全偏振图像的获取与分析.pdf

1、编 号 ：专 业 工 程 设 计 说 明 书题 目 ：院 （ 系 ） ：专 业 ：学 生 姓 名 ：学 号 ：指 导 教 师 ：职 称 ：2016 年 1 月 6 日全 偏 振 图 像 的 获 取 与分 析电 子 工 程 与 自 动 化 学 院光 电 信 息 科 学 与 工 程李 锦 鹏1300820314占 平 平讲 师桂 林 电 子 科 技 大 学 专 业 工 程 设 计 说 明 书摘 要如 今 光 波 的 偏 振 态 一 直 受 到 科 学 各 界 的 广 泛 关 注 ， 它 携 带 的 信 息 可 以 有 效 的 区 分 不同 材 质 ， 不 同 形 状 特 性 的 材 料 。 在 本

2、 次 专 业 工 程 设 计 中 ， 主 要 介 绍 了 物 体 在 自 然 光 （ 白光 ） 照 射 下 的 偏 振 图 像 生 成 原 理 以 及 基 本 方 法 ， 利 用 CCD成 像 对 被 测 物 各 个 偏 振 度 的 图像 进 行 处 理 和 MATLAB编 码 合 成 全 偏 振 图 像 进 行 分 析 ， 并 且 利 用 斯 托 克 斯 矢 量 计 算 被 测物 的 偏 振 度 ， 最 后 验 证 不 同 偏 振 度 的 图 像 所 表 现 出 来 的 信 息 也 会 不 同 ， 合 成 的 偏 振 图 像能 够 显 示 普 通 图 像 所 不 能 显 示 的 图 像 信

3、息 。 分 析 偏 振 度 与 被 测 物 物 理 、 化 学 特 性 之 间 的密 切 关 系 对 于 目 标 探 测 以 及 信 息 提 取 有 着 巨 大 的 潜 力 。 可 被 广 泛 应 用 于 地 址 勘 探 、 土 壤分 析 、 环 境 探 测 、 植 被 分 析 、 海 洋 开 发 及 军 事 目 标 识 别 等 领 域 。关 键 字 ： 偏 振 度 ； Stokes参 量 ； 全 偏 振 度 成 像 ； matlab编 程 ； CCD桂 林 电 子 科 技 大 学 专 业 工 程 设 计 说 明 书AbstractNow, the polarization state of

4、light wave has been widely concerned by all circles ofscience. The information carried by it can effectively distinguish the materials with differentmaterials and different shapes. In the engineering design, mainly introduces the object innatural light (white light) principle of polarization images

5、generated under the irradiation andthe basic method of the measured images of various polarization processing and synthesis ofMATLAB encoding full polarization image analysis using CCD image, and calculate themeasured object by using Stokes vector polarization in order to analyze the degree ofpolari

6、zation and measured the close relationship between the physical and chemicalcharacteristics. Finally, verify the images of different polarization displayed information willbe different, the polarization image synthesis that can display the image information ofordinary images cannot be displayed, the

7、re is a huge potential for target detection andinformation extraction. It can be widely used in the fields of address exploration, soil analysis,environmental detection, vegetation analysis, ocean development and military targetrecognition.K ey words： Polarization ; Stokes parameter ; full polarizat

8、ion imaging ;MATLAB programming ; CCD桂 林 电 子 科 技 大 学 专 业 工 程 设 计 说 明 书目 录引 言 . 11.设 计 任 务 及 要 求 . 21.1设 计 任 务 21.2设 计 要 求 22.实 验 原 理 . 22.1琼 斯 矢 量 的 描 述 22.2斯 托 克 斯 矢 量 的 描 述 33.光 路 设 计 及 器 件 选 择 44.实 验 原 理 及 过 程. 54.1 光 路 图 .54.2 实 验 工 作 原 理 .64.3 实 验 步 骤 .64.4 实 验 图 样 采 集 .75.图 像 数 据 处 理 与 分 析 85.

