偏振光檢測(cè)研究課件

1、偏振光檢測(cè)研究武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院于國(guó)萍 王曉峰2008. 10. 31一.前言二.偏振光的描述 1.斯托克斯參量 2.斯托克斯參量的實(shí)際測(cè)量 3.偏振態(tài)的轉(zhuǎn)換 4.偏振度圖像三.偏振光的檢測(cè)及分析報(bào)告內(nèi)容 地球表面和大氣中的任何目標(biāo)，在反射、散射和透射以及發(fā)射電磁輻射的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生由它們自身性質(zhì)和光學(xué)基本定律決定的特征偏振。 一. 前言 傳統(tǒng)的光學(xué)成像是利用物體反射（透射）光的光強(qiáng)信息，而偏振成像是利用光的偏振信息。 已知，光波從介質(zhì)表面反射(透射)時(shí)，其偏振態(tài)可能發(fā)生變化，偏振狀態(tài)的改變與入射光的狀態(tài)、介質(zhì)表面狀態(tài)有關(guān)。 不同物體或同種物體的不同狀態(tài)(粗糙度、空隙度、含水量）可能產(chǎn)

2、生不同的偏振狀態(tài)。采用偏振成像方法，可提取其偏振信息并加以利用。 在軍事目標(biāo)識(shí)別中，目標(biāo)與背景的對(duì)比是個(gè)重要因素。有時(shí)可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行偽裝，但若同時(shí)采用偏振探測(cè)和光度探測(cè)，大部分的軍事目標(biāo)都可以被識(shí)別。 有人用紫外到近紅外段的波長(zhǎng)對(duì)置于沙灘背景下的一群士兵和一輛軍用偽裝車(chē)蒙皮做了偏振測(cè)量和光度測(cè)量，比較偏振和光度的探測(cè)能力。 結(jié)果表明：由于沙中低吸收、強(qiáng)散射的二氧化硅致使沙地顯得明亮（高反射率），軍事車(chē)輛和士兵衣服具有52%高偏振度、低反射率，在低偏振度(多數(shù)小于10%)、高反射率的沙灘沙地上非常容易被識(shí)別。 對(duì)于軍事車(chē)輛的偽裝漫反射蒙皮，當(dāng)將反射率視為視角和波長(zhǎng)的函數(shù)時(shí)，反射率為常量。當(dāng)將偏振

3、度視為散射角的函數(shù)時(shí)，偏振度會(huì)有很大的不同。 以斯托克斯參量為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的偏振成象和偏振識(shí)別技術(shù)近幾年發(fā)展很快，現(xiàn)已成功的應(yīng)用于衛(wèi)星周?chē)拇髿鉁y(cè)量，遙感，地形地貌的高空照相，軍事目標(biāo)識(shí)別和雷達(dá)成象等系統(tǒng)，由于采用了光的偏振參量作為成象因子，因而它比單純的強(qiáng)度成象記錄了更多的信息，對(duì)于分辨那些質(zhì)料不同但顏色和反射強(qiáng)度相同的景物顯示出巨大的優(yōu)越性。目前已成為世界各國(guó)競(jìng)相研究的熱點(diǎn)。 1. 斯托克斯參量單色光偏振態(tài)的描述用三角函數(shù)描述二.偏振光的描述用斯托克斯參量描述 我們可以用4個(gè)Stokes參數(shù)I、Q、U、V 來(lái)描述一束光的偏振態(tài)，其定義如下： 上述四個(gè)參量作為元素的列矩陣代表一個(gè)四維矢量，稱

4、為斯托克斯矢量。 IQUV此組參量可以表示包括偏振度在內(nèi)的任意偏振光的狀態(tài) I、Q、U、V 都具有光強(qiáng)度的量綱。 I 表示總光強(qiáng)度 Q 表示X軸方向直線偏振光分量U 表示450方向直線偏振光分量V 表示右旋園偏振光分量 與上述偏振光狀態(tài)正交的垂直直線偏振 光、-450直線偏振光及左旋園偏振光，則用 Q 、 U 、 V 的負(fù)值表示 。2. 斯托克斯參量的實(shí)際測(cè)量設(shè)：偏振片透光軸在x方向時(shí)透射光強(qiáng)度 I0。 偏振片透光軸在y方向時(shí)透射光強(qiáng)度 I90。 偏振片透光軸在 45方向時(shí)透射光強(qiáng)度 I45偏振片透光軸在 45方向時(shí)前方插入一塊方位為零的1/4波片，其透射光強(qiáng)度 I/4，45由上述數(shù)據(jù)可寫(xiě)出如

