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1、偏振成像技术提取目标纹理的研究摘 要本文主要通过实验研究偏振图像与强度图像在目标探测方面上的优劣。实验基于偏振光特性结和Stokes矢量表示法，采用激光主动成像与自然光被动成像两种方式，分别在室内、外进行实验，用 CCD采集获得各个目标3幅原始图像，再用Matlab软件对3幅原始图像进行处理，得到多组距离、光强不同的偏振度图像。获得目标物体的强度图像与偏振度图像比较两种图像的优劣。实验结果表明：偏振图像与强度图像相比，偏振图像对低照度（阴影等）部分、边缘部分信息得到增强，偏振信息对物体的纹理探测效果明显。所以偏振成像技术在军事侦查、目标识别、海洋搜救等领域有广阔应用前景。关键词：偏振成像；斯托
2、克斯矢量；图像处理；偏振度图像；强度图AbstractThis paper through the experimental study of polarization image and image intensity in target detection on the merits. Experiments based on polarized characteristics and Stokes vector representation, using laser active imaging with natural light passive imaging in two ways
3、, respectively, and in the indoor experiment, using CCD data from each target 3 piece of the original image, and then Matlab software on the 3 piece of the original image processing, resulting in multiple sets of distance, intensity of different degree of polarization image. To obtain the target obj
4、ect intensity image and degree of polarization image comparison of two image quality. At the same time, we use linear polarization laser as the light source, making target detection and recognition experiment for several conventional man-made objects and the natural target indoor and outdoor. We use
5、 image acquisition system to get strength image and polarization image of different roughness metal target and nonmetallic targets, and writing matlab program to calculate gray values of image and enhance processing. Results show that in linear polarization laser irradiation, man-made objects and th
6、e natural target have very big difference in refund partial nature. Technology of linear polarization laser active imaging can improve metal target and background contrast to the benefit of target detection and recognition. In active imaging of polarized active imaging, smooth surface targets are mo
7、re conducive to recognize.The experimental results show that: polarization image and strength compared to images, polarization image on low intensity ( shadow part ), edge information is enhanced, the polarization information of object texture detection effect is obvious. So the polarization imaging
8、 technology in military reconnaissance, target identification, marine search and rescue and other fields have broad application prospects.Key words: Polarization imaging；Stokes vector；Image processing；Polarization image；目 录引言11.绪论11.1课题研究意义及应用前景11.2 国内研究现状21.3 国外研究现状41.4 本文主要研究内容42 原理基本概述52.1 光的偏振52
