水下偏振成像技術實驗教學化的探索

韓平麗,劉 飛,邵曉鵬,楊 威

(西安電子科技大學 光電工程學院，陜西 西安 710071)

光的偏振特性是光學相關專業培養課程中的重要知識點，是大學物理課程的必學內容，在物理光學課程中進一步深入學習十分必要. 但在實驗課程設置中，相關實驗主要為大學物理實驗中的“偏振現象的觀察與分析”，該實驗通過觀察偏振光透過偏振片和波片后的強度變化確定偏振光類型，驗證馬呂斯定律[1-2]. 雖然實驗設置與課程內容相關性較高，實驗原理與結論和理論知識高度重合，但在理論知識的應用和拓展方面有所欠缺.

為了提高光學實驗課程設置中偏振實驗的應用性和拓展性，本文設計了利用偏振特性進行水下成像的實驗，該實驗從理論課程中的基礎原理出發，增加了偏振特性的實際應用——水下清晰化成像. 所用技術為偏振水下成像技術，該技術具有設備簡單、性價比高、成像效果直觀等優點. 實驗中所涉及的在渾濁水體中的水下清晰成像能夠為水下考古、水下救援、水下養殖等領域提供技術支持，是光的偏振特性的重要應用方向. 該實驗原理和設備簡單，無需對原有實驗設備進行大幅度改動；應用方向貼近實際需求，通過實驗能夠將理論知識和實際應用進行有機結合，現象顯著，實驗效果良好.

1 實驗器材及設備

實驗光路如圖1所示，實驗所用器材和設備包括：白光LED照明光源1個，可見光波段偏振片2個，工業相機(帶鏡頭)1臺，計算機1臺，濁度儀1臺，水槽(80 cm×50 cm×45 cm)1個，表面粗糙目標1個，直尺1把，渾濁水[加入牛奶(脫脂)的自來水混合液]適量.

圖1 水下偏振成像實驗原理圖

2 偏振現象觀察：起偏和檢偏

實驗所用光源為非偏振光，首先利用兩線偏振片觀察起偏和檢偏現象，具體操作如下：

1)按照圖2所示搭建光路.

圖2 觀察起偏和檢偏現象的實驗光路

2)在光源前插入偏振片作為起偏器，使其可在與光束垂直的平面內旋轉，觀察光強變化.

3)將第2片偏振片插入白屏與第1片偏振片之間作為檢偏器，僅旋轉第2片偏振片，觀察探測器接收到光斑的光斑變化情況，并判斷兩偏振片透光軸之間的位置關系.

通過以上操作，可觀察到光斑的變化情況如圖3所示，其中圖3(d)為檢偏器與起偏器的透光軸正交的情況，此時無光線透過檢偏器，證明了光波偏振特性的存在.

(a)0° (b)30°

3 利用光的偏振特性進行水下清晰成像

3.1 搭建水下偏振成像實驗平臺及光路

按照圖1搭建實驗光路. 照明光路由光源和起偏器組成；接收光路由探測器(工業相機)和檢偏器組成，二者置于水槽同側，并成一定夾角. 為避免過多入射光進入工業相機，對成像結果造成較大影響，必要時可用白紙對2部分光路進行隔離. 調整光路使入射光直接照射置于水槽中的目標，可根據水體渾濁度差異調整目標位置，以保證在成像結果中能明顯觀察到散射造成的“帷幔效應”[3]，即此時成像結果中目標信息明顯被覆蓋，探測器(工業相機)中無法直接實現目標清晰成像，通過肉眼觀察到水體對目標形成明顯遮擋，如圖4所示.

(a) 73.7 NTU

為確保實驗現象明顯，即存在明顯的散射現象(圖4)，需配置濁度較高的溶液. 一般情況下，濁度高于50 NTU的混合液即可視為高濁度溶液. 本文采用體積比為V牛奶∶V清水=1∶1 080，濁度為73.7 NTU的混合液模擬水下真實環境[4].