9、1 MATLAB编 程 85.2图 像 数 据 处 理 算 法 85.3处 理 后 的 图 像 95.4图 像 分 析 106.课 题 评 价 116.1 设 计 特 点 .116.2 课 题 价 值 .117.总 结 .11谢 辞 .12参 考 文 献 13附 录 . 14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 .15桂 林 电 子 科 技 大 学 专 业 工 程 设 计 说 明 书 第 1 页引 言 偏 振 是 光 的 基 本 特 性 之 一 。 太 阳 光 进 入 大 气 层 后 在 传 输 过 程 中 ， 由 于 大 气 的 散

10、 射 、辐 射 和 吸 收 等 作 用 发 生 了 偏 振 ， 形 成 了 具 有 分 布 规 律 的 偏 振 模 式 。 偏 振 图 反 映 了 物 体 对入 射 光 偏 振 态 的 影 响 ， 被 广 泛 应 用 于 地 址 勘 探 、 土 壤 分 析 、 环 境 探 测 、 植 被 分 析 、 海 洋开 发 及 军 事 目 标 识 别 等 领 域 。传 统 偏 振 成 像 采 用 被 动 工 作 方 式 ， 具 有 隐 蔽 性 好 的 优 点 ， 但 是 成 像 效 果 和 距 离 均 受到 气 象 条 件 、 目 标 温 度 对 比 度 以 及 仪 器 装 置 的 误 差 限 制 。

11、并 且 物 体 的 偏 振 特 性 与 其 材 料 、表 面 粗 糙 度 、 几 何 形 状 及 内 部 机 理 等 密 切 相 关 的 物 理 量 ， 对 于 不 同 类 型 的 目 标 ， 由 于 材料 和 表 面 粗 糙 度 等 方 面 的 不 同 即 使 他 们 具 有 相 同 的 反 射 率 ， 其 偏 振 特 性 也 不 尽 相 同 。 因此 为 了 提 高 目 标 和 背 景 的 对 比 度 ， 发 现 伪 装 目 标 ， 实 现 目 标 分 类 ， 利 用 目 标 和 背 景 的 偏振 特 性 对 目 标 进 行 编 码 是 一 种 极 好 的 成 像 手 段 。目 标 的 消

12、 偏 振 度 与 材 料 ， 表 面 粗 糙 度 ， 入 射 光 的 波 长 和 方 向 等 因 素 密 切 相 关 ， 主 要体 现 在 目 标 的 表 面 散 射 和 体 散 射 两 个 方 面 。 表 面 散 射 发 生 在 目 标 和 空 气 的 分 界 面 上 ， 散射 光 强 主 要 分 布 在 正 常 反 射 光 的 两 侧 ， 入 射 光 在 物 体 表 面 经 过 多 次 反 射 ， 入 射 光 的 偏 振特 性 随 机 化 ， 从 而 降 低 入 射 光 的 偏 振 度 ； 而 由 体 散 射 引 起 的 消 偏 振 特 性 与 物 体 材 料 ， 几何 形 状 ， 浓 度

13、 等 因 素 有 关 ， 如 果 目 标 材 料 对 入 射 光 波 长 吸 收 较 小 ， 入 射 光 在 物 体 内 部 经过 多 次 反 射 ， 其 出 射 光 与 入 射 光 相 比 会 明 显 降 低 。本 文 对 目 标 物 体 的 全 偏 振 图 像 进 行 获 取 与 分 析 ， 通 过 matlab编 码 对 各 个 偏 振 度 图像 进 行 分 析 ， 最 终 合 成 偏 振 度 图 像 ， 并 作 必 要 的 实 验 数 据 处 理 。桂 林 电 子 科 技 大 学 专 业 工 程 设 计 说 明 书 第 2 页1 设 计 任 务 及 要 求 ：1.1设 计 任 务1、

14、设 计 实 验 光 路 ， 选 择 合 适 的 器 件 并 搭 建 光 路 。2、 掌 握 偏 振 成 像 的 原 理 ， 以 及 目 标 识 别 的 方 法 。3、 运 用 图 像 处 理 的 方 法 计 算 偏 振 度 图 像 及 强 度 图 像 等 。4、 分 析 实 验 误 差 带 来 的 影 响 和 减 小 误 差 的 方 法 。1.2设 计 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

15、给 出 技 术 分 析 。2 实 验 原 理 ：2.1琼 斯 矢 量 的 描 述由 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 。一 般 而 言 ， 偏 振 度 在 0(自 然

