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1、 课程设计题 目： 偏振度图像的获取 学 院：电子工程与自动化学院 专 业： 光信息科学与技术 学生姓名： 学 号： 指导教师： 2011 年 12 月26 日内容摘要：21、设计任务及要求32、实验原理33、方案论证和选择43.1方案一：三个不同角度测量线偏振光强法43.2 方案二：四个不同角度测量线偏振光强法43.3方案比较与选择54、光路设计及器件选择65、实验原理及过程75.1光路图75.2实验工作原理75.3实验步骤75.4实验记录数据86、图像数据处理及分析96.1 编程计算过程96.1.1编程工具的选择96.1.2图像数据处理算法96.2合成的强度图像106.3合成的偏振度图像1
2、16.4 数据分析127、课题评价127.1总结设计的特点127.2方案的优缺点137.3课题核心价值138、总结体会139、参与文献13附录1：实验器材14附录2：程序代码段14附录3：实验光路图18附录4：VC+编写软件界面图19内容摘要：由Stokes矢量计算偏振度原理，通过使白光光源照射在电路板表面，反射光通过偏振片后由CCD探测同一目标在不同偏振方向的反射光采集到几组图像数据，最终可合成偏振度图像，结果表明偏振度图像包含有许多普通图像所不能体现出的信息，利用这些信息可以识别区分在普通图像中难以辨别的物体，可应用于军事目标识别与遥感目标识别领域。关键字：偏振度 Stokes参量目标识别
3、 偏振度成像 VC+编程1、设计任务及要求：任务：设计实验光路，通过CCD成像器件采集目标物体的偏振信息图像数据并使用计算机编程做数据处理最终合成偏振度图像。要求：获取自然光（白光）照射条件下目标偏振图像，并计算合成偏振度图像，并对图像数据结果进行必要的分析。对所选用设备、确定的方案给出技术分析。2、实验原理：由于电磁波经物体表面反射辐射后，根据表面的结构、纹理以及入射的角度，其偏振状态将发生改变，会使物体表面某些信息得到增强，从而可以更有效地鉴别物体。所以，通过实验手段获得的偏振图像可以表征一些强度测量很难表征的信息，如表面的结构、粗糙程度等。偏振度：是度量电磁波中偏振程度的参数，为偏振光在
4、总光强中所占的比例。一般而言，偏振度在0(自然光)与1(全偏振)间变化。斯托克斯参量（Stokes parameters）：是光学偏振态的数学表示。斯托克斯引入四个量作为表示偏振态的参量，即： S0= |Ex|2 + |Ey|2 （1-1）S1= |Ex|2 - |Ey|2 （1-2）S2= 2ExEycos （1-3）S3= 2ExEysin （1-4）其中Ex，Ey是光的电矢量E在x、y方向上的振幅，是二者的相位差。这四个参量可以表示自然光及各种偏振光。一个给定的斯托克斯参量可看做一个矢量。Stokes 参量中的S0、S1 、S2 、S3通常表示成I、Q、U、V。其中I表示光波的总强度。Q
5、表示x方向与y方向上的线偏振光的强度差。U表示方向与方向上的线偏振光的强度差。V表示右旋不是左旋圆偏振分量占优势。在自然界大气背景及目标物对太阳入射的偏振效应中，圆偏振的分量极少，相对于仪器的误差来说可以忽略，通常假定V=0。因而，要完全确定一束光线的偏振状态，还需要三个独立数据来确定I、Q、U这三个参量。得到Stokes矢量 S = I Q U V 后即可通过以下公式计算出该光束的偏振度为： ，( V=0 ) (1-5)3、方案论证和选择：3.1方案一：三个不同角度测量线偏振光强法由上述原理有：I = S0 = |Ex|2 + |Ey|2 （2-1）Q = S1 = |Ex|2 - |Ey|
6、2 （2-2）U = S2 = 2ExEycos （2-3）在任一xoy平面，在与X轴的夹角为的方向上进行观测所得到的光强可以用下式表述：（2-4）或者：（2-5）这样只要测出三个不同角度的线偏振光的光强I，就可以联立求出Stokes的I、Q。U的值。现取0o、60o、130o三个角度获得I、Q、U值如下： （2-6） （2-7） （2-8）这样通过实验使用CCD成像器件测出0o、60o、130o三个角度下的灰度图像即可没得三个方向的光强I1、I2、I3的图像。代入以上（2-6）（2-7）（2-8）三式求出I、Q、U，然后再代入式(1-5)即可求得偏振度值P。3.2 方案二：四个不同角度测量线
7、偏振光强法按式（1-1）（1-2）（1-3）（1-4）可得： （2-9）其中I为光的总强度，I-1、I0、I1、I2分别表示放置在光传播方向上一理想偏振片透光轴与参考方向呈-45o、0o、45o、90o方向上的线偏振光强，Ir和Il表示右旋（r）和左旋（l）圆偏振光强.线偏振光的Stokes矢量为1 1 0 0，自然光的Stokes矢量为1 0 0 0。这样通过实验使用CCD成像器件测出-45o、0o、45o、90o四个角度下的灰度图像即可没得四个方向的光强I-1、I0、I1、I2的图像。代入上式（2-9）求出I、Q、U，然后再代入式(1-5)即可求得偏振度值P。3.3方案比较与选择两个方案相
