水下天空偏振光视频采集实验装置设计与应用

水下天空偏振信息的获取是水下潜航器实现偏振光导航的重要基础,为此搭建一种水下偏振相机采集天空偏振分布的实验装置,用于采集天空光经过水面折射后的水下偏振分布。实验装置分为防水外壳和偏振光传感器两部分。防水外壳的设计主要从材质、质量和密闭性考虑,偏振光传感器的核心是通过程序实现工控机控制偏振相机拍摄0°、45°、90°、135°的偏振图像和斯托克斯的4个矢量图像。结合计算机技术,利用相关算法计算偏振角、偏振度和偏振方位角。结果表明,偏振度和偏振角在太阳子午线上呈对称分布,太阳附近的偏振度最小,并以环状向外增大。该装置采集的数据能够有效提取太阳的方位信息。

强光背景下主动偏振成像方法

针对传统光电探测方法在强光背景下目标探测对比度低的问题,本文提出一种基于激光照明的主动偏振成像方法。首先构建激光入射双向反射分布模型、激光入射偏振双向反射分布模型以及激光照明的目标表面偏振度模型,并分析3种典型目标材料偏振特性与束散角之间的耦合关系。然后在暗室可控条件下开展逆光观测实验,验证目标偏振特性受激光束散角的影响。实验结果表明:强光背景下主动偏振成像目标对比度与传统被动强度成像相比提升了86.11%,不同束散角下不同目标材料的可见光偏振特性间存在差异,金属材质相对于非金属材质的线偏振度提升更高,实验结果与理论分析具有较好的一致性。最后,在室外开展太阳逆光观测实验,验证了研究方法在室外高强光、远距离下依旧具有适用性。本研究为提升强光背景下的目标精准感知能力奠定了理论基础。

基于硅基光电子芯片的低损耗动态偏振控制器

动态偏振控制器能够实现输入光场任意偏振态到输出光场任意偏振态的控制,可以动态补偿长距离单模光纤导致的双折射效应,是量子通信和相干通信系统中的重要器件.本文设计并实验验证了基于硅基光电子芯片的低损耗动态偏振控制器,芯片采用标准的绝缘体上硅工艺制作,器件整体尺寸为5.20 mm×0.12 mm×0.80 mm,整体损耗为5.7 dB,最大功耗为0.2W.基于可变步长.模拟退火算法、低噪声探测器和高静态消光比的器件,动态偏振消光比可锁定至30 dB以上.芯片采用热相移器对TE0光场的相位延迟量进行控制,整体为0°/45°/0°/45°结构,可实现无端偏振控制.基于Lumerical软件对核心部件偏振旋转分束结构进行了优化,该结构将以端面耦合方式进入波导中的TM0模式光场转化至另一波导中的TE0模式光场,而原单波导中TE0模式光场不发生转化,实验测得动态偏振控制器的静态偏振消光比可达40 dB以上.该器件具有小体积、低功耗和低成本的特点,可以广泛应用于量子通信和相干通信等领域,特别是需要考虑体积、功耗和成本的应用场合.

分焦平面式偏振相机偏振误差分析及偏振定标

分析了相机结构和测量原理,建立了相机响应模型,理论推导了相对透过率和偏振方位角对偏振测量的影响。采用积分球光源测量了相对透过率,采用旋转线偏振片法和马吕斯定律测量了偏振方位角,最后进行了偏振测量精度验证。测试结果表明,经过偏振定标后,偏振度测量误差约为0.44%。该检测方案可以定标分焦平面式偏振相机性能,定标精度高,能够为分焦平面式偏振相机高精度应用奠定基础。

海洋油膜偏振反射特性仿真与测试

为了海洋溢油的检测与识别,在偏振特性建模中综合考虑天空的偏振辐射、油膜表面的动态反射、接收探测器的姿态和性能,进行全数字仿真,开展外场动态水面的实测,进行油膜偏振半实物仿真,最后对海洋溢油进行了偏振测试与分析。试验结果表明:在区分油品方面,汽油和水的强度差值为29.33%,线偏振度差值为0.97%,二者结合可较好的分辨溢油。