16、光 )与 1(全 偏 振 )间 变 化 。 自 然 中 光 理 想 状 态 下 为 圆 偏光 ， 但 大 多 数 为 混 合 光 （ 圆 偏 光 和 线 偏 光 不 同 比 例 存 在 ） ， 因 此 ， 讨 论 椭 圆 偏 振 光 可 以在 一 定 程 度 上 反 应 线 偏 光 和 圆 偏 光 。则 椭 圆 偏 光 z轴 上 的 光 矢 量 在 x， y轴 上 的 投 影 分 别 为 ：）（ x-kz-wt-ioxx e EE （ 2-1-1）（ y-kz-wt-ioyy e EE （ 2-2-2）而 当 时 间 和 初 始 位 置 为 0时 ， 该 偏 振 光 的 复 振 幅 为 ：xi

17、oxx e EE （ 2-1-3）yioyy e EE （ 2-1-4）所 以 任 意 偏 振 光 都 可 以 由 上 述 两 个 光 矢 量 的 分 量 构 成 一 个 矩 阵 来 表 示 ， 即 琼 斯 （ Jones）矩 阵 ： yioy xioxxx ee EEEEE （ 2-1-5）桂 林 电 子 科 技 大 学 专 业 工 程 设 计 说 明 书 第 3 页则 矢 量 中 光 波 的 光 强 为 ： 2y2x EEI （ 2-1-6）2.2斯 托 克 斯 矢 量 的 描 述Stokes参 量 中 的 S0、 S1、 S2、 S3通 常 表 示 成 I、 Q、 U、 V。 其 中 I

18、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方 向 与 + /4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

19、定 I、Q、 U这 三 个 参 量 。 /231 42 31 31 2III II II IIVUQI （ 2-2-1）由 于 一 束 光 可 以 分 为 两 个 偏 振 方 向 垂 直 且 振 幅 相 等 的 偏 振 光 ， 得 ：oyox EE （ 2-2-2）则 光 强 为 ： 2oy2ox1 21 EEI （ 2-2-3）2ox32 EII （ 2-2-4）而 左 旋 光 和 右 旋 光 各 占 一 半 ： 2oy2ox4 2121 EEI （ 2-2-5）将 琼 斯 矢 量 在 垂 直 方 向 上 的 电 场 矢 量 式 （ 2-1-1） （ 2-1-2） 代 入 上 述 斯 托 克

20、 斯 矢 量 得 ;桂 林 电 子 科 技 大 学 专 业 工 程 设 计 说 明 书 第 4 页 22 oyox EEI (2-2-6) 22 oyox EEQ (2-2-7) cos2 oyox EEU (2-2-8) sin2 oyox EEV (2-2-9)实 验 中 设 定 的 线 偏 振 角 度 为 0度 ， 45度 ， 90度 ， 135度 ； 测 量 圆 偏 光 出 射 时 其 角 度为 45a。 分 别 对 应 I1， I2， I3， I4， I2/ ,通 过 计 算 机 MATLAB编 码 计 算 Stokes I,Q,U,V四 个 参 量 。得 到 Stokes矢 量 S

21、 = 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 VUQP 222 ， I UQP 22 (V=0)（ 2-2-10）3 光 路 设 计 及 器 件 选 择所 需 器 件 有 ： 白 光 光 源 、 被 测 目 标 物 、 偏 振 片 （ 检 偏 器 ） 、 1/4波 片 、 成 像 透 镜 、 CCD成 像 探 测 器 、 计 算 机 、 固 定 支 架 等 。由 于 白 光 光 源 的 光 谱 分 布 最 接 近 于 自 然 光 的 光 谱 分 布 ， 所 以 其 光 束 各 方 向 偏 振 强 度均 匀 ， 比 较 符 合 实 验

22、 原 理 要 求 。 当 白 光 照 射 到 被 测 物 时 ， 其 反 射 的 光 偏 振 方 向 主 要 就 取决 于 目 标 物 表 面 性 质 的 分 布 。被 测 目 标 物 的 选 择 ： 由 于 要 获 取 的 图 像 为 偏 振 度 图 像 ， 则 图 像 应 该 具 有 明 显 的 轮 廓和 层 次 感 ， 这 样 才 能 体 现 出 由 于 被 测 物 表 面 性 质 分 布 特 征 而 反 映 出 的 物 体 表 面 某 些 信息 。 所 以 要 选 择 的 被 测 物 体 表 面 性 质 、 结 构 、 粗 糙 程 度 等 应 有 明 显 的 变 化 。 实 验 最 终

