全偏振态同时探测实时彩色偏振成像技术

偏振光学成像技术作为一种新型的光学成像技术,通过对光波偏振特性的探测,增加了信息的探测维度,有利于全面、准确地获取目标的信息.文中阐述了偏振成像的探测方法,典型偏振成像系统的分类;详细介绍了一种基于Stokes矢量方法的分孔径全偏振态同时探测的实时彩色偏振成像相机;利用该相机进行了全偏振度成像实验和偏振去雾成像实验.实验表明全偏振态同时探测偏振成像技术在提高成像探测距离、目标细节获取及恢复等方面具有一定优势,能够为现代光学成像探测系统提供重要的技术补充.     

亚波长光栅与法布里-珀罗滤光片集成的高性能光谱偏振分光器

光谱偏振成像技术是一种新型的光学成像技术,它不仅提高了目标的信息获取量,还降低了背景噪声,可以捕获目标细节,检测伪装目标。本文提出了一种将亚波长光栅与F-P滤光片相结合的光谱偏振测量器件,该器件可以获得超高光谱分辨率和偏振消光比,并且光谱和偏振可以灵活调控。本文设计了一种光谱偏振同时分光器,可同时获得4个光谱通道的斯托克斯参数。仿真结果表明,其光谱分辨率为217,偏振消光比为。实验结果表明,亚波长光栅的偏振消光比大于500,透射率为90%。全介质F-P滤光片的光谱分辨率为30,在长波红外波段的透射率为60%。该设计方法具有通用性,可用于可见光、红外甚至太赫兹等波段。得益于这些优点,器件在微型偏振光谱仪和全斯托克斯偏振检测等领域有很大的应用潜力。     

基于微偏振阵列的干涉型高光谱偏振成像方法

光谱和偏振辐射特性是实现精细目标识别的重要光学参量,融合光谱和偏振信息分量的光谱偏振成像探测技术有效利用两者的互补性,提高在复杂背景环境下的目标识别能力,在环境监测、军事侦察和大气分析等领域具有巨大的发展潜力。围绕目标的光谱和偏振信息探测问题,研究了一种基于微偏振阵列的干涉型高光谱偏振成像技术。在研究Sagnac干涉型高光谱成像技术的基础上,利用微偏振阵列调制原理引入Stokes偏振分量信息探测。通过分析系统的工作原理,设计了系统的干涉成像光路模型,并对光谱信息反演方法以及偏振信息提取方法进行了讨论分析。搭建了实验装置,对实际场景目标进行了光谱偏振成像实验,得到了较好的实验结果。研究表明:该光谱偏振成像技术不仅具有高光通量、高光谱分辨率的优点,而且能够实现偏振信息的同步获取。     

偏振成像系统中的面阵CMOS传感器非线性校正

mueller矩阵偏振成像可用于获取生物组织的浅表层生理学信息,在疾病早期诊断与预防中具有重要意义。而在偏振成像系统中直接使用商用面阵CMOS相机不能得到用于解算mueller矩阵的正确图像信息,限制了其在小型化内窥领域上的应用。对商用面阵CMOS的研究表明其光信号输入输出呈非线性映射关系。综合考虑到传感器固有的成像噪声,提出一种基于校正的方法对CMOS的输出数据进行映射以获取正确的组织偏振信息值。实验结果表明校正后的偏振信息可以解算得到正确的mueller矩阵值,误差可以控制在3%以内,对蚕丝样品的测试也证明了该方法的有效性。上述结果使得内窥探头上应用小型化的商用面阵CMOS图像传感器进行体内生物组织mueller矩阵测量成为可能。     

基于压缩感知的偏振鬼成像系统

偏振鬼成像系统结合了强度和偏振探测,扩展了鬼成像系统的信息量,可以进行有效的目标识别和探测。常规相关偏振鬼成像系统需要大量采样数,且复原结果信噪比低。为此提出基于缩感知的偏振鬼成像系统,利用系统获取物体的强度和偏振参数,采用压缩感知算法来反演获取物体的强度和偏振信息。利用仿真实验,采用具有相同反射率但不同偏振特性的物体进行研究,结果表明采用压缩感知算法可以在很少的采样数下获取高质量的物体强度和偏振信息,提高了系统的实时性,并与相关算法进行了对比。最后采用图像融合算法对强度和偏振信息进行了融合,通过融合信息可以有效地进行多种物体的识别。     

