《偏振測(cè)量與應(yīng)》PPT課件.ppt

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)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)星周圍的大氣測(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 來描述一束光的偏振態(tài)，其定義如下：,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)可寫出如下形式的斯托克斯參量,3. 偏振態(tài)的轉(zhuǎn)換,米勒矩陣M：用來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)過簡(jiǎn)單代數(shù)運(yùn)算可以構(gòu)成一組斯托克斯矢量來描述完整的偏振態(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）兩種樹葉，白紙背景,白紙背景中A樹葉和B樹葉的普通圖像,白紙背景中A樹葉和B樹葉的偏振度圖像,2. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果,（2）兩種樹葉，綠色人造纖維背景,綠色人造纖維背景中A樹葉和C樹葉的普通圖像,綠色人造纖維背景中A樹葉和C樹葉的偏振度圖像,塑料制假樹葉和真實(shí)樹葉的光強(qiáng)圖像,其偏振圖像,（3）真假樹葉,其偏振圖像,光滑表面樹葉和茸毛表面樹葉的光強(qiáng)圖像,（4）光滑表面樹葉和茸毛表面樹葉,真實(shí)樹葉放在有樹葉的圖畫背景中的圖像,其偏振圖像,（5）真實(shí)樹葉放在有樹葉的圖畫背景中,（6）不同探測(cè)角下有絨毛的櫻樹葉偏振圖,（7）新鮮和干枯的同種樹葉偏振圖,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,說明：上述結(jié)