基于偏振特征区域分解的耀光抑制方法

海面探测领域中,太阳耀光导致光电探测设备大面积像元饱和,严重妨碍了海面目标的信息采集工作。为了对太阳耀光进行抑制,提出基于偏振特征区域分解的耀光抑制方法。该方法通过分析探测器对偏振数据的采集情况,将耀光区域进行特征分解。对偏振非饱和耀光区域,通过完全偏振分解方法解算去偏振分量图像,滤除部分反射光,恢复耀光遮蔽区域场景信息。同时设置灰度容限,剥离偏振饱和耀光区域。针对偏振饱和耀光区域采集数据失真的问题,采用FMM图像修复算法,将非耀光区域水面信息扩散到耀光区域,重建灰度数据。本文在室内搭建耀光模拟及偏振成像平台,对采集图像进行算法测试。实验结果表明:抑制后的图像,饱和像素数平均降低了99.98%,基本消除了饱和像素。同时灰度均值降低了59.35%,并显著提高了信噪比。验证了本文方法对耀光杂波抑制的有效性与可行性。

高光谱偏振技术的研究进展及展望

高光谱偏振技术是一种融合了高光谱和偏振成像的新兴技术,其在多个科学领域成为研究热点。本文旨在全面综述高光谱偏振技术的研究进展,并展望其未来发展方向。首先介绍了高光谱偏振技术的基本原理,解释了高光谱和偏振成像相结合的优势。然后,根据不同的设计原理介绍了偏振光谱仪器的分类。接下来详细讨论了该技术在遥感、医学、环境监测、地球科学和材料科学等领域的广泛应用。通过对不同领域的案例研究进行梳理,展示了高光谱偏振技术在提供更为丰富、精确信息方面的独特优势。最后对高光谱偏振技术目前面临的挑战进行了分析,包括仪器设备的精密性、数据处理的复杂性以及与其他传感设备的有效融合的问题。针对这些挑战,探讨了未来技术发展方向。未来的研究应着重于提升该技术的高光谱和时间分辨率,提高数据处理和分析准确性,扩展不同应用场景的适用性,以更好地满足不同领域的需求。综合而言,高光谱偏振技术作为一种全面、高效的信息获取手段,在多个领域取得了显著的研究进展。通过优化高光谱偏振技术满足更宽广的应用领域,高光谱偏振技术有望成为未来科学研究和实际应用中的重要工具。

基于偏振方向统计特性的目标背景差异特征分析

针对目前使用偏振参量图像分析目标背景差异的传统方法未充分考虑光作用物体后产生独特的偏振属性问题,提出一种基于偏振方向特征统计特性的目标背景差异特征分析方法,从一种新的偏振方向信息分析目标背景差异.首先,通过提取偏振角图像中的偏振方向信息构建偏振方向矢量图像,解决了由于噪声较多导致的偏振角图像无法有效直接利用的问题;其次,分别对4种偏振方向强度图像进行正交差分计算,得到偏振正交差分分量图像,并补充偏振方向周围±α偏振角度强度图像信息,得到偏振方向统计图像,通过提取出4种偏振方向的3种偏振特征图像,解决了传统偏振参量图像复杂背景下目标不突出的问题.实验结果表明,不同材质的物体具有不同的偏振方向,而通过提取偏振方向信息获取的偏振方向特征图像能更清晰地辨别复杂背景中的目标.客观评价指标表明,在偏振方向矢量图像中,目标区域的偏振方向朝向所对应的偏振方向特征图像,表达目标的信息更丰富,与其他偏振方向所对应的偏振方向特征图像相比,更能突出目标的特征.因此,通过偏振矢量图像可以快速提取出目标特征突出的偏振特征图像.

