基于振幅分割的全偏振成像系统研究

摘要：偏振是光除了波长、振幅、相位之外的又一个重要特征，可以利用光波的偏振特性来研究物质的特性，进行目标探测。本文用斯托克斯参量对所搭建的分振幅成像系统进行分析。文章主要介绍了系统的结构、工作原理以及光学设计，并采用了E-P定标方法，建立了一个适合本系统的定标系统，并用该系统进行试验，得到了具有较高空间分辨率和光谱分辨率的的图像，证明了该系统获取成像数据的能力。

关键词：分振幅 偏振成像 系统定标 斯托克斯参量

中图分类号：TN919.8 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）10-0075-02

偏振是光的一种重要属性，通过对偏振态的测量，可以得到被测物体的很多特征信息，因此成像探测技术广泛应用于目標识别、地图绘制、生物医学、机器视觉、地物遥感等领域[1]。而分振幅光偏振探测法以其优越的稳定性、较高的测量精度、快速的探测速度[2]等优点得到了广泛的研究和应用。与传统成像技术相比，偏振成像探测技术不仅可以获取传统成像信息，还可以获取偏振多维信息[3]。而分振幅同时成像探测技术更是以其稳定、快速、高精度等特点在很多领域得到了广泛的研究与应用。

从1982 年美国学者Azzam设计了第一台振幅分割的高速测量光偏振的装置开始，三十多年来，分振幅偏振测量技术得到了长足的发展，但是由于国内起步较晚，偏振探测技术远不如西方国家成熟。本文将对分振幅全偏振成像系统的搭建、原理和系统定标进行介绍。

1 系统结构

基于分振幅全偏振成像系统由光学镜头、分光棱镜、1/4波片、1/2波片和CCD相机组成。图1是系统结构图和实物图，系统主要分为偏振成像部分和系统采集部分，系统通过控制板控制采集5幅图像，其中一路为原始图像，用于图像处理后的对比分析，其余四路为偏振图像，对应的四个CCD相机上分别为4 幅线偏振强度图像（0°、90°、45°、135°）。然后图像处理模块对接收的图像进行计算可以得到一组线性方程组，利用反演得到Stokes矢量的四个分量的值，进而求解出偏振度图像和偏振角图像。

2 光学设计

图2是光路图，目标辐射通过物镜到达非偏振分光棱镜RS，分成相互垂直的两路。一路经过方位角45°的1/4波片调制，然后入射到偏振分光棱镜，分为相互垂直的两路，分别在CCD1和CCD2成像。另一路经过方位角22.5°的半波片调制，入射到偏振分光棱镜，分为相互垂直的两路，分别在CCD3和CCD4成像。四个CCD相机上分别为4幅线偏振强度图像（ 0°、90°、45°、135°）。

3 系统定标

为了准确的得到目标反射光的偏振特性，需要对系统进行定标，求得系统矩阵。入射光的不同偏振态可由图3光路产生，P为偏振片，L为1/4波片，光经过1/4波片后光的偏振态为S。

可知只要求出矩阵A，且其行列式不为0，由探测器测得的光强矩阵，可得，可求得入射光的偏振态。可以看出用已知斯托克斯参数的偏振光来直接测量，便可以得到系统矩阵A。

定标过程为：第一步，使用线偏振态，移去定标系统中的1/4波片。在0°到360°范围内旋转偏振片，每隔10°记录一组偏振实验数据，归一化后利用最小二乘法，得到矩阵A的前三列。第二步，使用圆偏振态，将1/4波片安装到系统前，调整1/4波片和偏振片的方位角，分别使二者方位角夹角为45°和-45°，每隔10°记录一组数据，共得到36组数据（18组右旋圆数据，18组左旋圆数据），用最小二乘法得到A的最后一列，定标过程参考[5]。选几组不同于定标的偏振态，用系统矩阵求得入射光Stokes参量的实验值，与理论值进行对比，实验结果的相对误差在4%以内，具有较高一致性，证明所求得的系统矩阵是准确的。

4 试验与分析

对成像系统进行封装，并安装在三脚架上，试验目标背景比较杂乱，有显示器、激光发射器、电路板、红色的金属小车、黄色的柚子皮和白色的插排，在弱光条件下，无法分辨出背景中的物体。用上述偏振成像系统对目标场景成像，同时获得目标的四幅偏振态图像，并计算得到斯托克斯参量成像图像如图4所示。计算所得偏振度成像图像DOP和偏振角成像图像AOP如图5所示。

对比图像可看出各个物体的边界都变得清晰了，可以很容易的分辨出图中的物体，图片下方阴影部分的对比度得到增强，图像的区分度得到了大幅提升。从图中取白色框内图像计算对比度，该部分偏振度图像对比度提高63%。

5 结语

本文介绍了分振幅同时全偏振成像系统的原理和搭建，并采用了的E-P定标法对成像系统进行定标，得到了系统矩阵，并验证了其准确性。通过该系统采集了一组图片进行处理和分析。从以上的实验中可以看出，相对于普通强度成像技术，偏振成像技术有前者所没有的优势，在一些特殊环境（雾霾、烟尘）下能够增强对目标进行识别能力，因此偏振成像技术在目标识别、植被探测等领域具有广阔的应用前景。

参考文献

[1]张鹏.成像式偏振测量的关键问题研究[D].杭州：浙江大学，2012.7-30，32-33.

[2]李双，裘桢炜，杨长久.同时偏振成像探测技术初探[J].大气与环境光学学报，2010，5（3）：198-201.

[3]莫春和，段锦，付强等.国外偏振成像军事应用的研究进展[J].红外技术，2014，36（4）：265-270.

[4]廖延彪.偏振光学[M].北京：科学出版社，2003.52-61，243-244.

[5]杜西亮.基于振幅分割的光偏振测量技术的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2007.49-60.

收稿日期：2016-08-19

作者简介：徐宗杰（1988—），女，汉族，吉林蛟河人，硕士研究生，研究方向：数字视频与图像处理技术。