9、.2 偏振成像的基本原理62.2.1 偏振的琼斯矢量62.2.2 偏振的斯托克斯矢量72.2.3偏振光的穆勒矩阵表示法83 实验方案123.1 实验方案及步骤123.2实验仪器及仪器参数介绍124 实验数据的分析处理154.1 图像处理方法154.2 图像数据分析17174.2.2被动式偏振成像分析174.2.3探所材料与偏振成像间的关系184.2.3探索过高光强对偏振成像质量的影响204.3误差分析204.4 实验的不足与改进214.5 实验总结215 课题结论与展望22参考文献23附 录124附 录225附 录327引言1.绪论1.1课题研究意义及应用前景在复杂的背景中识别出感兴趣的目标，
10、尤其是那些经过伪装或具有隐身能力的目标，是情报侦察、战场监视和目标领域中的一个重要课题。通常的光学监测系统是根据光强的差别来区分目标的，但当强度差别不明显或目标所处的背景杂乱（受植被、地形、天气状况等影响）时，用强度来区分目标就很困难。偏振成像探测系统正是为了适应这样的需求而发展起来的。地球表面和大气中的任何目标，在反射、散射和电磁辐射的过程中会产生由其自身性质决定的特征偏振。太阳光波是电磁波，具有偏振特性的横波。在自然界中，光滑的植物叶片、江河湖海的水面、冰雪、沙漠、云、 鱼鳞和皮革等物体都充当着天然反射起偏器的作用1。自然光照射后，反射光中电矢量垂直分量和平行分量的振幅发生变化，因此，反射
11、光不再是各向同性的自然光，而成为部分偏振光或线偏振光。人造目标表面较光滑，也起到同样的作用，但它的反射偏振度与背景不同。物体的表面结构、纹理、 光人射角度的不同，都会影响反射光波的偏振状态，从而增强物体表面的某些信息。激光具有良好的偏振性，现代主动成像系统中通常应用激光作为光源，由于目标表面特征的差异会影响反射光波的偏振度，从而使偏振成为可以用于目标提取和识别的重要特征。此外，物体的热辐射也有偏振效应。蕴涵着目标多种信息的偏振特性，能为目标识别提供 大量新的资料，具有很高的利用价值。偏振成像技术是最近十年来国内外发展很快的一项新的成像技术，具有广泛的军用和民用前景。主要应用有：（1）探测隐藏或
12、伪装的目标：偏振信息是不同于辐射的另一种表征物体的信息，相同辐射的物体，可能有不同的偏振度。使用偏振手段可以在复杂的辐射背景下检测出有用的信号，以成像的方式检测隐藏、伪装的军事目标。（2）水下目标的探测和识别： 混浊介质中物体的成像目前仍然是科学与工程界较难解决的问题之一。数年的研究表明，限制水下成像的距离主要有以下原因：吸收和散射作用造成光在水中的衰减；而光的后向散射造成目标图像的不清晰；目标与探测器之间的光散射使图像模糊并降低图像的对比度。在水下激光探测的研究中，大多都是利用光强度成像，还有的采用距离选通技术。因此，绝大多数系统都是通过检测图像在空域的影射强度来达到获取目标信息的目的，而较
13、少考虑散射介质对目标成像所起的干扰作用，而恰恰是这些由于散射介质而产生的散射光对目标的成像产生了比较大的损害。在水下成像应用中，根据悬浮粒子(水、雾、雨)后向散射光的解偏振度小于物体后向散射光的解偏振度原理，采用线偏振光或圆偏振光作照明光源，并在探测器前放置线偏振器或圆偏振器，以及利用水中粒子散射光和物体散射光解偏振度的差异，来减小悬浮微粒后向光散射光影响，从而可以提高水下物体的图像对比度。 （3）。（4）物体特征识别，如指纹识别；1997年，G.Demos和R.R.Alfano对人体手掌的表皮进行偏振成像研究。实验用R-6G染料激光器发出的570-635nm的激光束照射样品，CCD相机采集图
14、像，起偏器和检偏器的夹角从0到90改变。通过改变偏振片间的夹角，获取了样品的表面和深层次信息。（5）在烟雾气候环境条件下的导航。（6）区分金属盒绝缘体，或从引诱物中区分真实目标。（7）星载或者机载遥感。（8）检测材料的物理特性。（9）实现对小温差目标的探测和识别。（10）海面目标的探测和识别。（11）与其它的技术结合，如多光谱偏振红外成像，超光谱偏振红外成像等。1.2 国内研究现状国内对利用偏振光主动成像研究起步较晚，但是近几年也逐步赶上了国外研究的脚步，并在实际应用中得到体现。由科学导报评选的2006年中国重大科学进展发布，上海光机所周常河研究员、陆云清博士“首次发现偏振光栅自成像效应”入选
15、2006年中国基础科学研究领域重大进展。该项研究从理论上证明了偏振光栅自成像效应的存在，对高密度光栅的使用有着重要的参考价值，对相关开发、利用和检测等具有实际意义。2010年，自从阿凡达一声怒吼，3D就成了高科技的全新代名词。一时间索尼、夏普、松下、三星等国际家电企业都纷纷推出了自己的3D电视机产品，而国内企业也不甘人后，也先后推出了自己的3D电视机产品。现在3D电视应用最广泛的“主动式快门3D成像技术”，这种成像技术是将两组液晶片构成一个眼镜，通过接收频闪信号，开启/关闭其中一只镜片，因为人类大脑在处理视觉信号时，会有非常简短的时差，而快门眼镜的频闪速度略快于大脑对图像的处理速度，这样就让两
16、只眼睛虽然看着同一个屏幕，但却要看到略有偏差的两个不同画面。但是其缺点在于带上这种加入黑膜的3D眼镜以后，每只眼睛实际上只能得到一半的光，因此主动式快门看出去，就好像戴了墨镜看电视一样，而且眼镜很容易疲劳。再者主动式快门眼镜受到那块液晶层的限制，镜片面积也不能做得太大，对部份的人来说，特别是有戴眼镜的人群会很容易看到四周粗粗的黑框。观看起来感觉非常不好。同时由于不同的帧变化间断时间和人的个体差异不同，眼镜的疲劳程度和大脑的劳累速度也是不同的，最严重的长时间观看可能引发呕吐等现象。所以我们研究了偏振3D技术，偏振3D技术起源早于主动式快门3D技术，与主动式快门3D技术不同，偏振3D技术依靠的是光学原理，而
