水下偏振成像技术实验教学化的探索

韩平丽,刘 飞,邵晓鹏,杨 威

(西安电子科技大学 光电工程学院，陕西 西安 710071)

光的偏振特性是光学相关专业培养课程中的重要知识点，是大学物理课程的必学内容，在物理光学课程中进一步深入学习十分必要. 但在实验课程设置中，相关实验主要为大学物理实验中的“偏振现象的观察与分析”，该实验通过观察偏振光透过偏振片和波片后的强度变化确定偏振光类型，验证马吕斯定律[1-2]. 虽然实验设置与课程内容相关性较高，实验原理与结论和理论知识高度重合，但在理论知识的应用和拓展方面有所欠缺.

为了提高光学实验课程设置中偏振实验的应用性和拓展性，本文设计了利用偏振特性进行水下成像的实验，该实验从理论课程中的基础原理出发，增加了偏振特性的实际应用——水下清晰化成像. 所用技术为偏振水下成像技术，该技术具有设备简单、性价比高、成像效果直观等优点. 实验中所涉及的在浑浊水体中的水下清晰成像能够为水下考古、水下救援、水下养殖等领域提供技术支持，是光的偏振特性的重要应用方向. 该实验原理和设备简单，无需对原有实验设备进行大幅度改动；应用方向贴近实际需求，通过实验能够将理论知识和实际应用进行有机结合，现象显著，实验效果良好.

1 实验器材及设备

实验光路如图1所示，实验所用器材和设备包括：白光LED照明光源1个，可见光波段偏振片2个，工业相机(带镜头)1台，计算机1台，浊度仪1台，水槽(80 cm×50 cm×45 cm)1个，表面粗糙目标1个，直尺1把，浑浊水[加入牛奶(脱脂)的自来水混合液]适量.

图1 水下偏振成像实验原理图

2 偏振现象观察：起偏和检偏

实验所用光源为非偏振光，首先利用两线偏振片观察起偏和检偏现象，具体操作如下：

1)按照图2所示搭建光路.

图2 观察起偏和检偏现象的实验光路

2)在光源前插入偏振片作为起偏器，使其可在与光束垂直的平面内旋转，观察光强变化.

3)将第2片偏振片插入白屏与第1片偏振片之间作为检偏器，仅旋转第2片偏振片，观察探测器接收到光斑的光斑变化情况，并判断两偏振片透光轴之间的位置关系.

通过以上操作，可观察到光斑的变化情况如图3所示，其中图3(d)为检偏器与起偏器的透光轴正交的情况，此时无光线透过检偏器，证明了光波偏振特性的存在.

(a)0° (b)30°

3 利用光的偏振特性进行水下清晰成像

3.1 搭建水下偏振成像实验平台及光路

按照图1搭建实验光路. 照明光路由光源和起偏器组成；接收光路由探测器(工业相机)和检偏器组成，二者置于水槽同侧，并成一定夹角. 为避免过多入射光进入工业相机，对成像结果造成较大影响，必要时可用白纸对2部分光路进行隔离. 调整光路使入射光直接照射置于水槽中的目标，可根据水体浑浊度差异调整目标位置，以保证在成像结果中能明显观察到散射造成的“帷幔效应”[3]，即此时成像结果中目标信息明显被覆盖，探测器(工业相机)中无法直接实现目标清晰成像，通过肉眼观察到水体对目标形成明显遮挡，如图4所示.

(a) 73.7 NTU

为确保实验现象明显，即存在明显的散射现象(图4)，需配置浊度较高的溶液. 一般情况下，浊度高于50 NTU的混合液即可视为高浊度溶液. 本文采用体积比为V牛奶∶V清水=1∶1 080，浊度为73.7 NTU的混合液模拟水下真实环境[4].

