以及浑浊度对偏振成像目标探测的影响。

1 实验原理

1.1 偏振成像基本原理

光的偏振态通常用Stokes矢量表示，描述的光可以是完全偏振光、部分偏振光和完全非偏振光，由于Stokes矢量与光强成正比，可以直接被探测器探测。研究人员利用Stokes-Mueller形式表征偏振光通过不同散射介质的传输特性［13］，Stokes矢量量化表达式为

式中：Eox、Eoy分别表示电场x、y方向的振幅；φ表示两个方向之间的相位差；I表示总光强，代表目标物体的反射率；Q表示0°与90°方向线偏振光之差；U表示45°与90°方向线偏振光强度之差；Q和U反映目标物表面不同的粗糙程度以及纹理等目标辐射信息；V代表总光强的圆偏振，该分量近似为0［14］。通常，确定3个Stokes参量就可以得到光线的偏振态。线偏振度DOLP和偏振角AOP计算如下：

1.2 图像信息提取

采用多种图像质量评价指标，包括图像熵H、标准差D、对比度C以及峰值信噪比（Peak Signal to Noise Ratio，PSNR）对Stokes参数图像I，Q，U以及线偏振度图像DOLP、偏振角图像AOP进行信息分析。通常来说，图像熵H值越大，图像的质量越高；标准差D越大，图像信息反差越大，图像越清晰；对比度C表征图像整体亮暗区域之间的比率，亮暗渐变层次越多，图像信息越丰富；PSNR是评价图像的客观标准，可直观反映图像信噪比的变化情况，其值越大表示图像失真越小。

2 实验材料

实验原理如图1所示，CCD探测器连接上位机，通过旋转偏振片采集不同角度的偏振图像。本实验基于LabVIEW开发摄像和拍摄单帧图像两种拍摄状态。摄像状态下满足实时性要求，能够及时观测实验状态；拍摄单帧图像可实现对图像的保存功能，以完成后续对实验图像的特性分析。偏振成像实验过程中使用的器材料如表1所示。

图1 实验原理示意图

表1 实验材料

3 实验方案

搭建好实验平台后，调整CCD探测器镜头光圈和焦距，根据LED照明光源情况，设置合适曝光时间。在实验过程中注意入射光路和接受光路之间保持一定的夹角，以降低成像过程中的噪声干扰。在探究成像观测角度、放置距离、不同水体浑浊度变化对水下目标偏振成像的影响实验中，选用金属直尺为目标物。

（1）初步偏振成像实验在清水环境中进行，第1种成像方案采用0°、60°、120°偏振图像；第2种成像方案采用0°、45°、90°、135°偏振图像。

（2）偏振成像实验在清水环境中进行，调整水下目标的放置距离为20，30，40，50 cm，选择最佳偏振成像观测角度后，依次采集随放置距离变化的偏振成像数据，确定合适目标成像距离。

（3）配制氧化钙浓度分别为120，240，360，480 mg/L的浑浊水体，采用最佳成像观测角度与成像距离，依次采集在不同水体浑浊下目标偏振成像实验图像。

（4）探讨不同材质目标对水下目标偏振成像的影响时，保持目标物体放置距离与成像观测角度一致，放置金属直尺、印字陶瓷、塑料以及印花皮质4种不同材质的目标物体，观察在理想水体中偏振成像信息差异。

4 实验结果分析

4.1 不同成像观测角度的偏振图像

不同成像观测角度下获取到的偏振图像如图2、3所示。目标物在不同偏振态的光波下具有不同的偏振信息，图4为两种成像方案下获取偏振图像的信息指标变化直观显示状图。对于提出的两种成像方案，计算得到的偏振图像Q、U都能够大部分直观获取目标物信息，但方案1金属直尺刻度信息及轮廓清晰完整，线偏振度图像DOLP与偏振角图像DOP能反映图像偏振信息，在保持图像细节纹理等信息有明显优势。

图2 第1种成像方案图像采集

图4 两种成像方案图像信息指标对比

4.2 不同成像距离的偏振图像

图5 所示为偏振图像I，Q，U以及线偏振度DOLP、偏振角AOP图像标准差D、信息熵H、对比度C以及峰值信噪比PSNR的实验结果变化曲线。可以看出，随成像距离增大，偏振图像标准差呈减小趋势，说明目标距离放置越远，水体后向散射光干扰越强，CCD

图3 第2种成像方案图像采集

图5 不同成像距离偏振图像质量指数变化折线图

探测器接收到的目标反射光就越少。综合多指标变化来看，选取30 cm处偏振图像为最佳成像距离，图像主观其细节信息，亮暗层次变化丰富，且信息熵H、信噪比PSNR等满足指标需求。

4.3 不同目标材质的偏振图像

根据上述探究实验分析，选取最佳成像观测角度0°，60°，120°，并在目标距离30 cm处对金属直尺、印花塑料、羽毛球以及木块等进行偏振成像。图6为各目标物的偏振分量图像。一般来说，塑料通常会有较高的退偏能力［15］，而光滑的金属则相反。根据表2信息，可以看到塑料、布条等偏振光总光强图像I对比度指标高于金属直尺、玻璃等，且在水体环境中经过反射、散射的光，使得表面较为粗糙的目标物其线偏振度图像DOLP以及偏振角图像AOP边缘信息层次明显。

图6 不同材质的目标物水下偏振图像I、Q、U以及线偏振度图像DOLP、偏振角图像AOP图像

表2 不同成像距离偏振图像对比度指标

4.4 不同水体浑浊度的偏振图像

随着氧化钙浓度的逐渐增大，光波受浑浊水体的吸收作用及水中悬浮颗粒的后向散射作用增强，图像噪声加大，直至目标物金属直尺刻度消失在浓度较高的水体中。水体中不规则颗粒的散射作用导致偏振图像I，Q，U退偏作用显著。偏振图像质量评价指标结果如图7所示，随着水体浊度的不断增大，信息指标逐渐减小，背景噪声干扰较强，目标物包含的细节信息显著丢失，但偏振图像I，Q，U信息指标数值相对较大，包含较为丰富的图像信息。

图7 不同浑浊度下偏振图像质量指数变化折线图

5 结 语

偏振成像实验分别从目标成像观测角度、目标物距离、目标材质以及水体浑浊度等4个方面进行，获取斯托克斯矢量参数图像，就图像信息指标分析偏振图像信息质量，得到以下结论：经实验对比分析，采集0°、60°、120°偏振角度图像更优，实验操作简便；随着目标物距离的不断增大，目标物在成像过程中逐渐变小，偏振成像图像信息指标衰减缓慢，在相对较远成像距离偏振成像信息仍有较丰富的纹理信息；不同材质的目标物在水体中的偏振特性表现出较大差异，木块等粗糙表面目标物线偏振度图像所包含的信息普遍比金属直尺等具有光滑表面目标物丰富；随着水体浑浊度的增大，获取图像背景噪声显著，从而导致目标物体不清晰，根据对比度C的计算分析可知，偏振图像在浑浊水域仍能获取水下目标物边界及轮廓基本信息。