23、 选定 了 性 质 更 好 的 钥 匙 作 为 被 测 物 。偏 振 片 ： 其 对 入 射 光 具 有 遮 蔽 和 透 过 的 功 能 ， 可 使 纵 向 光 或 横 向 光 一 种 透 过 ， 一 种遮 蔽 。 在 实 验 中 ， 其 起 着 关 键 作 用 。 实 验 通 过 旋 转 偏 振 片 于 不 同 方 向 可 以 让 不 同 方 面 的线 偏 振 光 束 透 过 成 为 线 偏 振 图 像 。1/4波 片 ： 当 光 法 向 入 射 透 过 时 ， 寻 常 光 （ o光 ） 和 非 常 光 （ e光 ） 之 间 的 位 相 差 等桂 林 电 子 科 技 大 学 专 业 工 程

24、设 计 说 明 书 第 5 页于 /2或 其 奇 数 倍 ， 这 样 的 晶 片 称 为 四 分 之 一 波 片 或 1/4波 片 。 当 线 偏 振 光 垂 直 入 射1/4波 片 ,并 且 光 的 偏 振 和 云 母 的 光 轴 面 （ 垂 直 自 然 裂 开 面 ） 成 角 ， 出 射 后 成 椭 圆 偏 振光 。 特 别 当 =45 时 ， 出 射 光 为 圆 偏 振 光 。成 像 透 镜 ： 主 要 是 作 为 CCD成 像 采 集 的 辅 助 作 用 ， 其 将 被 测 物 体 成 像 于 CCD探 测 面上 。 为 了 保 证 物 体 表 面 层 次 成 像 有 好 效 果 ，

25、应 使 用 光 学 传 递 函 数 MTF值 在 中 低 频 的 强 度曲 线 呈 平 缓 的 成 像 透 镜 器 件 。CCD成 像 器 件 ： 其 主 要 用 于 光 线 偏 振 图 像 的 光 强 度 直 接 采 集 ， 直 接 关 系 到 源 数 据 信息 及 误 差 ， 所 应 尽 可 以 选 择 分 辨 率 高 和 暗 电 流 小 ， 并 且 对 成 像 较 为 清 晰 ， 受 外 界 光 源 影响 较 小 的 CCD摄 像 器 件 。计 算 机 ： 主 要 用 于 采 集 的 图 像 数 据 处 理 以 及 对 图 像 进 行 编 程 分 析 。 实 际 编 程 计 算 时可 使

26、 用 MATLAB编 程 开 发 软 件 。 为 了 保 证 数 据 处 理 的 速 度 ， 应 先 用 内 存 大 、 运 算 速 度 高的 计 算 机 。4 实 验 原 理 及 过 程4.1 光 路 图偏 振 片1000左 右被 测 物 1/4 波 片 偏 振 片 透 镜 CCD 成 像图 4.1光源桂 林 电 子 科 技 大 学 专 业 工 程 设 计 说 明 书 第 6 页激 光 标 定 ：激 光 光 源 起 偏 器 1/4波 片 检 偏 器 成 像 透 镜 CCD图 4.2由 图 4.2所 示 光 路 图 ， 先 将 激 光 器 与 CCD成 同 一 直 线 ， 加 入 1/4波 片

27、 并 旋 转 是 CCD成 像 最 亮 ， 然 后 加 入 起 偏 器 并 旋 转 到 成 像 最 亮 ， 此 时 起 偏 器 光 轴 与 激 光 器 偏 振 方 向 一 致 ，然 后 撤 掉 1/4波 片 ， 加 入 检 偏 器 并 调 节 使 CCD成 像 最 暗 ， 此 时 起 偏 器 与 检 偏 器 光 轴 相 互垂 直 达 到 消 光 状 态 ， 并 记 录 下 检 偏 器 每 一 次 实 验 的 角 度 ， 按 此 方 法 依 次 调 节 0度 角 ， 45度 角 ， 90度 角 ， 135度 角 。4.2 实 验 工 作 原 理 ：如 图 4.1 实 验 光 路 图 所 示 ，

