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偏振成像与偏振图像融合技术与方法

Technology and Method of Polarization Imaging and Polarization Image Fusion

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2014年06月

摘要：偏振成像技术能在杂乱背景下提高目标的识别率，对于人造假目标和伪装具有独特的辨别能力，同时能提高图像的对比度和清晰度。在过去的十几年中，成像偏振技术获得了迅速的发展，应用的范围也在不断地扩大，己经成为信息获取领域中的一个研究热点。本文主要论述了偏振成像技术的发展现状及应用前景，对偏振光的基本理论进行了研究。通过用数学表达式和矩阵对多源图像融合技术进行了详细的理论描述。

关键词：偏振成像图像融合斯托克斯参量琼斯矩阵

Abstract

Polarization imaging has the ability to identify false targets and enhance images taken in poor visibility and even restore clear-day visibility of scene. In the past several years, polarization imaging has been developed rapidly, the scope of application in continually expanding, already became in the field of information for a research hotspot. This article mainly discusses the technology development status and the application prospect of polarized light and studies the basic theory of polarized light technology. By using mathematical expression and the matrix of the source image fusion technology detailed description of the theory.

Keywords：Polarization Imaging; Polarization Image Fusion; Stokes parameter;

Jones matrix

第一章绪论

1.1引言

光波是电磁波的一个波段，光波的信息包括：振幅（光强）、频率（波长）、位相、偏振态（光波电磁场的振动方向）4 种独立的信息。一般的成像技术只探测一定光波段的强度。能够探测景物光波偏振态的成像技术，就是偏振成像。偏振成像是在实时获取目标偏振信息的基础上利用所得到的信息进行目标重构增强的过程，它能够提供更多维度的目标信息，是一项具有巨大应用价值的前沿技术，特别适合于隐身、伪装、虚假目标的探测识别，在雾霾、烟尘等恶劣环境下能提高光电探测装备的目标探测识别能力。

偏振成像技术研究的主要内容包括：什么是偏振光？自然光是非偏振光，还是偏振光？用什么参数描述偏振光？光的传播方式（自发辐射、反射、散射、透射和衍射）如何影响光的偏振特性，如何定量描述？Fresnel 公式、Jones 矩阵、Mueller 矩阵在光波偏振现象中有何应用？Rayleigh 散射和 Mie散射对光波的起偏作用及其异同点是什么？人造（目标）物体与自然（背景）物体的偏振特性有何差异？偏振成像的工作原理是什么？有哪些技术方案可以实现偏振成像？在设计偏振成像系统时，空间和时间分辨率如何权衡？偏振信息如何进行图像融合处理,以及可视化显示？误偏振信息的来源是什么，如何校正之？偏振成像有什么用途？不同波段的偏振成像有何差别？如何研制偏振光学元器件？如何研制偏振探测器？偏振光学元件和偏振成像整机性能如何描述和检测？偏振成像如何建模和仿真？在设计光学系统时，偏振光线如何追迹？如何建立偏振点扩散函数，偏振传递函数和噪声等效线偏振度数学模型，如何测量之？总之偏振成像是一种新的成像技术，需要建立一套完整的理论体系，及专业配套的技术体系。本文主要对偏振成像与偏振图像融合技术与方法进行研究。

1.2 偏振成像的发展

偏振图像发展历史如表1所示。早在 20 世纪 70 年代，美国就开始进行偏振成像技术的研究工作，经过了40多年的发展，目前已发展了多种偏振成像探测技术，它们可根据实现年代、技术方案、核心器件等不同分为 5 类：机械旋转偏振光学元件，分振幅型偏振成像装置，液晶可调滤光片型偏振成像装置，分孔径型偏振成像装置，分焦平面型和通道调制型偏振成像装置。2012 年之前，人们探索实现了线偏振成像。2012 年 2 月，美国报道了圆偏振滤光片的研究成

果，有望将来实现全偏振成像。开展该研究的机构主要有美国 NASA JPL，Moxtek 公司，Arizo-na 大学、科罗拉多矿业大学、华盛顿大学圣路易斯分校等，其技术难点主要是微型线/圆偏振片阵列的工作机理、优化设计及其与 CCD 相机像元的精确配准等，大多处于探索阶段，性能指标离实用还有一定距离。通道调制型偏振成像装置的雏形出现于 2003 年，它利用位相延迟器将不同位相因子分别同时调制到各线/圆偏振分量上，通过成像透镜傅里叶变换在探测器面阵上分开，再通过计算机解调实现全偏振成像探测。2003年日本北海道大学实现了目标单色光实时探测，2008 年实现了单色偏振成像，2011 年美国 Arizona 大学将其工作波段扩展到 50 nm，提升了光通量和探测距离，但受器件结构限制，成像质量尚待提高。国外对偏振成像技术的研究已经取得了丰硕的成果，目前还没有普及，国内在该领域尚处于起步探索阶段。

表1 偏振图像发展历史

第二章 偏振成像的技术与方法

在介质中传输的光，与介质发生相互作用后，其偏振状态的斯托克斯参数或琼斯矩阵会发生变化，改变的程度与介质的物理特性（如其介质特性、结构特征、粗糙度、水分含量、观察角、辐照度等条件）密切相关。

椭圆偏振光可看作是电矢量

x E 和y E 沿同一方向Z 传播的线偏光的合成。

⎩⎨

⎧+==)cos(cos ϕωωt A E t A E Y y x x (2-1)

将2-1式合并成一个方程：

ϕ

ϕsin cos 22

2

22

=-+y x y x y y

x x

A A E E A E A E (2-2)

式中

x A ，y A 分别为振幅，φ表示两波的相对位相差，ω为两光波的角频率，

t 为时间。

式2-2为一椭圆方程。即合成的矢量→

E 的端点在波的平面内描绘的轨迹呈现椭圆形，取

向和旋转方向由x A ，y A 和φ决定。当φ=2π

，2-2式表征一正椭圆偏振光，且当x A =y

A 时，为圆偏振光，当φ=0，±π或x A (y A )=0时，椭圆偏振光退化成线偏振光。图2-1中

描绘了不同位相差的椭圆轨迹图。

图2-1椭圆偏振光轨迹图