3.2 實驗步驟及數據分析處理

3.2.1 理論分析

根據斯托克斯理論，得到偏振度[5]

(1)

其中，S0為圖像總光強，S1為0°和90°偏振方向上光強度的差值，S2為45°和135°偏振方向上光強度的差值，S3表示光波中的圓偏振成分，且S0,S1,S2和S3均為斯托克斯矢量，可分別表示為

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

(2)

其中，Ir和Il分別表示光波中的左旋和右旋圓偏振分量.由于圓偏振分量在自然光中的占比很小，在計算偏振度時通常被忽略，即忽略S3[6]，因此式(1)可改寫為

(3)

再依據偏振度與目標清晰圖像的關系[7]

(4)

即可求解清晰的目標圖像.式(4)中，T(x,y)為目標信息光(即最終求解的清晰圖像)，B(x,y)為需要去除的后向散射光，Pb為后向散射光的偏振度，Pt為目標信息光的偏振度；I⊥和I∥分別為2個正交偏振方向上的光強，其中I⊥中的后向散射光最強，I∥中的后向散射光最弱.

3.2.2 實驗過程

3.2.1的內容可通過軟件處理平臺實現，如圖5所示.實驗過程中，學生將采集的偏振圖像輸入該平臺，即可計算偏振度，從而降低理論計算的難度，有利于提高實驗教學效果.

圖5 清晰偏振圖像處理軟件的界面

根據式(2)～(3)，探測偏振信息需獲取同一場景中不同偏振方向的4幅偏振子圖像，再將4幅子圖像輸入處理平臺，得到最終成像結果，具體操作步驟為：

1)選取偏振片的最初位置為起始位置，該位置圖像為水下目標場景的第1幅偏振子圖像.

2)旋轉偏振片使其透光軸方向相對起始位置分別轉過45°，90°和135°，并在每一位置采集1幅水下目標場景圖像.實驗中需要注意的是：檢偏器透光軸的初始位置可置于任意角度，實驗過程中僅需保證2幅相鄰采集的圖像之間角度相差45°即可.

在濁度為73.7 NTU的水體中， 4幅偏振子圖像的采集位置分別對應檢偏器透光軸為350°， 35°，80°和125°的方向(見圖6)，采集到的偏振子圖像如圖7所示. 觀察子圖像并分析目標部分與背景部分的差異發現，不同子圖像的后向散射光強度存在細微差異，原因在于后向散射光存在一定偏振特性，隨著偏振片轉動，透過檢偏器進入相機的光會發生變化.

(a) 350° (b) 35°

(a) 0° (b)45°

3)將偏振子圖像輸入軟件處理平臺(圖5)，獲取最終水下成像結果，如圖8所示. 可見渾濁水體散射作用造成的圖像質量退化問題經軟件處理平臺處理后得到了顯著改善，有效提升了圖像對比度和視覺效果.

圖8 最終成像結果

4 對比實驗

實驗目的：a.通過實驗加深學生對光的偏振現象的認識；b.了解光的偏振特性在實際生活中的應用；c.了解利用偏振特性提高水下圖像清晰度的原理；d.掌握獲取偏振圖像和計算偏振度的方法.

基于上述實驗目的，通過調整實驗水體的濁度進行對比實驗，具體數據如表1所示. 重復3.2.2中的實驗步驟，記錄采集偏振子圖像和最終實驗結果.

表1 實驗數據

圖9所示為在不同渾濁度水體中起始位置處采集到的偏振子圖像. 圖像因受散射影響而存在明顯的“帷幔效應”，目標信息被遮擋，圖像對比度低，視覺效果差，且隨著濁度的增加，散射光明顯增強，視覺效果進一步變差. 因此，研究渾濁水體中的清晰成像方法具有實用意義.

(a) 73.7 NTU (b) 78.0 NTU

將圖9中的偏振子圖像輸入到軟件處理平臺，可得到最終成像結果，如圖10所示. 經對比，本文成像方法能夠基本去除渾濁水體強散射對成像結果的影響，從而可大幅提高水下圖像的對比度和視覺效果.

(a) 73.7 NTU (b) 78.0 NTU

上述實驗可基本實現讓學生掌握偏振現象及其實際應用的目標. 該實驗平臺所涉及的理論和實驗裝置還可以用于霧霾圖像清晰化處理，具有一定的探索性和拓展性.

5 結束語

水下偏振成像實驗通過將實際應用轉化為實驗案例的方式，將光學課程中光的偏振特性這一知識點進行了拓展. 該實驗不僅能夠滿足學生自主搭建光路的要求，還能夠讓學生觀察光的偏振特性. 在此基礎上，學生了解了從光的基本特性到利用其實現某一應用目的的思路和全過程，既能夠鍛煉學生的動手能力，也能夠為學生后續進行相關自主創造性設計提供思路、奠定基礎.