28、白 光 光 束 照 射 到 物 体 表 面 后 CCD 探 测 方 向 的 反 射光 线 与 入 射 光 线 之 间 的 夹 角 应 大 于 或 等 于 90 度 （ 实 际 选 用 约 100 度 ） ， 这 样 反 射 光的 偏 振 信 息 才 明 显 。 反 射 光 束 经 过 偏 振 片 后 透 过 的 只 有 线 偏 振 光 束 ， 这 样 得 到 的 则 为 线偏 振 图 像 。 通 过 成 像 透 镜 后 ， CCD 探 测 采 集 到 线 偏 振 图 像 数 据 。 而 当 测 量 椭 圆 偏 振 图像 时 应 在 偏 振 片 后 加 入 1/4 波 片 使 出 射 光 为 圆

29、 偏 光 。实 验 中 ， 通 过 旋 转 偏 振 片 分 别 为 00 、 045 、 090 、 0135 、 a45 （ 加 1/4 波 片 ） 五 个 角度 方 向 则 可 以 采 集 到 相 应 方 向 上 的 线 偏 振 图 像 ， 最 终 将 所 有 计 算 结 果 的 像 素 合 成 的 图 像即 为 偏 振 度 图 像 。4.3 实 验 步 骤 ：（ 1） 按 图 4.1 实 验 光 路 图 ， 将 被 测 物 体 、 透 镜 、 CCD 放 置 在 同 一 高 度 上 ， 调 节 三 者 的位 置 ， 使 计 算 机 上 的 CCD 成 像 软 件 能 够 清 晰 地 显

30、示 被 测 物 体 的 像 ， 需 要 注 意 的 是 ， 外置 光 源 在 整 个 实 验 过 程 中 不 可 以 改 变 位 置 和 光 强 。（ 2） 然 后 将 偏 振 片 放 置 于 被 测 物 与 透 镜 之 间 ， 并 使 光 通 过 偏 振 片 中 心 ， 微 调 偏 振 片 ，使 成 像 更 亮 更 清 晰 ， 记 下 此 时 偏 振 片 度 数 （ 由 于 实 验 装 置 存 在 误 差 ， 不 一 定 为 0） ， 同 时保 存 CCD 成 像 ， 记 为 0.bmp。（ 3） 保 持 其 他 装 置 不 变 ， 旋 转 偏 振 片 45 度 ， 保 存 此 时 CCD

31、成 像 ， 记 为 45.bmp。（ 4） 重 复 步 骤 （ 3） ， 分 别 保 存 CCD 成 像 ， 记 为 90.bmp， 135.bmp。桂 林 电 子 科 技 大 学 专 业 工 程 设 计 说 明 书 第 7 页（ 5） 调 节 两 块 偏 振 片 ， 使 图 像 最 亮 （ 光 强 最 大 ） ， 然 后 放 入 1/4 波 片 ， 调 节 1/4 波 片 使图 像 最 亮 ， 再 旋 转 45 度 。（ 6） 将 CCD 成 像 保 存 ， 记 为 45a.bmp。4.4 实 验 图 样 采 集 ：00方 向 线 偏 振 图 像 450方 向 线 偏 振 图 像900方 向

32、 线 偏 振 图 像 1350方 向 线 偏 振 图 像45a方 向 线 偏 振 图 像 图 4.4 原 始 采 集 图 像桂 林 电 子 科 技 大 学 专 业 工 程 设 计 说 明 书 第 8 页5 图 像 数 据 处 理 与 分 析5.1 MATLAB编 程在 图 像 处 理 编 程 中 ， 较 好 常 用 的 是 MATLAB 软 件 编 程 ， 其 特 点 是 方 便 程 序 设 计 ， 许多 图 像 处 理 的 函 数 如 ： 图 像 文 件 输 入 输 出 （ imread()、 imwrite()） 、 图 像 转 换（ rgb2gray()） 、 图 像 灰 度 增 强 运