基于图像畸变校正的高光谱偏振图像配准方法

定焦分孔径同时式高光谱偏振成像系统可同时获取多个偏振方向高光谱图像,是一种实时机载设计高光谱偏振成像系统.然而,这种设计各路成像单元存在固定偏差,且获取的图像易存在虚焦和扭曲现象,致使解析目标信息前需对图像进行配准.为了提高不同偏振方向高光谱图像间的配准精度,结合高光谱偏振图像配准算法暂无参考,非刚性图像配准算法适应范围小、效率低的现状,本文提出了基于图像畸变校正的高光谱偏振图像配准方法.首先,分析成像系统成像特点,建立成像模型;其次,消除虚焦模糊现象影响,获取该系统成像模型的畸变系数;最后,根据畸变系数对高光谱图像进行畸变校正,利用SIFT算法实现配准.以灰度差平方和(SSD)为相似度测度,对图像配准精度进行评价,实验结果表明,本文方法配准精度优于基于Demons算法、基于三次B样条FFD算法和基于SIFT算法,是一种有效的、快速的非刚性图像配准方法,既为非刚性图像配准方法提供新参考,也为定焦分孔径同时式高光谱偏振成像系统航拍图像信息解析奠定基础.     

图像融合在偏振关联成像中的应用

近年来,偏振关联成像受到了研究学者的广泛关注,其在目标探测、特征提取等领域有着一定的应用价值。全Stokes偏振关联成像系统可以获得目标的多个偏振态图像,利用这些图像可分别从不同的角度分析目标的本征偏振信息,但是这些图像之间具有很强的互补性和冗余性。为此将HSL-RGB图像融合技术应用于偏振关联成像系统中,将系统获取的多个偏振图像进行有效地融合,来全面描述目标结构,提高目标探测识别效能。实验结果表明该融合技术在提高偏振关联成像系统识别和探测性能上效果显著。     

基于主动偏振光的潜指纹偏振成像检测方法研究

作为一种无损检测方法,光学检验法是多种潜指纹检测方法中的首选。在面对越来越复杂的应用场景时,传统光学检验法往往效果不佳。然而偏振成像探测技术不仅能够获得目标的强度和光谱等信息,而且还能够得到偏振度和偏振角等反映目标表面细节特征的偏振信息,因此可以提高潜指纹检测效果。利用偏振成像技术的优势,开展了基于主动偏振光的潜指纹偏振成像检测实验研究,获取了指纹图像数据并对其进行了分析。结果表明,与一般的强度成像相比,本文方法所得到的潜指纹偏振参量图像质量更高,获取的图像更清晰,细节信息更丰富。     

基于偏振信息反演土壤湿度的方法

为了实现基于偏振信息反演土壤湿度的目的,建立了土壤表面的偏振反射模型,并在可见光波段内开展了土壤湿度与反射光偏振信息的实验研究。首先,根据几何光学理论和测量数据建立了土壤表面的偏振反射模型。其次,制备了不同湿度的土壤样品,搭建了实验平台,并在多种入射观测条件下,使用高精度偏振成像探测系统获取了样品的偏振信息。然后,对实验数据进行分析来验证模型。最后,建立了模型中微面元坡度均方差、漫反射等效系数和折射率三个参数与土壤湿度的定量关系,利用定量关系来反演土壤湿度,并在476 nm波段上,对湿度为26.0%的土壤样品进行室内偏振探测实验。结果表明:根据文中反演方法得出土壤湿度为24.73%,误差为4.88%,证实了文中所提出的土壤湿度反演方法的正确性和可行性。     

基于偏振成像的红外图像增强

针对红外图像对比度低,细节纹理较弱的特点,利用物体偏振特性提出基于偏振成像的红外图像增强方法,即获取红外偏振度图像并与源光强图像融合。首先,分析了偏振成像理论,利用偏振成像技术获取偏振图像。其次,为了能够充分获取偏振度图中的信息,运用剪切波变换对图像进行多尺度分解。最后,采用区域特征匹配融合策略,得到增强图像。为测试方法的有效性,搭建实验装置,进行实拍图像实验。主观与客观评价结果均表明,增强后的图像较原图像具有更加丰富的图像细节与偏振目标信息,对目标识别与探测具有重要意义。     

多角度偏振成像技术在高分卫星上的应用

偏振是光的固有属性之一,偏振成像技术具有显著提高探测距离并抑制背景噪声等优势,国内外多家机构近年来研制了多种偏振成像仪器,用于获取云层和气溶胶的参数,以观测气候变化。偏振成像仪多采用多角度偏振成像结构,可获取可见光到近红外光波的波段范围。高分五号卫星上搭载的多角度偏振成像仪,实现对地表的每个目标物体的至少9个角度的观测。文章对多角度偏振成像技术在高分卫星上的应用进行了分析。     

