分焦平面偏振成像关键技术
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强度 图 。这种 方 法通 常在 系统孔 径 处采 用离 轴 的方 法放 置 ４个 成像 透镜 阵 列形 成 ４个 通道 ， 每 个通 道放 置 不 同方 向的偏 振检 测原 件 以获取 不 同偏振 方 向的强 度 图 。 最终 得 到 Ｓ ｔ ｏ ｋ ｅ ｓ 矢量 图 。 ４个 偏振 通道 共享 一个 前
振信 息 和强 度信 息 融 合 ， 还可 以达 到增 强 目标 的 目的 ， 能提 供更 多 维度 的 目标 信 息 ， 可有 效 提 高对 隐身 、 伪 装 目标 的探测 识别 能力 ， 还 可 以抑制雾 霾 、 烟尘 以及诱 饵 等干 扰 。
偏 振 成像 是一 项具有 巨大应 用价 值 的前 沿技 术 。 近 年得 到 了业 内人 士 的广泛关 注 。典 型 的偏 振成 像 方
态 信息 ， 这 种方 法 因为是 在不 同的时刻 得到 不 同方 向的光 强响 应 ， 故 只适 合 于对静 态场景 成像 。分振 幅法利
用 分束 镜 、 偏 振 分束 器或 沃尔 斯通 棱镜 等分 束 光学 器件 结 合成 像 透镜及 多 个成 像探 测 器组成 多 个偏 振探 测 通道 ， 获 取得 到 同一 目标场 景 的多 幅图像 ， 在每 个 通道 中放置 不 同方 向的偏 振 片 以获 取 目标 不 同偏 振 方 向 的强度 图 ， 再 利用 数 据 约简 矩 阵得 到 目标 的 Ｓ ｔ ｏ ｋ ｅ ｓ 矢量 图 。分振 幅法 具 有 可 同时 成像 ， 数 据 处 理简 单等 优
文章编号： １ ０ ０ ５ — ０ ５ ２ ３ （ ２ ０ １ ７ ） ０ １ － ０ ０ ０ ８ — ０ ６
分焦 平面偏振成像 关键 技术
罗 海 波 ， 刘 燕 德 ， 兰 乐佳 ， 叶 双 辉
（ １ ． 中 国科 学 院 沈 阳 自动 化 研 究所 ， 辽宁 沈阳 １ １ ０ ０ １ ６ ； ２ ． 华 东 交 通 大 学 机 电 与 车辆 工 程 学 院 ． 江西 南 昌 ３ ３ ０ ０ １ ３ ）
法有 分 时法 （ Ｄ ｏ Ｔ ） ｐ ｊ ， 分振 幅法 （ Ｄ ｏ Ａ Ｍ） ［ ４ ］ ， 分 孔径 法 （ Ｄ ｏ Ａ Ｐ ） ｔ ￣ 以及分 焦平 面 法 （ Ｄ ｏ Ｆ Ｐ ） ￣ ｓ － ７ ］ 。分 时法 采用 步 进旋 转 偏振 片 ， 在不 同的 时刻分 别 获 得 ４个 方 向 的光强 响应 ， 从 这 ４个 光强 响 应 中就 能解 算 出景 物 光波 的偏 振
技 术 进 行 了讨 论 。
关键词 ： 成像 ； 偏振成像 ； 分焦平面法； 插值 ； 非 均 匀性 校 正 中 圈分 类 号 ： Ｔ Ｆ ３ ９ １ 文 献标 志码 ： Ａ
偏 振是 光波 的基 本属 性之 一， 其 中蕴 含着 被测 物 的众多 特征 信息 。 由于人 眼对 偏 振信 息不 敏感， 所 以一
点， 然 而 由于需要 分成 多个 子光 学 系统 ， 采用 多个成 像 探测 器记 录 多 幅偏振 强度 图像 ， 所 以体积 较 大 。且 当 各通 道 采用 的光 学 系统和 成像 探测 器 的参数 存 在差 异 时 。 会 引 入额 外 的偏 振测 量误 差 。分孔 径 法是 指采 用
孔 径分 割 的方 法 将整 个 系统 分 成 多个 子孔 径 ， 每 个 子孔 径 分别 采 用不 同 的偏 振 元 件 ， 以获 取 不 同偏振 态 的
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ６ —１ ２ — ｏ ９
軎 ； 金项 目 ： 南 方 山 地果 园 智 能化 管理 技 术 与 装 备 协 同创 新 中 心 （ 赣教高字［ ２ ０ １ ４ １ ６ ０号 ） 资 助 者简 介： 罗海波（ １ ９ ６ ７ 一） ， 男， 博士 ， 研 究员 ， 博士生导师。 辽 宁 省 人 工 智 能 学 会理 事 ． 中 国宇 航学 会 光 电技 术 专 业 委 员 会 第 二 届委员会委员 ， 中 国 图像 图形 学 学 会 会 员 。 参 与 多项 国 家 重 点 项 目的 研 究 ， 主持 １ ０余 项 课 题 研 究 ， 获 得 国 家 发 明 二 等奖 ｌ 项； 军 队科 技 进 步 一 等 奖 １ 项： 国 防科 技 进 步 三 等 奖 １ 项； 军 队科 技 进 步 三 等 奖 １ 项。 发表学术论文 ２ ０余 篇 ， 其中Ｅ Ｉ 检索 ｌ ４篇 ； 获得 发 明专 利 ２ ０ 余件 ； ２ ０ ０ ９年 入 选 辽 宁 省 “ 百千万人才工程” 百人层次 。