33、 算 、 数 字 图 像 空 域 滤 波 等 已 经 包 含 在 数 据 库 中 ， 用 户只 需 调 用 这 些 现 成 的 函 数 来 处 理 相 应 的 数 据 及 可 快 捷 完 成 实 现 图 像 的 处 理 。 所 以 本 次 课程 设 计 决 定 采 用 MATLAB编 程 软 件 进 行 辅 助 设 计 。5.2图 像 数 据 处 理 算 法图 像 数 据 的 处 理 主 要 是 将 所 采 集 到 的 5个 角 度 方 向 的 线 偏 振 图 像 数 据 求 出 I、 Q、 U、V， 然 后 再 代 入 式 (2-2-10)即 可 求 得 偏 振 度 值 P。 最 终 将 所

34、 有 计 算 结 果 的 像 素 合 成 的 图 像即 为 偏 振 度 图 像 。 详 细 代 码 见 附 录 2， 简 易 流 程 如 图 5.1所 示 。图 5.1开 始读 取 图 像利 用 式 （ 2-2-1 ） 采 用MATLAB 编 码 求 I、 Q、 U、 V分 量 并 合 成 图 像利 用 式 （ 2-2-3）（ 2-2-4） （ 2-2-5） 求 得光 强 I 结 束桂 林 电 子 科 技 大 学 专 业 工 程 设 计 说 明 书 第 9 页5.3处 理 后 的 图 像经 过 MATLAB 编 程 设 计 所 实 现 的 合 成 偏 振 度 图 像 ， 强 度 图 像 、 偏

35、 振 角 图 像 、 椭圆 偏 振 率 图 像 如 图 3所 示 。偏 振 度 图 像 强 度 图 像偏 振 角 图 像 椭 圆 偏 振 率 图 像图 5.3 处 理 后 的 图 像桂 林 电 子 科 技 大 学 专 业 工 程 设 计 说 明 书 第 10 页5.4图 像 分 析图 5.4.1 被 测 物 上 半 部 分 图 5.4.2被 测 物 下 半 部 分 图 5.4.3背 景 与 物 对 比从 偏 振 度 图 像 可 以 看 出 ， 钥 匙 上 半 部 分 （ 图 5.4.1） 的 偏 振 度 比 较 好 ， 而 下 半 部 分（ 图 5.4.2） 显 得 比 较 模 糊 ， 偏 振

36、 度 比 较 差 ， 这 是 因 为 跟 钥 匙 的 表 面 物 理 特 性 以 及 被 测物 本 身 的 化 学 特 性 有 关 ， 上 半 部 分 的 表 面 比 较 粗 糙 ， 凸 凹 比 较 明 显 ， 所 有 反 射 的 光 过 来比 较 明 显 ， 成 像 也 就 比 较 好 ； 由 于 下 半 部 分 的 物 理 特 性 趋 于 平 滑 ， 并 没 有 显 示 出 明 显 的粗 糙 度 以 及 凹 凸 程 度 ， 从 而 CCD 成 的 像 较 模 糊 ， 偏 振 度 较 差 。 又 根 据 偏 振 角 图 像 （ 图5.4.3） 可 以 看 出 被 测 物 与 背 景 的 对

37、比 度 上 半 部 分 较 之 下 半 部 分 更 好 ， 反 映 出 偏 振 度 较好 的 部 分 其 对 比 度 也 就 更 明 显 。 这 两 个 图 像 略 显 模 糊 ， 同 时 由 于 误 差 的 影 响 ， 偏 振 角 图像 总 体 所 显 示 的 目 标 与 背 景 对 比 度 有 点 低 ， 并 没 有 预 期 的 那 么 好 。 总 体 来 说 误 差 分 为 两大 类 ， 一 类 客 观 误 差 ： 实 验 室 的 装 置 可 能 存 在 大 小 不 同 的 误 差 ， 当 采 集 一 幅 图 像 之 后 ，CCD显 示 的 成 像 亮 度 马 上 会 下 降 很 多 ，