C波段双偏振天气雷达偏振参量标准差分析与改进

标准偏差分析方法是有效评估雷达数据质量的关键。本文采用标准差分析法对C波段双极化雷达偏振参数进行了深入分析,以找出主要影响因素并优化参数配置。通过观测实验考察了典型天气过程中极化参数标准差的改善效果。结果表明:现有观测模式对C波段偏振参数的精度较低,并且不同仰角之间存在显著精度差异。其中,在1.5°仰角处,极化参数数据的精度高于0.5°仰角处。驻留时间、脉冲重复频率和脉冲数直接影响C波段双线极化雷达极化参数的标准差。通过优化脉冲重复频率和脉冲数,在不改变观测模式的情况下,提高了在相同停留时间内偏振标准差的精度。对两个典型天气过程中极化参数标准差的分析表明,在进行参数优化之前,冰雹过程中极化标准差普遍高于强降水事件;然而,在改进后,强降水事件中极化标准差精度通常优于冰雹事件。经过改进后的观测模式在一定程度上提升了C波段双极化雷达偏振参数数据的精确性。

基于偏振视觉的环形构件表面形貌重构

为了增强对环形构件表面的质量检测能力,提出一种基于单目DoFP偏振相机的FSV偏振检测方法。根据偏振反射分离出的漫反射信息,对基于FSV的偏振三维重建模型进行校正。利用偏振数据得到增强的二维表面图像,并进行相应的偏振三维建模。实验结果表明,与传统成像系统和非FSV偏振成像系统相比,所提出的检测方法测得的DoP图像在图像评价指标上提升3%以上,重建的三维模型和真实检测表面的均方根误差为0.35,大大提高了对环形构件表面的质量检测能力。

实时输出视频的水下主动偏振成像

针对在水下主动偏振成像方法中,需要机械旋转相机前的检偏器获取正交偏振态图像,导致无法实时输出去后向散射视频的问题,提出了实时输出视频的水下主动偏振成像方法。首先,本方法将正交偏振切换位置从相机端更换到光源端,而相机端的检偏器偏振状态保持不变,并论证了此改变并不影响去后向散射的效果;然后,设计了阵列正交偏振光源,即光源由偏振态正交的两组LED灯珠交错排列组成,通过独立的驱动电路分别控制两组灯珠,输出偏振态正交的偏振光,从硬件上取消了偏振态切换的机械结构;第三,设计了同步控制装置,分别控制光源输出的偏振态和相机拍照,实现了正交偏振态图像数据的采集;最后,通过流水线式主动偏振图像处理方法,实现实时的视频输出。实验结果表明,本方法可以实时输出去后向散射视频,且在去后向散射性能上,与机械式主动偏振成像方法性能接近,两者去后向散射性能的背离度均低于4%,图像EME值增长倍数最大可达17.96。本方法具有结构简单、成本低、输出帧频不受影响以及相机选择性多等优点,能够广泛应用在水下成像领域。

基于三目偏振相机的天空偏振模式探测试验装置

为提高天空偏振模式探测的稳定性,该文通过分析天空偏振光分布模式和Stokes矢量解析模型,设计了一种基于三目偏振相机的天空偏振模式探测试验装置。该装置克服了传统的天空偏振模式探测装置低效和密封性差的问题,适用于雨天和海面的偏振光探测工作。三目偏振相机的偏振角度为0°、60°、120°,通过求解Stokes矢量解可求出目标观测点处的偏振度(degree of polarization,DOP)和偏振方位角(angle of polarized elevation,AOE),分析了天空偏振模式图中AOE和DOP的分布规律。实验结果表明DOP和AOE关于中性点呈有规律的对称分布,该装置能有效探测天空偏振模式,为偏振导航技术提供有力的技术支持。

