基于振幅分割的全偏振成像系統(tǒng)研究

摘要：偏振是光除了波長、振幅、相位之外的又一個重要特征，可以利用光波的偏振特性來研究物質的特性，進行目標探測。本文用斯托克斯參量對所搭建的分振幅成像系統(tǒng)進行分析。文章主要介紹了系統(tǒng)的結構、工作原理以及光學設計，并采用了E-P定標方法，建立了一個適合本系統(tǒng)的定標系統(tǒng)，并用該系統(tǒng)進行試驗，得到了具有較高空間分辨率和光譜分辨率的的圖像，證明了該系統(tǒng)獲取成像數(shù)據的能力。

關鍵詞：分振幅 偏振成像 系統(tǒng)定標 斯托克斯參量

中圖分類號：TN919.8 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）10-0075-02

偏振是光的一種重要屬性，通過對偏振態(tài)的測量，可以得到被測物體的很多特征信息，因此成像探測技術廣泛應用于目標識別、地圖繪制、生物醫(yī)學、機器視覺、地物遙感等領域[1]。而分振幅光偏振探測法以其優(yōu)越的穩(wěn)定性、較高的測量精度、快速的探測速度[2]等優(yōu)點得到了廣泛的研究和應用。與傳統(tǒng)成像技術相比，偏振成像探測技術不僅可以獲取傳統(tǒng)成像信息，還可以獲取偏振多維信息[3]。而分振幅同時成像探測技術更是以其穩(wěn)定、快速、高精度等特點在很多領域得到了廣泛的研究與應用。

從1982 年美國學者Azzam設計了第一臺振幅分割的高速測量光偏振的裝置開始，三十多年來，分振幅偏振測量技術得到了長足的發(fā)展，但是由于國內起步較晚，偏振探測技術遠不如西方國家成熟。本文將對分振幅全偏振成像系統(tǒng)的搭建、原理和系統(tǒng)定標進行介紹。

1 系統(tǒng)結構

基于分振幅全偏振成像系統(tǒng)由光學鏡頭、分光棱鏡、1/4波片、1/2波片和CCD相機組成。圖1是系統(tǒng)結構圖和實物圖，系統(tǒng)主要分為偏振成像部分和系統(tǒng)采集部分，系統(tǒng)通過控制板控制采集5幅圖像，其中一路為原始圖像，用于圖像處理后的對比分析，其余四路為偏振圖像，對應的四個CCD相機上分別為4 幅線偏振強度圖像（0°、90°、45°、135°）。然后圖像處理模塊對接收的圖像進行計算可以得到一組線性方程組，利用反演得到Stokes矢量的四個分量的值，進而求解出偏振度圖像和偏振角圖像。

2 光學設計

圖2是光路圖，目標輻射通過物鏡到達非偏振分光棱鏡RS，分成相互垂直的兩路。一路經過方位角45°的1/4波片調制，然后入射到偏振分光棱鏡，分為相互垂直的兩路，分別在CCD1和CCD2成像。另一路經過方位角22.5°的半波片調制，入射到偏振分光棱鏡，分為相互垂直的兩路，分別在CCD3和CCD4成像。四個CCD相機上分別為4幅線偏振強度圖像（ 0°、90°、45°、135°）。

3 系統(tǒng)定標

為了準確的得到目標反射光的偏振特性，需要對系統(tǒng)進行定標，求得系統(tǒng)矩陣。入射光的不同偏振態(tài)可由圖3光路產生，P為偏振片，L為1/4波片，光經過1/4波片后光的偏振態(tài)為S。

可知只要求出矩陣A，且其行列式不為0，由探測器測得的光強矩陣，可得，可求得入射光的偏振態(tài)。可以看出用已知斯托克斯參數(shù)的偏振光來直接測量，便可以得到系統(tǒng)矩陣A。

定標過程為：第一步，使用線偏振態(tài)，移去定標系統(tǒng)中的1/4波片。在0°到360°范圍內旋轉偏振片，每隔10°記錄一組偏振實驗數(shù)據，歸一化后利用最小二乘法，得到矩陣A的前三列。第二步，使用圓偏振態(tài)，將1/4波片安裝到系統(tǒng)前，調整1/4波片和偏振片的方位角，分別使二者方位角夾角為45°和-45°，每隔10°記錄一組數(shù)據，共得到36組數(shù)據（18組右旋圓數(shù)據，18組左旋圓數(shù)據），用最小二乘法得到A的最后一列，定標過程參考[5]。選幾組不同于定標的偏振態(tài)，用系統(tǒng)矩陣求得入射光Stokes參量的實驗值，與理論值進行對比，實驗結果的相對誤差在4%以內，具有較高一致性，證明所求得的系統(tǒng)矩陣是準確的。

4 試驗與分析

對成像系統(tǒng)進行封裝，并安裝在三腳架上，試驗目標背景比較雜亂，有顯示器、激光發(fā)射器、電路板、紅色的金屬小車、黃色的柚子皮和白色的插排，在弱光條件下，無法分辨出背景中的物體。用上述偏振成像系統(tǒng)對目標場景成像，同時獲得目標的四幅偏振態(tài)圖像，并計算得到斯托克斯參量成像圖像如圖4所示。計算所得偏振度成像圖像DOP和偏振角成像圖像AOP如圖5所示。

對比圖像可看出各個物體的邊界都變得清晰了，可以很容易的分辨出圖中的物體，圖片下方陰影部分的對比度得到增強，圖像的區(qū)分度得到了大幅提升。從圖中取白色框內圖像計算對比度，該部分偏振度圖像對比度提高63%。

5 結語

本文介紹了分振幅同時全偏振成像系統(tǒng)的原理和搭建，并采用了的E-P定標法對成像系統(tǒng)進行定標，得到了系統(tǒng)矩陣，并驗證了其準確性。通過該系統(tǒng)采集了一組圖片進行處理和分析。從以上的實驗中可以看出，相對于普通強度成像技術，偏振成像技術有前者所沒有的優(yōu)勢，在一些特殊環(huán)境（霧霾、煙塵）下能夠增強對目標進行識別能力，因此偏振成像技術在目標識別、植被探測等領域具有廣闊的應用前景。

參考文獻

[1]張鵬.成像式偏振測量的關鍵問題研究[D].杭州：浙江大學，2012.7-30，32-33.

[2]李雙，裘楨煒，楊長久.同時偏振成像探測技術初探[J].大氣與環(huán)境光學學報，2010，5（3）：198-201.

[3]莫春和，段錦，付強等.國外偏振成像軍事應用的研究進展[J].紅外技術，2014，36（4）：265-270.

[4]廖延彪.偏振光學[M].北京：科學出版社，2003.52-61，243-244.

[5]杜西亮.基于振幅分割的光偏振測量技術的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2007.49-60.

收稿日期：2016-08-19

作者簡介：徐宗杰（1988—），女，漢族，吉林蛟河人，碩士研究生，研究方向：數(shù)字視頻與圖像處理技術。