38、 并 且 电 脑 配 置 也 对 整 个 实 验 过 程 带 来 了 或 大 或 小的 影 响 ； 而 另 一 类 主 观 误 差 ： 由 于 摆 放 仪 器 装 置 时 ， 光 路 并 未 摆 放 同 一 路 径 内 ， 并 且 度数 略 有 偏 差 ， 当 调 节 偏 振 片 时 ， 可 能 误 挡 了 外 置 光 源 导 致 了 成 像 较 差 。根 据 合 成 的 椭 圆 偏 振 图 像 可 知 其 被 测 物 的 上 半 部分 偏 振 特 性 相 对 于 下 半 部 分 的 偏 振 特 性 较 好 ， 同 样 是 由于 钥 匙 的 粗 糙 度 及 凹 凸 度 分 布 不 均 ， 其

39、物 理 特 性 也 相 对不 同 ， 造 成 全 偏 振 图 像 的 各 部 分 的 清 晰 度 不 同 ， 体 现 出了 圆 偏 光 偏 振 成 像 与 被 测 物 的 偏 振 特 性 关 系 。 从 偏 振 图像 中 被 测 物 的 各 部 分 偏 振 度 的 对 比 可 明 显 发 现 ， 表 面 平滑 的 部 分 偏 振 度 较 差 ， 而 不 平 滑 的 部 分 较 之 更 为 清 晰 ，强 度 图 像 也 更 好 ， 被 测 物 表 面 粗 糙 度 较 大 的 面 偏 振 特 性 较 好 ， 所 以 偏 振 度 图 像 表 征 了 物体 材 料 的 物 理 化 学 特 性 。通 过

40、 上 述 所 有 分 析 可 说 明 ， 偏 振 成 像 探 测 技 术 在 云 和 大 气 溶 胶 的 探 测 、 地 质 勘 探 、土 壤 分 析 、 环 境 监 测 、 材 料 分 析 海 洋 开 发 及 军 事 目 标 识 别 等 领 域 具 有 非 常 长 远 的 应 用 价值 。桂 林 电 子 科 技 大 学 专 业 工 程 设 计 说 明 书 第 11 页6 课 题 评 价6.1 设 计 特 点该 图 像 偏 振 度 的 获 取 方 法 是 较 为 常 用 的 的 方 法 ， 通 过 使 用 偏 振 处 理 过 滤 光 束 实 现 线偏 振 图 像 以 及 椭 圆 偏 振 图 像

41、 的 获 取 ， 最 后 将 5个 角 度 的 偏 振 图 像 通 过 公 式 计 算 得 偏 振 度图 像 。 与 通 常 方 案 相 比 ， 本 方 案 的 突 出 特 点 在 于 图 像 数 据 处 理 环 节 。 本 方 案 采 用 MATLAB编 程 工 具 ， 实 现 独 立 运 行 于 Windows操 作 系 统 上 的 图 像 处 理 。6.2 课 题 价 值本 次 课 题 主 要 在 光 偏 振 度 的 研 究 基 础 上 设 计 方 案 采 集 合 成 偏 振 度 图 像 ， 通 过 实 验 数据 的 处 理 比 较 ， 论 证 偏 振 度 图 像 在 研 究 物 体 成

42、 像 中 所 表 征 一 些 偏 振 信 息 在 物 体 识 别 中 所起 到 的 突 出 作 用 。 通 过 课 题 认 识 到 偏 振 成 像 探 测 技 术 在 大 气 溶 胶 的 探 测 、 地 质 勘 探 、 土壤 分 析 、 环 境 监 测 、 材 料 分 析 以 及 军 事 识 别 等 领 域 具 有 非 常 长 远 的 应 用 价 值 。7 总 结本 次 实 验 采 用 白 光 作 为 光 源 获 取 了 目 标 的 偏 振 度 图 像 ， 强 度 图 像 、 偏 振 角 图 像 、 椭圆 偏 振 率 图 像 ， 通 过 计 算 得 到 了 Stokes矢 量 参 数 I,Q,

43、U,V， 从 而 计 算 出 了 偏 振 度 ， 并 且能 够 通 过 对 偏 振 图 像 以 及 对 误 差 带 来 的 影 响 进 行 分 析 。桂 林 电 子 科 技 大 学 专 业 工 程 设 计 说 明 书 第 12 页谢 辞通 过 本 次 课 程 设 计 ， 本 人 对 光 学 技 术 中 的 偏 振 度 图 像 有 了 进 一 步 了 解 ， 并 且 能 够 掌握 斯 托 克 斯 矢 量 与 琼 斯 矢 量 在 光 学 传 递 中 的 运 用 ， 认 识 到 了 偏 振 成 像 探 测 技 术 在 实 际 自然 界 研 究 起 着 重 要 的 作 用 。 在 实 验 数 据 采