癌变组织偏振多参数识别与纹理特征分析

偏振成像技术中穆勒矩阵元素含义模糊、单一衍生参数信息解读受限,为了增强原有数据分析范式的可解释性和强关联性,提出一种癌变组织偏振多参数特征识别方法,并通过纹理分析来定量描述癌症组织的偏振差异。基于双波片旋转法穆勒矩阵测量方案升级搭建背向散射偏振成像系统,采集未染色肺癌与基底细胞癌切片。引入旋转不变量获取高维偏振参数集,生成偏振多参数特征曲线,实现病理区域多维特征提取与可视化,解决直接使用穆勒矩阵受方向影响的问题。计算了灰度共生矩阵和Tamura纹理属性,结果表明,当固定纹理维度时,不同偏振参数的癌变识别能力不同,单个纹理属性可成为多个偏振图像的共同量化指标;当固定偏振维度时,不同纹理属性有望成为单一偏振维度的多个辅助定量指标。该方法快速高效,可为辅助病理检测提供新思路,在临床上展现出良好的应用前景。

基于改进型Blinn遮蔽函数的目标材料表面可见光偏振反射研究

为了研究典型目标材料表面的可见光偏振反射特性,本文针对传统“V”型表面结构缺陷,引入改进Blinn型阴影遮蔽函数,综合考虑镜面反射、漫反射和体散射的影响,建立了典型目标材料表面偏振六参量双向反射分布函数模型。对不同材料(聚丙烯塑料板、99氧化铝陶瓷板、铁板、绿漆铝板)目标样板进行可见光600 nm波段的偏振特性测试实验,并采用遗传算法进行参数反演。实验与仿真结果表明:与传统“V”型遮蔽模型相比,在入射角为50°,相对方位角为180°,0°~60°观测角对目标材料表面偏振特性的影响中,聚丙烯塑料板模型精度提升最大,RMSE百分比提升了70.61%;在入射角为50°,观测角为50°,DoLP随90°~270°相对方位角变化的过程中,与另两种参考模型相比,本模型精度至少提升了24.73%,线偏振度最小均方根误差值仅为1.29%。对于本文使用材料而言,偏振特性取决于其复折射率的值,当入射角确定,观测角为0°~60°,相对方位角在0°~360°内时,n/k的比值越大,线偏振度峰值越大。在可见光波段,波长对线偏振度的影响不大。

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106。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。

基于多层海雾环境的偏振光传输特性分析

海雾中的粒子在垂直向上对流层中显示出不同的分布状态,根据海洋大气环境的特征,对海雾环境粒子分布进行分层划分,进而分析偏振光通过多层海雾环境后偏振度的变化规律。首先建立多层蒙特卡洛仿真模型,分析光子透过多层介质与粒子发生碰撞后的散射规律,并且基于环境湿度这一因素对介质粒子半径比和折射率的影响,对原模型进行修正,分析不同湿度对粒子物理特性的影响规律,同时对湿度增加与偏振度的关系进行了分析。然后设计并搭建了适用于光传输检测的多层海雾模拟系统,实现对海雾环境的分层复制模拟,并进行了450 nm、532 nm和671 nm可见光波段激光传输测试。仿真与测试结果表明,针对相同偏振态的不同入射光波长来说,671 nm波长的偏振度普遍高于450 nm和532 nm波长的偏振度,并且随着湿度的增加,波长越长的光的偏振度优势越明显;针对同一波长的不同偏振态来说,圆偏振光的偏振度普遍高于线偏振光的偏振度,并且随着湿度的增加,圆偏振光与线偏振光的偏振度差异将更为明显。最后对仿真结果与测试结果的一致性进行分析,两者的符合度普遍高于84%,说明在湿度较大的海雾环境中,较长波长的圆偏振光拥有更优异的保偏特性,更加适用于复杂海雾环境下的光信息传递。