5、下形式的斯托克斯參量3. 偏振態(tài)的轉(zhuǎn)換入射光偏振器件出射光米勒矩陣斯托克斯矢量斯托克斯矢量米勒矩陣M：用來(lái)描述偏振器件作用的矩陣 偏振器件：使入射光的偏振參量改變的器件不同的偏振器件米勒矩陣不同 出射光的斯托克斯矢量和入射光的斯托克斯矢量滿足關(guān)系式： 4. 偏振度圖像偏振度P 自然大氣背景及目標(biāo)物對(duì)太陽(yáng)入射的偏振效應(yīng)中，圓偏振分量極少，假設(shè)V=0。偏振度P例如：紐約大學(xué)在99年和02年分別對(duì)C-130型飛機(jī) 和B-52型飛機(jī)進(jìn)行偏振特性研究 。 Stokes參量用Kodak CIR相機(jī)測(cè)得。相機(jī)的焦平面上使用硅CCD陣列,有20483072個(gè)大小約為20m的像素。每個(gè)像素包含4個(gè)因子，2個(gè)對(duì)綠

6、光敏感，一個(gè)對(duì)紅光敏感，一個(gè)對(duì)藍(lán)光敏感，且均對(duì)短波紅外敏感。加上濾光片后產(chǎn)生3個(gè)通道：綠光+近紅外、紅光+近紅外、近紅外。上圖為飛機(jī)的光強(qiáng)圖，下圖為偏振圖，里面亮光的增強(qiáng)代表不斷增強(qiáng)的偏振強(qiáng)度。所選飛行器的九個(gè)典型部位作為測(cè)量的選擇目標(biāo)（機(jī)身、機(jī)翼、機(jī)尾、螺旋槳和五個(gè)空中位置）。首先要根據(jù)入射和發(fā)散的方向定義一個(gè)主平面，然后對(duì)上述每一個(gè)部位做四組檢測(cè) ：分別是傳感器的方向與主平面平行、垂直、成45度和135度。每組測(cè)得的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單代數(shù)運(yùn)算可以構(gòu)成一組斯托克斯矢量來(lái)描述完整的偏振態(tài)。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較知，機(jī)身光亮處綠光偏振度最大，陰影處紅外偏振度最大。天空的偏振度為很小的值，而飛機(jī)值較大。三.偏

7、振光的檢測(cè)及分析固定探測(cè)角，拍下原始圖像并存為bmp文件 加入偏振片，分別在0、90、45、-45四個(gè)角度拍下圖像 經(jīng)過(guò)MATLAB計(jì)算和處理后擬合出偏振度圖像1. 實(shí)驗(yàn)裝置及方法（1）兩種樹(shù)葉，白紙背景白紙背景中A樹(shù)葉和B樹(shù)葉的普通圖像白紙背景中A樹(shù)葉和B樹(shù)葉的偏振度圖像2. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果（2）兩種樹(shù)葉，綠色人造纖維背景綠色人造纖維背景中A樹(shù)葉和C樹(shù)葉的普通圖像綠色人造纖維背景中A樹(shù)葉和C樹(shù)葉的偏振度圖像塑料制假樹(shù)葉和真實(shí)樹(shù)葉的光強(qiáng)圖像其偏振圖像（3）真假樹(shù)葉其偏振圖像光滑表面樹(shù)葉和茸毛表面樹(shù)葉的光強(qiáng)圖像（4）光滑表面樹(shù)葉和茸毛表面樹(shù)葉真實(shí)樹(shù)葉放在有樹(shù)葉的圖畫(huà)背景中的圖像其偏振圖像（5）真實(shí)樹(shù)葉放在有樹(shù)葉的圖畫(huà)背景中（6）不同探測(cè)角下有絨毛的櫻樹(shù)葉偏振圖（7）新鮮和干枯的同種樹(shù)葉偏振圖1.同一拍攝條件下，不同物體偏振度不同（不同材料、表面的粗糙度、內(nèi)部水分等）2. 同一拍攝條件下，同色彩的不同物體偏振度不同 3. 相同物體，不同角度不同距離時(shí)偏振度不同 4. 實(shí)驗(yàn)所得的偏振度圖像的效果與理論相符 在測(cè)量的時(shí)候，要考慮到拍攝角度，天頂角等因素 。3.結(jié)論說(shuō)