时空自适应的分焦平面偏振视频PCA去噪

分焦平面式（DoFP）偏振成像探测器通过集成式微偏振阵列实现偏振信息的实时获取。然而由于成像过程中存在噪声,对后续的偏振图像去马赛克超分辨、场景偏振信息解算产生了严重影响。基于主成分分析（PCA）提出一种时空自适应DoFP视频数据去噪算法,对于每个待去噪的DoFP图像块,在其局部时空邻域内选取相似的图像块,然后利用主成分分析对其去噪。该算法充分利用DoFP视频数据的时空信息构建训练样本,且块匹配过程无需采用运动估计,可直接用于DoFP视频数据去噪。进一步提出基于双边滤波的残余噪声去除算法,从而得到更好的去噪效果。通过模拟与真实数据对所提算法进行实验验证,结果证明:所提算法可有效抑制噪声,在相同测试条件下,所提算法优于现有算法。     

基于方向感知网络的场景偏振三维成像技术（特邀）

针对场景偏振三维成像中光照不均匀、色彩、材料复杂和大视场下观测方向变化等原因造成的偏振法线梯度不准确和真实三维信息获取困难的问题,提出一种基于方向感知卷积神经网络的场景偏振三维成像新方法。首先,搭建具有方向感知能力的场景深度估计网络结构;其次,利用卷积神经网络所估计的场景深度对偏振法线梯度进行校正;最后,利用校正后的梯度通过基于梯度的积分算法进行三维重建。实验结果表明,所提方法解决了偏振固有的方位角模糊,提高了在光照不均匀、大视场范围场景条件下获取的法线梯度的准确性,最终在恢复场景真实三维形状的同时保留了丰富的纹理细节信息。实验结果证明了所提技术的有效性与优越性。     

基于激光偏振技术的海洋牧场水下成像技术研究

良好的水下视觉环境是推动海洋经济发展的前提,海洋牧场的建设对水下成像技术提 出 新的要求,但是受水体环境吸收及散射影响,光信息丢失严重,用常规光学成像方式进行水 下 图像获取会有可视距离短,图像模糊不清,对比度低等缺点。为解决海洋牧场水下成像清晰 度 低的问题,提出一种通过532 nm激光光源与偏振技术相结合的方法并 集成了一款水下相机。 532 nm波段的绿色激光光源在水体环境中受到水体影响较小,传播效 果更佳,偏振成像技术在去 背景光散射中应用广泛,采用532 nm激光光源与偏振成像技术相结合 的方法进行水下图像的获 取,并在模拟海水环境的水池中进行了海参图像获取的实验,实验结果证明在某一偏振角度 下, 532 nm激光光源与偏振成像技术相结合的方式获取的海参图像相比于 自然光下获取的原图像对比 度、清晰度更高,含有的图像信息更加丰富,验证了此方法在水下成像的可行性。     

光电探测器表面损伤状态偏振成像式探测系统

针对在外场实现探测器损伤状态实时探测的需求,研发了光电探测器表面损伤状态偏振成像式探测系统。理论推导了“猫眼”目标回波偏振特性参数DP和回波偏振度DOP的表达式,利用MATLAB软件仿真绘制了表面粗糙度、回波偏振度以及偏振特性的关系曲线;设计了一套同时偏振成像光学系统,开展了671 nm连续激光对电荷耦合器件（CCD）表面损伤状态的实时探测外场实验,编制了基于MATLAB GUI的回波图像可视化实时采集系统,得到了回波图像强度、偏振特性以及光斑尺寸等信息;通过光学显微镜和白光干涉仪对探测器表面损伤处和未损伤处形貌图像分析,发现探测器损伤表面可见硅基底且粗糙度参数Sq值较大;结果表明,仿真结果与实验测试结果具有良好一致性。光电探测器被损伤后,其表面粗糙度增大,回波偏振特性参数DP减小,退偏特性明显,偏振度DOP减小。偏振成像技术可有效对光电探测器表面损伤状态进行实时探测,该研究提供了一种外场条件下实时探测的好方法。     