偏振微面双向反射分布函数建模与仿真研究

偏振双向反射分布函数(p-BRDF)可以描述物体表面反射光的空间偏振特性,在许多领域得到了应用。基于微面理论,由微面和物体表面的角度关系以及微面上的菲涅耳反射,对任意偏振状态入射光和反射光的电场振动矢量进行分解与合成,得到偏振反射率pjk,将其作为菲涅耳反射项代入Cook-Torrance BRDF模型中,建立偏振微面BRDF模型。在几何光学模型中引入偏振,模型简单且有明确的物理意义。利用粒子群优化算法,结合黄铜表面的面内BRDF实验数据拟合模型中的参数,参数选取的标准均方误差为0.2820~5.7049%,最佳校正决定系数为0.9957。结果表明,偏振微面BRDF模型用于描述偏振反射特性的准确性和可行性。

基于偏振编码图像的低空伪装目标实时检测

偏振可以提高无人机的自主侦察能力,但易受到探测角度和目标材质的影响,从而降低偏振检测的鲁棒性。为此,提出一种基于偏振图像的低空伪装目标实时检测算法YOLO-P,采用融合多偏振方向信息的编码图像作为输入,应用三维卷积模块提取不同偏振方向图像之间的联系特征;引入特征增强模块对多层次特征进行进一步增强;采用跨层级特征聚合网络,充分利用不同尺度的特征信息,完成特征的有效聚合,最终联合多通道特征信息输出检测结果。构建包含10类目标的低空伪装目标偏振图像数据集PICO(Polarization Image of Camouflaged Objects)。在PICO数据集上的实验结果表明,新方法可以有效检测伪装目标,mAP_(0.5:0.95)达到52.0%,mAP_(0.5)达到91.5%,检测速率达到55.0帧/s,满足实时性要求。

偏振滤光增强白昼测星信噪比效能分析

目前的天文大地测量只能在夜间可见光波段观测恒星等自然天体实现定位定向,尚未实现全天时测量,因此研究白昼测星技术具有重要的意义。为增强白昼测星信噪比,本文通过构建偏振滤光信噪比增强模型,分析了采用偏振滤光方法的测星信噪比增强效能。首先,分析了大气偏振态的表征模型,并以瑞利散射模型为基础构建了偏振滤光模型;然后,推导了白昼测星信噪比增强模型,并对信噪比增强效能及影响因素进行了分析;最后,搭建室外试验平台,验证了偏振滤光增强白昼测星实际效能。试验结果表明,在900~1700 nm的近红外波段,基于瑞利散射模型构建的滤光模型准确度较好,其中77%的点位偏振角误差小于5°,100%的点位偏振角误差优于12°,可满足实用偏振滤光模型的精度需求;通过对Arcturus、Kochab等6颗恒星观测表明,不同观测方位恒星信噪比可提升22%~109%,与信噪比增强模型基本一致;在全天域采用偏振滤光方法进行白昼测星具有重要应用价值,当全天域最大偏振度为0.65时,偏振度均值可达0.34,对应测星信噪比可提升约51.5%。

航空偏振辐射计偏振精度验证及带外响应分析

为满足航空平台图像大气校正的应用需求,在可见近红外至短波红外波段,同时获取大气多谱段偏振辐射信息,研制了一种用于航空轻量化的偏振探测仪器,航空偏振辐射计。首先,对仪器进行系统描述与光学组件简介,并给出仪器的主要技术参数,其次为保证仪器数据的可用性与参数反演精度,仪器装调之后,在实验室进行绝对辐射定标及偏振测量精度验证。研究结果表明:航空偏振辐射计的绝对辐射定标不确定度优于2.51%,各偏振波段对0.2线偏振度目标的偏振测量精度优于0.16%。同时对490 nm波段偏振精度不理想的情况进行分析,并使用单色仪系统验证其受带外响应影响,通过对比实验验证,针对490 nm波段的偏振通道,去除带外响应影响后,其偏振精度从2.29%提升至0.06%。