44、集 中 ， 了 解 到 了 各 器 件 的 使 用 细 节 ， 提 高 了 动手 能 力 。 通 过 采 用 MATLAB编 程 对 程 序 设 计 和 调 试 有 了 进 一 步 认 识 ， 积 累 了 经 验 ， 培 养了 能 通 过 使 用 计 算 机 处 理 能 力 了 对 实 验 数 据 处 理 的 能 力 。 能 使 用 所 学 知 识 解 决 现 实 中 所遇 到 的 问 题 是 一 件 非 常 有 意 义 的 事 ， 通 过 本 次 课 设 也 进 一 步 巩 固 了 大 学 期 间 所 学 的 知识 。 同 时 也 感 谢 学 院 提 供 实 验 器 材 及 场 地 ， 感

45、谢 占 平 平 老 师 在 百 忙 之 中 对 本 次 课 程 设 计的 有 力 指 导 。桂 林 电 子 科 技 大 学 专 业 工 程 设 计 说 明 书 第 13 页参 考 文 献1 唐 若 愚 ,于 国 萍 ,王 晓 峰 .自 然 光 照 下 偏 振 度 图 像 的 获 取 方 法 J.武 汉 大 学 学 报 ， 2006， （ 52）1,59-602 于 国 萍 ,王 晓 峰 .偏 振 图 像 的 研 究 J.物 理 实 验 ,2009,29(7),38-42.3 曾 延 安 ,马 娟 ,常 大 定 .基 于 MATLAB 的 偏 振 度 图 像 获 取 J.微 计 算 机 信 息

46、， 2007,23（ 8） ，304-3064 廖 延 彪 ， 偏 振 光 学 M， 北 京 科 学 出 版 社 ， 2003,240-2525 Breugnot S ， Clemenceau P.Modeling and performances of a polarization /Proc.SPIE，1999,3707:449-4606 孙 玮 ， 刘 政 凯 ， 单 列 ， 利 用 偏 振 技 术 识 别 人 造 目 标 J， 光 学 技 术 ， 2004,30（ 3） ， 267-2697 黎 金 ， 刘 泽 金 ， 舒 柏 宏 ， 利 用 表 面 散 射 光 偏 振 差 异 的 目

47、 标 识 别 技 术 J， 2005,17（ 3） ， 351-354桂 林 电 子 科 技 大 学 专 业 工 程 设 计 说 明 书 第 14 页附 录附 录 1 ： 实 验 器 材实 验 器 材 数 量 备 注白 光 光 源 1 实 验 室 中 的 白 光 点 光 源偏 振 片 1成 像 透 镜 1CCD 1计 算 机 1支 架 若 干被 测 目 标 若 干 钥 匙附 录 2： 程 序 代 码 段i0=imread(E:keshe0.bmp);i45=imread(E:keshe45.bmp);i90=imread(E:keshe90.bmp);i135=imread(E:keshe13

48、5.bmp);i45a=imread(E:keshe45a.bmp);I=i0+i90;Q=i0-i90;U=i45-i135;V=i0+i90-2*i45a;P1=Q.2+U.2+V.2;P2=double(P1).0.5;P=P2./double(I);A2=U./Q;A1=tan(double(A2);A=1./(2.*A1);E0=Q.2+U.2;E1=double(E0).0.5;E2=double(V)./E1;E3=tan(E2);E=1./(2.*E3);subplot(2,2,1);imshow(I);title(强 度 图 像);subplot(2,2,2);imshow(3*P);title(偏 振 度 图 像);subplot(2,2,3);imshow(A);title(偏 振 角 图 像);subplot(2,2,4);imshow(E);title(椭 圆 偏 振 率 图 像);桂 林 电 子 科 技 大 学 专 业 工 程 设 计 说 明 书 第 15 页附 录 3： 实 验 光 路 图