3.2 实验步骤及数据分析处理

3.2.1 理论分析

根据斯托克斯理论，得到偏振度[5]

(1)

其中，S0为图像总光强，S1为0°和90°偏振方向上光强度的差值，S2为45°和135°偏振方向上光强度的差值，S3表示光波中的圆偏振成分，且S0,S1,S2和S3均为斯托克斯矢量，可分别表示为

S0=I0°+I90°,
S1=I0°-I90°，
S2=I45°-I135°,
S3=Ir-Il,

(2)

其中，Ir和Il分别表示光波中的左旋和右旋圆偏振分量.由于圆偏振分量在自然光中的占比很小，在计算偏振度时通常被忽略，即忽略S3[6]，因此式(1)可改写为

(3)

再依据偏振度与目标清晰图像的关系[7]

(4)

即可求解清晰的目标图像.式(4)中，T(x,y)为目标信息光(即最终求解的清晰图像)，B(x,y)为需要去除的后向散射光，Pb为后向散射光的偏振度，Pt为目标信息光的偏振度；I⊥和I∥分别为2个正交偏振方向上的光强，其中I⊥中的后向散射光最强，I∥中的后向散射光最弱.

3.2.2 实验过程

3.2.1的内容可通过软件处理平台实现，如图5所示.实验过程中，学生将采集的偏振图像输入该平台，即可计算偏振度，从而降低理论计算的难度，有利于提高实验教学效果.

图5 清晰偏振图像处理软件的界面

根据式(2)～(3)，探测偏振信息需获取同一场景中不同偏振方向的4幅偏振子图像，再将4幅子图像输入处理平台，得到最终成像结果，具体操作步骤为：

1)选取偏振片的最初位置为起始位置，该位置图像为水下目标场景的第1幅偏振子图像.

2)旋转偏振片使其透光轴方向相对起始位置分别转过45°，90°和135°，并在每一位置采集1幅水下目标场景图像.实验中需要注意的是：检偏器透光轴的初始位置可置于任意角度，实验过程中仅需保证2幅相邻采集的图像之间角度相差45°即可.

在浊度为73.7 NTU的水体中， 4幅偏振子图像的采集位置分别对应检偏器透光轴为350°， 35°，80°和125°的方向(见图6)，采集到的偏振子图像如图7所示. 观察子图像并分析目标部分与背景部分的差异发现，不同子图像的后向散射光强度存在细微差异，原因在于后向散射光存在一定偏振特性，随着偏振片转动，透过检偏器进入相机的光会发生变化.

(a) 350° (b) 35°

(a) 0° (b)45°

3)将偏振子图像输入软件处理平台(图5)，获取最终水下成像结果，如图8所示. 可见浑浊水体散射作用造成的图像质量退化问题经软件处理平台处理后得到了显著改善，有效提升了图像对比度和视觉效果.

图8 最终成像结果

4 对比实验

实验目的：a.通过实验加深学生对光的偏振现象的认识；b.了解光的偏振特性在实际生活中的应用；c.了解利用偏振特性提高水下图像清晰度的原理；d.掌握获取偏振图像和计算偏振度的方法.

基于上述实验目的，通过调整实验水体的浊度进行对比实验，具体数据如表1所示. 重复3.2.2中的实验步骤，记录采集偏振子图像和最终实验结果.

表1 实验数据

图9所示为在不同浑浊度水体中起始位置处采集到的偏振子图像. 图像因受散射影响而存在明显的“帷幔效应”，目标信息被遮挡，图像对比度低，视觉效果差，且随着浊度的增加，散射光明显增强，视觉效果进一步变差. 因此，研究浑浊水体中的清晰成像方法具有实用意义.

(a) 73.7 NTU (b) 78.0 NTU

将图9中的偏振子图像输入到软件处理平台，可得到最终成像结果，如图10所示. 经对比，本文成像方法能够基本去除浑浊水体强散射对成像结果的影响，从而可大幅提高水下图像的对比度和视觉效果.

(a) 73.7 NTU (b) 78.0 NTU

上述实验可基本实现让学生掌握偏振现象及其实际应用的目标. 该实验平台所涉及的理论和实验装置还可以用于雾霾图像清晰化处理，具有一定的探索性和拓展性.

5 结束语

水下偏振成像实验通过将实际应用转化为实验案例的方式，将光学课程中光的偏振特性这一知识点进行了拓展. 该实验不仅能够满足学生自主搭建光路的要求，还能够让学生观察光的偏振特性. 在此基础上，学生了解了从光的基本特性到利用其实现某一应用目的的思路和全过程，既能够锻炼学生的动手能力，也能够为学生后续进行相关自主创造性设计提供思路、奠定基础.