《基于退偏特性目标识别》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于退偏特性目标识别（21页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、课程设计题目：基于退偏特性差异进行目标识别学院：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：叶松2015 年 1 月 12 日摘要本文通过用一种基于偏振特征的目标识别技术. 实验采用激光作为照明光源, 根据目标散射光偏振度的差异 , 对线偏振光退偏特性的差异进行目标识别的原理与方法。系统获取了目标的偏振图像 , 并编写程序计算了图像的灰度值，由 Stokes 矢量计算偏振度， 合成偏振度图像。通过使激光光源照射在目标板表面，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，相对于退偏振强的目标, 退偏振弱的目标图像亮
2、度变化明显，所以偏振成像技术可以有效地提高目标探测和识别效率。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金属目标（铜、铁和铝）从非金属目标（树叶、纸、塑料和木头）中识别出来。关键字： 退偏特性； Stokes 参量；目标识别；偏振度成像； Matlab 编程目录引言 . 1 1 课程设计目的、内容、要求. . 1 2 方案论证和选择 . 2 2.1 三个不同角度测量线偏振光强法. 2 2.2四个不同角度测量线偏振光强法 . 5 3 仪器及元件的选择 . . 5 4 偏振图像采集 . 6 4.1 实验光路图. 6 4.2 实验步骤 . 6 5 实验结果与分析 .
3、7 6 实验评价 . 10 7 课设总结 . 10 参考文献 . 11 附件一：实验仪器 . 11 附件二：实验采集图像. . 12 附件三：实验程序 . 14 附件四：实验光路图 . . 17基于退偏特性差异进行目标识别1引言通常，当电磁波从物体表面反射时，根据物体材料、表面粗糙度及入射角度的不同，其偏振态将发生变化。偏振图像反映了物体对入射光偏振态的影响。偏振遥感正是基于探测物体对偏振电磁波的散射来获取物体的信息。偏振遥感被广泛应用在地质勘探、土壤分析、环境探测、植被分析、海洋开发及军事目标识别等领域。传统偏振成像采用被动工作方式，具有隐蔽性好的优点，但成像效果和距离均受到气象条件、目标温
4、度对比度和天空背景照度等因素的限制。激光照明偏振成像技术克服了被动成像的缺点，在远距离暗目标探测和水下探测方面有着重要的应用。相对于被动成像而言， 主动成像不依赖目标自身辐射( 热成像 ) 和目标对太阳或月亮等次光源的反射( 可见光或近红外成像 ) ，而是依靠仪器自身 ( 激光雷达 )发出激光作为照明光源， 由被探测目标反射或散射光子来提取目标的信息。所以激光照明偏振成像技术不受气象条件、目标温度及背景照度的影响，在遥感尤其是军事目标识别方面有着广泛的应用前景。本文提出了一种综合利用偏振探测技术，识别复杂背景下目标的方法。1 课程设计目的、内容、要求1.1 课程设计目的（1）掌握利用目标对线偏
5、振光退偏特性的差异进行目标识别的原理与方法；（2）设计测量光路，将金属目标（铜、铁和铝）从非金属目标（树叶、纸、塑料和木头）中识别出来；（3）掌握图像处理的方法包括计算合成偏振度图像、强度图像等；（4）分析目标识别实验中影响识别效果的因素。1.2 设计内容（1）选择与制作目标板，设计并搭建实验光路；（2）进行目标识别的实验，获取目标偏振图像；（3）对图像进行处理 , 编程计算出各种目标图像的偏振度；并比较偏振度图像与强度图像识别效果；（4）分析目标识别过程中影响识别效果的因素。基于退偏特性差异进行目标识别21.3 设计要求（1）叙述利用目标退偏特性差异进行目标识别的原理及特点；（2）完成目标识
6、别实验的现场演示。2 方案论证和选择2.1 三个不同角度测量线偏振光强法2.1.1 ：粗糙表面对光波的偏振变换模型斯托克斯矢量密勒矩阵能够处理完全偏振光，而且还可以处理部分偏振光问题，同时还可考虑光波的强度变化问题。密勒矩阵 M为：M=33000022000011000000MMMM（2-1)在密勒矩阵对角化的情况下， M00表示总的反射或散射系数， M11和 M22分别表示水平 ( 或垂直) 和+45。(或一 45。) 方向的线偏振系数 , 为圆偏振光系数。不同目标反射或散射入射激光的保偏能力为 : P=(|M11|+|M22|+|M33|)/(3M00) （2-2)对于特定偏振态的入射光波