第３ ４卷 第 １ 期 ２ ０ １ ７年 ２月
华 东 交 通 大 学 学 报
Ｊ ｏ ｕ ｎａ ｒ ｌ ｏ ｆ Ｅ ａ ｓ ｔ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｊ ｉ ａ ｏ ｔ ｏ ｎ ｇ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ
Ｖｏ １． ３４ Ｎｏ．１ Ｆｅ ｂ ．，２０１ ７
般情 况 下人 眼所 获得 的信 息 主要 来 自于 光 的强度 和光谱 信 息， 而忽 略 了光 的偏 振所 反 映的被 测物 信息 。 偏 振
成像 是 在原 有 的成像 系统 上增加 偏 振检 测装 置 ， 通 过 测量 光线 不 同方 向 的偏振 分 量。 进 而得 到被 测光 线 的部
分 或全 部偏 振 状态 信 息， 通常 用 Ｓ ｔ ｏ ｋ ｅ ｓ 矢 量【 １ 或 Ｍｕ ｅ ｌ ｌ ｅ ｒ 矩 阵来 表 征被 测光 线 的偏 振状 态 。通过 对 这 些偏 振
信 息 图像 的分 析 和计算 ， 可 以进 一 步得 到更 多 的偏 振参 数 图像 ， 如 偏振 度 、 偏 振角 、 椭 圆率 角 、 偏 振 传输 特性 、 去偏 特 性等 ， 其 结果 可用 于分析 被测 物 的形状 、 粗 糙度 、 介质 特性 甚 至生物 化学 等各项 特 征信 息囡 。通 过将 偏
摘要 ： 偏 振 成 像 是 一 项 具 有 巨大 应 用 价值 的前 沿技 术 ， 近 年得 到 了 业 内人 士 的 广 泛 关 注 。文 章介 绍 了偏 振 成 像 的 原理 、 特点、 应
用 以及 国 内外 研 究现 状 ， 还 介 绍 了几 种 常用 的 实现 方 法及 其 优 缺 点 ， 最 后 对 当前 偏 振 成 像 的 主 流 方 法— — 分 焦 平 面 法 的 关键
振信 息 和强 度信 息 融 合 ， 还可 以达 到增 强 目标 的 目的 ， 能提 供更 多 维度 的 目标 信 息 ， 可有 效 提 高对 隐身 、 伪 装 目标 的探测 识别 能力 ， 还 可 以抑制雾 霾 、 烟尘 以及诱 饵 等干 扰 。
偏 振 成像 是一 项具有 巨大应 用价 值 的前 沿技 术 。 近 年得 到 了业 内人 士 的广泛关 注 。典 型 的偏 振成 像 方
态 信息 ， 这 种方 法 因为是 在不 同的时刻 得到 不 同方 向的光 强响 应 ， 故 只适 合 于对静 态场景 成像 。分振 幅法利
用 分束 镜 、 偏 振 分束 器或 沃尔 斯通 棱镜 等分 束 光学 器件 结 合成 像 透镜及 多 个成 像探 测 器组成 多 个偏 振探 测 通道 ， 获 取得 到 同一 目标场 景 的多 幅图像 ， 在每 个 通道 中放置 不 同方 向的偏 振 片 以获 取 目标 不 同偏 振 方 向 的强度 图 ， 再 利用 数 据 约简 矩 阵得 到 目标 的 Ｓ ｔ ｏ ｋ ｅ ｓ 矢量 图 。分振 幅法 具 有 可 同时 成像 ， 数 据 处 理简 单等 优
文章编号： １ ０ ０ ５ — ０ ５ ２ ３ （ ２ ０ １ ７ ） ０ １ － ０ ０ ０ ８ — ０ ６
分焦 平面偏振成像 关键 技术
罗 海 波 ， 刘 燕 德 ， 兰 乐佳 ， 叶 双 辉
（ １ ． 中 国科 学 院 沈 阳 自动 化 研 究所 ， 辽宁 沈阳 １ １ ０ ０ １ ６ ； ２ ． 华 东 交 通 大 学 机 电 与 车辆 工 程 学 院 ． 江西 南 昌 ３ ３ ０ ０ １ ３ ）
