偏振測量與應(yīng)用課件

1、偏振光檢測研究武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院于國萍 王曉峰2008. 10. 31一.前言二.偏振光的描述 1.斯托克斯參量 2.斯托克斯參量的實際測量 3.偏振態(tài)的轉(zhuǎn)換 4.偏振度圖像三.偏振光的檢測及分析報告內(nèi)容 地球表面和大氣中的任何目標，在反射、散射和透射以及發(fā)射電磁輻射的過程中，會產(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，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。 結(jié)果表明：由于沙中低吸收、強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別。 對于軍事車輛的偽裝漫反射蒙皮，當將反射率視為視角和波長的函數(shù)時，反射率為常量。當將偏振度視為散射角的函數(shù)時，偏振度會有很大的不同。 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)星周圍的大氣測量，遙感，地形地貌的高空照相，軍事目標識別和雷達成象等系統(tǒng)，由于采用了光的偏振參量作為成象因子，因而它比單純的強度

3、成象記錄了更多的信息，對于分辨那些質(zhì)料不同但顏色和反射強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競相研究的熱點。 用斯托克斯參量描述 我們可以用4個Stokes參數(shù)I、Q、U、V 來描述一束光的偏振態(tài)，其定義如下： 上述四個參量作為元素的列矩陣代表一個四維矢量，稱為斯托克斯矢量。 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 都具有光強度的量綱。 I 表示總光強度 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 的負值

4、表示 。2. 斯托克斯參量的實際測量設(shè)：偏振片透光軸在x方向時透射光強度 I0。 偏振片透光軸在y方向時透射光強度 I90。 偏振片透光軸在 45方向時透射光強度 I45偏振片透光軸在 45方向時前方插入一塊方位為零的1/4波片，其透射光強度 I/4，45由上述數(shù)據(jù)可寫出如下形式的斯托克斯參量 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物對太陽入射的偏振效應(yīng)中，圓偏振分量極少，假設(shè)V=0。偏振度P上圖為飛機的光強圖，下圖為偏振圖，里面亮光的增強代表不斷增強的偏振強度。所選飛行器的九個典型部位作為測量的選擇目標（機身、機翼、機尾、螺旋槳和

5、五個空中位置）。首先要根據(jù)入射和發(fā)散的方向定義一個主平面，然后對上述每一個部位做四組檢測 ：分別是傳感器的方向與主平面平行、垂直、成45度和135度。每組測得的數(shù)據(jù)經(jīng)過簡單代數(shù)運算可以構(gòu)成一組斯托克斯矢量來描述完整的偏振態(tài)。由試驗數(shù)據(jù)的比較知，機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，而飛機值較大。三.偏振光的檢測及分析固定探測角，拍下原始圖像并存為bmp文件 加入偏振片，分別在0、90、45、-45四個角度拍下圖像 經(jīng)過MATLAB計算和處理后擬合出偏振度圖像1. 實驗裝置及方法（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

6、偏振度圖像2. 實驗結(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樹葉的偏振度圖像其偏振圖像光滑表面樹葉和茸毛表面樹葉的光強圖像（4）光滑表面樹葉和茸毛表面樹葉真實樹葉放在有樹葉的圖畫背景中的圖像其偏振圖像（5）真實樹葉放在有樹葉的圖畫背景中（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偏振度不同 4. 實驗所得的偏振度圖像的效果與理論相符 在測量的時候，要考慮到拍攝角度，天頂角等因素 。3.結(jié)論說明：上述結(jié)果是自然光以一定的角度入射到介質(zhì)表面，