基于偏振图像的低照度场景多目标检测算法

偏振光反射信息可直接反演目标本征特性,且在传输过程中具备较强的抗干扰特性,因此偏振成像技术可适用于多种复杂环境中的智能监控、交通监察领域。近年来使用深度学习判读图像检测目标的方法迅速发展,已经广泛应用于图像处理的各个领域。本文提出了一种基于偏振图像与深度神经网络算法的行人、车辆多目标检测算法YOLOv5s-DOLP。首先,通过实时获取到偏振图像进行偏振信息解析,获取目标偏振度图像。其次,为增强偏振度图像中检测目标与背景存在高对比度的特性,在主干网络中引入通道注意力与空间注意力,提升网络特征进行自适应学习的能力。此外,使用K-means算法对目标位置信息进行聚类分析,加快网络在偏振度图像的学习速度,提升目标检测精度。实验结果显示,该算法结合了偏振成像和深度学习目标检测的优势,对于低照度复杂场景中的车辆、行人目标检测效果好、检测速度快,对于道路车辆的目标检测、识别与跟踪具有一定的应用价值。     

基于多尺度边缘表示的偏振图像二次融合算法

针对传统成像技术探测信息量少以及传统图像融合方法计算量大,不能凸显边缘轮廓的问题,提出一种基于多尺度边缘表示的偏振图像二次融合方法。首先,对同时偏振成像系统获取的4个偏振角度图像进行多尺度边缘去噪、配准预处理。然后一次融合,即将预处理后的4个偏振角度图像进行二进小波分解,在不同尺度上对低频、高频系数进行特定组合,计算得到Stokes向量［I Q U V］T,线偏振度(DOLP)和偏振相位角(AOP)等偏振信息;二次融合,即是根据边缘相关性原则融合偏振强度图像和线偏振度图像经小波分解后的高频系数,低频用区域能量的方法。最后,采用交替投影迭代法重构融合图像的低频、高频系数,得到重构图像。实验结果表明,本文算法的融合性能优于传统方法。以小波变换法为参考,平均值提高65.48%,标准差提高95.98%,平均梯度是传统小波的6.45倍,边缘强度是小波变换的5.54倍。本算法提高了运算速度,结合了强度图像亮度信息和线偏振度图像反映不同物体性质的特点,突出了目标轮廓细节,能很好地识别隐藏、伪装的目标。     

前向调制散斑偏振关联成像技术研究

近年来,关联成像成为光学成像领域的前沿和热点研究之一,它是一种新型的成像技术,具有广泛的应用价值和前景。偏振探测技术可以提升系统探测识别能力,且具有对不同材质物体的分类能力。将关联成像技术与偏振探测技术相结合,固定探测端偏振配置,使用Hadamard模式照明散斑,对照明散斑进行分时偏振调制,搭建了前向调制偏振关联成像系统。利用该系统对含有多材质物体的场景进行了偏振探测成像实验,利用探测信号与照明散斑计算出了场景的强度和偏振信息。使用演化压缩采样复原技术,在不同采样率下对场景信息进行了复原,在12.5%的采样率下获取了场景清晰的强度和偏振信息。     

像素偏振成像系统的耦合实现

通过将像素偏振片组阵列与CCD光敏元耦合对准,对像素偏振成像系统耦合技术进行了研究。针对偏振片组阵列与CCD尺寸不匹配的问题,采用多种工艺方法进行了加工处理,提出了完整的耦合对准工艺。文中研制的成像系统可以通过一片成像探测器同时获得4个不同偏振方向的斯托克斯分量,得到所拍摄物体的线偏振度图像和线偏振角图像,实现图像的偏振增强,经后处理形成所需要的偏振图像,有利于在复杂环境中获取目标信息。     

基于网络解析的像元耦合偏振成像目标检测算法

偏振成像目标检测对于人造目标检测有着重要意义。像元耦合是以四个方向的偏振强度数据作为一个超像元的偏振成像方法。对超像元进行偏振参量解析,会使图像的分辨率变为原始图像的四分之一,不利于小目标的检测。像元耦合图像的偏振参量解析会产生噪声,对小目标的检测造成干扰。本文提出了一个以YOLOv5s为网络基础,添加偏振信息解析模块(Covcat)的目标检测算法。该算法实现了端到端进行像元耦合偏振成像的目标检测,用网络实现偏振解析,利用多卷积信息融合提高特征提取能力,提高目标的平均检测精度(mAP)。使用对空无人机数据集对算法进行验证,实验表明,相比于使用偏振参量解析出的强度图、偏振度图和偏振角图,该算法的平均检测精度分别提升了4个百分点、5个百分点和12个百分点。