多云天气天空偏振定向方法

为了在多云天气下实现天空偏振定向,提出了一种利用改进的U-Net深度神经网络结合偏振度阈值进行云分割的方法,并基于瑞利散射理论获取太阳方向与体轴夹角实现天空偏振定向。采用包含3个残差结构的Respath模块将UNet神经网络的编码区与解码区更好的融合,并在下采样时添加MultiBlock模块,使输入图像的特征更好地被学习。将神经网络预测的二值分割图与设置偏振度阈值为0.1的二值分割图进行或运算得到能够较好地分割云和蓝天的二值图。最后,将该二值图作为mask模板去除偏振方位角图中异常像素点,使保留的像素点符合瑞利散射理论,进而获取太阳方向与体轴的夹角。多云天气下的实验表明,该方法获取载体坐标系下太阳方位角的均方根误差为0.42°,能够满足实际导航需求。

天空实时全偏振成像探测器设计与搭建

生物利用天空偏振光进行导航的方式给科研人员很大的启发,越来越多的学者正在进行这方面的研究。精确的天空偏振场图是进行偏振导航的前提条件,为了获取更加准确的天空偏振场图,许多成像式偏振探测装置被开发出来。本文提出了一种新型的实时全偏振一体式成像探测传感器,可以获取全参数Stokes矢量,进而解算出目标的AOP、DOP、LDOP和CDOP等信息。基于C++语言和OpenCV库,采用MFC架构开发了上位机程序,实现了目标偏振信息的实时显示。在最大分辨率下,视频流的刷新率为3frame/s,基本满足了实时探测的需要。对晴朗天气条件下天空偏振场图进行了实际探测,实验过程中探测器性能稳定,天空偏振场图与瑞利散射模型具有较高的一致性,太阳子午线动态识别误差为0.01°~0.23°,初步证明了探测器的可靠性,为后续工作奠定了基础。

偏振探测系统的图像配准

分振幅式偏振探测成像系统的各分光路图像之间存在位置误差,率先完成各分光路图像之间的图像配准是进行偏振探测的前提条件。针对探测过程中,目标特征不明显、图像特征难以提取、各分光路图像间灰度变化较大的问题,提出适用于分振幅式偏振探测成像系统各分光路图像的相似性度量函数,并在此基础上,完成各分光路图像间的配准工作。首先,根据图像间的位置误差会造成偏振信息图像中出现信息异常区域的原理,研究了相似性度量函数的提取算法;接着,根据探测系统的各分光路的成像特点,确定图像间的几何变换参数;以遗传算法作为参数优化搜索算法,搜索得到最优的几何变换参数,完成整个图像配准算法的设计;最后,分别利用构造图像和实际采集图像,对配准算法进行了验证,并以图像间互信息值(MI)衡量图像配准的精度。实验结果表明:配准后的构造图像的MI为2.692 5,高于特征配准方法的实现精度;实际采集图像配准后的MI达1.849 3,同样高于特征配准方法的实现精度。基本满足偏振探测系统的图像配准需求。

分振幅偏振成像相机标定方法研究

在分振幅偏振成像探测器标定过程中,针对标定系统引入的误差和探测器自身误差的超多影响因素的强耦合问题,提出采用一种非线性最小二乘拟合法,将探测器与标定系统的主要误差影响因素以未知参数的方式代入拟合方程中进行标定计算.在波段为532 nm的入射光源下,对标定后探测器的精度进行了验证.探测线偏振光的偏振角误差在0.2°以内,线偏振度误差在2.5%以内,探测左右旋圆偏振光的圆偏振度误差在3.5%以内,满足了天空偏振探测的应用.非线性最小二乘拟合法可以有效的标定分振幅偏振成像探测器.

米散射浑浊水体偏振成像模型仿真研究

为了研究浑浊水体对成像质量的影响,利用单次Mie散射理论和蒙特卡罗法,在融合几何光学成像的基础上提出一种理论分析方法。该方法分析不同波长的点光源在不同粒径不同浓度的浑浊水体环境传输时的成像特征。结果表明:波长分别为456 nm、524 nm、620 nm的点光源经相同的水体环境和无散射环境进行偏振成像传输时,波长为456 nm的点光源的成像效果最好;波长为456 nm的点光源经过散射粒径大小分别为1μm和2μm的浑浊水体时,线偏振光的成像效果优于圆偏振光,圆偏振光优于自然光;当穿过散射粒径为3μm、4μm、5μm的浑浊水体时,自然光成像效果最好,线偏振光成像效果最差。从理论上分析了不同波段的点光源经过不同水体进行偏振成像传输的成像效果,为水下偏振成像技术提供了新的思路和方法。

机械拉伸下乳腺导管内癌组织的Mueller矩阵表征

相较于传统非偏振光学表征方法,Mueller矩阵成像偏振(MMIP)法可以表征丰富的生物组织微观结构,在癌症病理诊断方面有着巨大的应用潜力.研究了机械拉伸下不同生物组织结构的MMIP表征,在MMIP系统的基础上增加机械拉伸模块,通过机械拉伸改变生物组织的光学特性.采用Mueller矩阵极化分解方法提取了可以表征介质基本偏振特性的2个表征参数,即二向色性(D)和散射退偏(△).以乳腺导管内癌组织及正常乳腺组织为研究对象,分析了不同组织结构之间表征参数的平均值差值的变化趋势及其变化率在机械拉伸作用下的变化规律.结果表明:在机械拉伸作用下,不同组织结构之间的D参数平均值差值呈减小趋势,差值变化率最大可达7.9%,△参数平均值差值亦呈现减小趋势,差值变化率最大可达12.7%.研究结果为基于偏振成像的癌症病理诊断提供了参考.

生物组织结构的庞加莱球表征

相较于传统的非偏振光学探测方法,Stokes-Mueller矩阵成像技术可反映出丰富的生物组织微观结构信息,被广泛应用于组织病变检测。本文探究了生物组织结构的庞加莱球表征方法,采用Mueller矩阵极化分解方法提取了可以表征介质基本偏振特性的3个表征向量———延迟向量(R)、二向色性向量(D)、偏振向量(P),并将其中的P向量和D向量绘制在庞加莱球上,以样本点聚集中心距为评价指标对比向量差异。以骨骼肌组织和纤维结缔组织的细胞核和纤维结构为研究对象,探究了同一生物组织不同结构的表征向量在庞加莱球上的分布规律,进一步对比分析了不同生物组织相似结构的表征向量在庞加莱球上的分布规律。研究发现,对于两种生物组织中相似结构的P向量和D向量的表征差异,纤维结缔组织优于骨骼肌组织8%以上。对于单一生物组织中的两种结构的表征差异,P向量优于D向量19.7%以上。实验结果表明,庞加莱球方法可以用于表征生物组织的不同结构,并作为生物组织表征的潜在技术手段。