8、比看出，在实验步骤上两者大同小异，主要区别在于数据采集和数据处理过程。使用方案一则只需使检偏器分别旋转3个角度拍取图像即可，由于在实验过程中，去旋转检偏器多多少少会使镜片产生位移，这样可能会引起拍摄图像产生位移。3个角度方法，即只需旋转两次，相比4个角度方法少转一次，从而减少由于镜片位移引起的误差。使用方案二则需要测量4组数据，相比方案一多测1组。这样360o划分为45o，而方案二划分为60o，所以相对于方案二，方案一计算测量的分辨率要高，从而计算误差比方案一的要小。综上所述，最终选用方案二。4、光路设计及器件选择由方案二原理分析得，所需器件有：白光光源、被测目标物（实验所用电路板）、偏振片（
9、检偏器）、成像透镜、CCD成像探测器、计算机、固定支架等。由于白光光源的光谱分布最接近于自然光的光谱分布，所以其光束各方向偏振强度均匀，比较符合实验原理要求。当白光照射到被测物时，其反射的光偏振方向主要就取决于目标物表面性质的分布。被测目标物的选择：由于要获取的图像为偏振度图像，则图像应该具有明显的轮廓和层次感，这样才能体现出由于被测物表面性质分布特征而反映出的物体表面某些信息。所以要选择的被测物体表面性质、结构、粗糙程度等应有明显的变化。实验初步使用树叶，用偏振度图像反映树叶的脉络。另外也可以选择表面物质有性质有明显变化的物体，如电路板。实验最终选用性质变化明显的电路板。偏振片：其对入射光具
10、有遮蔽和透过的功能，可使纵向光或横向光一种透过，一种遮蔽。在实验中，其起着关键作用。实验通过旋转偏振片于不同方向可以让不同方面的线偏振光束透过成为线偏振图像。成像透镜：主要是作为CCD成像采集的辅助作用，其将被测物体成像于CCD探测面上。为了保证物体表面层次成像有好效果，应使用光学传递函数MTF值在中低频的强度曲线呈平缓的成像透镜器件。CCD成像器件：其主要用于光线偏振图像的光强度直接采集，直接关系的源数据信息及误差，所应尽可以选择分辨率高和暗电流小的CCD器件。计算机：主要用于采集的图像数据处理。实际编程计算时可使用MATLAB或VC+6.0等编程开发软件。为了保证数据处理的速度，应先用内存
11、大、运算速度高的计算机。5、实验原理及过程5.1光路图：白光光源被测目标偏振片成像透镜CCD成像器件（约100o）图1 实验光路图5.2实验工作原理：如图1实验光路图所示，白光光束照射到物体表面后CCD探测方向的反射光线与入射光线之间的夹角应大于或等于90度（实际选用约100度），这样反射光的偏振信息才明显。反射光束经过偏振片后透过的只有线偏振光束，这样得到的则为线偏振图像。通过成像透镜后，CCD探测采集到线偏振图像数据。实验中，通过旋转偏振片分别为-45o、0o、45o、90o四个角度方向则可以采集到相应方向上的线偏振图像。通过数据处理，将采集到的灰度强度数据代入式（2-9）求出I、Q、U，
12、然后再代入式(1-5)即可求得偏振度值P。最终将所有计算结果的像素合成的图像即为偏振度图像。5.3实验步骤：1） 摆光路器件：按图1实验光路图，除偏振片外，按光路顺序摆放好各器件，其中将电路板（目标物）以白纸为背景固定在目标靶上。2） 调焦：在光轴方向上移动成像透镜，观察采集图像的，使图像达最清晰程度，并固定好所有器件。3） 采集普通图像：如图1，在成像透镜前加入偏振片并旋转偏振片角度使采集在的图像呈最明亮的程度，记录该图像为普通图像。4） 采集线偏振图像：按偏振片上的刻度值，分别将偏振片与参考刻度成：-45o、0o、45o、90o夹角，采集记录相应的图像：I-1、I0、I1、I2。5） 数据
13、处理：将步骤4）采集到的I-1、I0、I1、I2图像灰度值代入式（2-9）求出I、Q、U，然后再代入式(1-5)即可求得偏振度值P。最终将所有计算结果的像素合成的图像即为偏振度图像。5.4实验记录数据：a. -45o方向线偏振图像b. 0o方向线偏振图像c. 45o方向线偏振图像d. 90o方向线偏振图像图2 原始采集图像6、图像数据处理及分析6.1 编程计算过程：6.1.1编程工具的选择：在图像处理编程中，较好常用的是MATLAB软件编程，其特点是方便程序设计，许多图像处理的函数如：图像文件输入输出（imread()、imwrite()）、图像转换（rgb2gray()）、图像灰度增强运算、
14、数字图像空域滤波等已经包含在数据库中，用户只需调用这些现成的函数来处理相应的数据及可快捷完成实现图像的处理。其主要缺点是，一般设计的MATLAB程序只能运行在MATLAB软件的基础上，即程序只能在打开了MATLAB软件通过它来调出程序才能正常运行，程序独立性较差，工作平台受到了限制。若在没有涉及到太多的图像数据处理，如：图像增强，图像滤波，图像复原一的些复杂的运算，使用VC+6.0通用的软件编程不但可以完成简单的图像处理功能，还解决了MATLAB中程序独立性差的缺点。因为VC+编程及为面向windows系统的编程，其编写完成的可执行文件可以直接在操作系统上运行。这样，通过完成软件成品的编程，在实验数据处理中很方便快捷的完成处理得到运算结果。相比上述两种编程工具，虽然MATLAB方便设计，但不方便实验中使用来做数据处理，而使用VC+6.
