偏振度图像获取(课设)

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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: (2)

1、设计任务及要求 (3)

2、实验原理 (3)

3、方案论证和选择 (4)

3.1方案一:三个不同角度测量线偏振光强法 (4)

3.2 方案二:四个不同角度测量线偏振光强法 (4)

3.3方案比较与选择 (5)

4、光路设计及器件选择 (6)

5、实验原理及过程 (7)

5.1光路图 (7)

5.2实验工作原理 (7)

5.3实验步骤 (7)

5.4实验记录数据 (8)

6、图像数据处理及分析 (9)

6.1 编程计算过程 (9)

6.1.1编程工具的选择 (9)

6.1.2图像数据处理算法 (9)

6.2合成的强度图像 (10)

6.3合成的偏振度图像 (11)

6.4 数据分析 (12)

7、课题评价 (12)

7.1总结设计的特点 (12)

7.2方案的优缺点 (13)

7.3课题核心价值 (13)

8、总结体会 (13)

9、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:

S 0=〈 |E x |2 〉+〈 |E y |2 〉 …… (1-1)

S 1=〈 |E x |2 〉-〈 |E y |2 〉 …… (1-2)

S 2=〈 2E x E y cosδ 〉 …… (1-3)

S 3=〈 2E x E y sinδ 〉 …… (1-4)

其中E x ,E y 是光的电矢量E 在x 、y 方向上的振幅,δ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S 0、S 1 、S 2 、S 3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/π+方向与4/π-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:

I V U Q P 222++= ,( V=0 ) ⇒ I

U Q P 22+= …… (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 = S 0 =〈 |E x |2 〉+〈 |E y |2 〉

…… (2-1) Q = S 1 =〈 |E x |2 〉-〈 |E y |2 〉

…… (2-2) U = S 2 =〈 2E x E y cosδ 〉

…… (2-3) 在任一xoy 平面,在与X 轴的夹角为α的方向上进行观测所得到的光强可以用下式表述:

αααα2sin sin cos )(2222y x y x E E E E I ++= ……(2-4) 或者:

()()ααα2sin 2cos 21U Q I I ++= ……(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:

()32132I I I I ++= …… (2-6) ⎪⎭

⎫ ⎝⎛--=321212134I I I Q …… (2-7)

()3232I I U -= …… (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I 1、I 2、I 3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偏振光强法

按式(1-1)(1-2)(1-3)(1-4)可得:

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