7、，上式还可以进一步简化。例如，对于光强为I0的入射光波，其偏振态是 P(或 S)偏振时，则S=33000022000011000000MMMM0011=I0001100MM（2-3)式中： M11/M00表征目标散射 P(或 S)偏振态激光时的保偏能力。如果以+45。(一 45）或左旋( 右旋) 偏振光入射，则可以得到以下结论:M22/M00表征目标散射 +45。(一 45。)线偏振激光时的保偏能力，而M33/M00表征了目标散射左旋 (或右旋 ) 圆偏振光时的保偏能力。2.1.2 ：粗糙表面散射密勒矩阵元素的测量方法为了测量肘 M11/M00,以光强为 I0的 P偏振光人射，入射光斯托克斯矢
8、量为为: S=I00011T ,M 被测目标的密勒矩阵 , 见上文，入射光经目标散射后，变为P(或 S)光基于退偏特性差异进行目标识别3与自然光的叠加， 其斯托克斯矢量为Sout=I0001100MMT, 在接收探测器前放置检偏器，旋转检偏器使其偏振方向沿x 轴，检偏器密勒矩阵Md,x 为: Md,x=1/20000000000110011（2-4)通过检偏器的光斯托克斯矢量为:Sd,x= Md,xSout=1/2I0M00+M11 M00+M11 0 0 T此时探测器接收的光强记为I1,I1=I0/2(M00+M11), 这是光的电场矢量沿平行人射面方向的度。再将检偏器偏振方向旋转至y 轴方
9、向，密勒矩阵Md为Md,y=1/20000000000110011（2-5)同理，通过检偏器的光斯托克斯矢量为Sd,y= Md,ySout=I0/2M00-M11 -M00+M11 0 0 T 此时探测器接收的光强记为I2=I0/2(M00-M11) ，这是光的电场矢量沿垂直入射面方向的强度。目标表面散射光的总强度：I=I1+I2+I0M00,M11/M00则为两次测得光强之差除以I )I+)/(II-(I=/MM21210011（2-6)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
10、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：220yEESx（2-7) 221yEESx（2-8) 基于退偏特性差异进行目标识别4cos22yxEES（2-9) sin23yxEES（2-10) 其中 Ex，E y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
11、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表示 x 方向与 y 方向上的线偏振光的强度差。U表示4/方向与4/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：IVUQP222
12、，( V=0 ) IUQP22 (2-11) I = 220yEESx（2-12）Q = 221yEESx（2-13）U = cos22yxEES（2-14）在任一 x o y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：2si nsi nc o s)(2222yxyxEEEEI(2-15) 或者：2s i n2c o s21UQII(2-16) 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：32132IIII（2-17）基于退偏特性差异进行目标识别532
13、1212134IIIQ（2-18）3232IIU（2-19）这样通过实验使用CCD 成像器件测出 0o、60o、120o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（ 2-12） （2-13） （2-14）三式求出 I 、Q 、U，然后再代入式 (2-11) 即可求得偏振度值P。2.2 四个不同角度测量线偏振光强法按式（ 2-1） （2-2） （2-3） （2-4）可得：431423312I1IIIIIIIIIVUQ（2-20）其中 I 为光的总强度， I-1、I2、I3、I4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 0o、45o、90o和 135o