法有 分 时法 （ Ｄ ｏ Ｔ ） ｐ ｊ ， 分振 幅法 （ Ｄ ｏ Ａ Ｍ） ［ ４ ］ ， 分 孔径 法 （ Ｄ ｏ Ａ Ｐ ） ｔ ￣ 以及分 焦平 面 法 （ Ｄ ｏ Ｆ Ｐ ） ￣ ｓ － ７ ］ 。分 时法 采用 步 进旋 转 偏振 片 ， 在不 同的 时刻分 别 获 得 ４个 方 向 的光强 响应 ， 从 这 ４个 光强 响 应 中就 能解 算 出景 物 光波 的偏 振
技 术 进 行 了讨 论 。
关键词 ： 成像 ； 偏振成像 ； 分焦平面法； 插值 ； 非 均 匀性 校 正 中 圈分 类 号 ： Ｔ Ｆ ３ ９ １ 文 献标 志码 ： Ａ
偏 振是 光波 的基 本属 性之 一， 其 中蕴 含着 被测 物 的众多 特征 信息 。 由于人 眼对 偏 振信 息不 敏感， 所 以一
点， 然 而 由于需要 分成 多个 子光 学 系统 ， 采用 多个成 像 探测 器记 录 多 幅偏振 强度 图像 ， 所 以体积 较 大 。且 当 各通 道 采用 的光 学 系统和 成像 探测 器 的参数 存 在差 异 时 。 会 引 入额 外 的偏 振测 量误 差 。分孔 径 法是 指采 用
孔 径分 割 的方 法 将整 个 系统 分 成 多个 子孔 径 ， 每 个 子孔 径 分别 采 用不 同 的偏 振 元 件 ， 以获 取 不 同偏振 态 的
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ６ —１ ２ — ｏ ９
軎 ； 金项 目 ： 南 方 山 地果 园 智 能化 管理 技 术 与 装 备 协 同创 新 中 心 （ 赣教高字［ ２ ０ １ ４ １ ６ ０号 ） 资 助 者简 介： 罗海波（ １ ９ ６ ７ 一） ， 男， 博士 ， 研 究员 ， 博士生导师。 辽 宁 省 人 工 智 能 学 会理 事 ． 中 国宇 航学 会 光 电技 术 专 业 委 员 会 第 二 届委员会委员 ， 中 国 图像 图形 学 学 会 会 员 。 参 与 多项 国 家 重 点 项 目的 研 究 ， 主持 １ ０余 项 课 题 研 究 ， 获 得 国 家 发 明 二 等奖 ｌ 项； 军 队科 技 进 步 一 等 奖 １ 项： 国 防科 技 进 步 三 等 奖 １ 项； 军 队科 技 进 步 三 等 奖 １ 项。 发表学术论文 ２ ０余 篇 ， 其中Ｅ Ｉ 检索 ｌ ４篇 ； 获得 发 明专 利 ２ ０ 余件 ； ２ ０ ０ ９年 入 选 辽 宁 省 “ 百千万人才工程” 百人层次 。
第３ ４卷 第 １ 期 ２ ０ １ ７年 ２月
华 东 交 通 大 学 学 报
Ｊ ｏ ｕ ｎａ ｒ ｌ ｏ ｆ Ｅ ａ ｓ ｔ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｊ ｉ ａ ｏ ｔ ｏ ｎ ｇ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ
Ｖｏ １． ３４ Ｎｏ．１ Ｆｅ ｂ ．，２０１ ７
般情 况 下人 眼所 获得 的信 息 主要 来 自于 光 的强度 和光谱 信 息， 而忽 略 了光 的偏 振所 反 映的被 测物 信息 。 偏 振
成像 是 在原 有 的成像 系统 上增加 偏 振检 测装 置 ， 通 过 测量 光线 不 同方 向 的偏振 分 量。 进 而得 到被 测光 线 的部
分 或全 部偏 振 状态 信 息， 通常 用 Ｓ ｔ ｏ ｋ ｅ ｓ 矢 量【 １ 或 Ｍｕ ｅ ｌ ｌ ｅ ｒ 矩 阵来 表 征被 测光 线 的偏 振状 态 。通过 对 这 些偏 振
信 息 图像 的分 析 和计算 ， 可 以进 一 步得 到更 多 的偏 振参 数 图像 ， 如 偏振 度 、 偏 振角 、 椭 圆率 角 、 偏 振 传输 特性 、 去偏 特 性等 ， 其 结果 可用 于分析 被测 物 的形状 、 粗 糙度 、 介质 特性 甚 至生物 化学 等各项 特 征信 息囡 。通 过将 偏
摘要 ： 偏 振 成 像 是 一 项 具 有 巨大 应 用 价值 的前 沿技 术 ， 近 年得 到 了 业 内人 士 的 广 泛 关 注 。文 章介 绍 了偏 振 成 像 的 原理 、 特点、 应
用 以及 国 内外 研 究现 状 ， 还 介 绍 了几 种 常用 的 实现 方 法及 其 优 缺 点 ， 最 后 对 当前 偏 振 成 像 的 主 流 方 法— — 分 焦 平 面 法 的 关键