CN109813429B - 一种偏振成像系统逐点标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种偏振成像系统逐点标定方法，属于偏振成像技术领域。本发明通过偏振成像系统采集多组4通道偏振图像，应用大视场轴外斜光束入射偏振成像理论计算出边缘视场出射光的强度和中心视场强度之比，根据中心视场的线偏振光归一化的斯托克斯矢量得到边缘视场线偏振光的斯托克斯矢量，再根据仪器矩阵、斯托克斯矢量和通道强度的关系求得每组4通道图像的逐点仪器矩阵，最后应用最小二乘法求得标定的逐点仪器矩阵。本发明应用逐点仪器矩阵标定的偏振成像系统解算的偏振度和偏振角信息比分区仪器矩阵标定的系统计算的信息更加准确和接近理论值。因此解决了传统标定方法精度不足的问题，减小偏振成像系统的探测误差，提高偏振成像检测的精度。

Description

一种偏振成像系统逐点标定方法

技术领域

本发明涉及一种偏振成像系统逐点标定方法，特别涉及一种基于大视场轴外斜光束入射偏振成像理论的偏振成像系统逐点标定方法，属于偏振成像技术领域。

背景技术

偏振是电磁波的矢量特性，它提供独立于强度与光谱的信息。与物质相互作用时电磁辐射的偏振态会发生改变，偏振遥感通过测量该变化实现目标特性的反演。相比于传统遥感，偏振遥感获取的信息量得到增加，在目标探测和分类、水面波纹测量和空间遥感探测等领域具有重要价值。偏振成像技术利用光电成像器件获取景物辐射或反射信息进行成像，不仅可获得景物的光强度分布，而且能够获得景物偏振度(Dolp)、偏振角(Aop)等信息，增加目标探测和场景理解的可用信息。根据获取偏振图像的方式，偏振成像系统大致分为分时和同时成像两类。相对于分时偏振成像装置，同时偏振成像在同一时刻获得目标的多幅不同偏振态图像，探测速度快，可用于动态场景的偏振探测。然而，同时偏振成像系统往往较复杂，边缘视场可能存在渐晕效应，且系统内部光学元件制造工艺缺陷等因素会使系统的实际仪器矩阵偏离理论仪器矩阵，从而严重影响系统的探测精度，因此，需要对系统的仪器矩阵进行标定，以消除或降低这些因素的影响。

但实测表明，由于成像视场边缘存在渐晕等影响，使用单一仪器矩阵来描述整幅图像仍存在一定的误差，为此，温仁杰等研究了SIP-DSWP系统的仪器矩阵分区标定方法(温仁杰,鲁啸天,金伟其,等.基于SIP-DSWP系统的透明玻璃面倾角分区标定偏振测量方法[J].红外技术,2017,39(9):807-813)，对玻璃平板倾角的非接触偏振检测实验表明：分区仪器矩阵方法较平均仪器矩阵具有更好的检测精度，但还是难以满足高精度的需求。我们对大视场轴外斜光束入射偏振成像系统理论研究发现(Lu X,Jin W,Li L,et al.Theoryand analysis of a large field polarization imaging system with obliquelyincident light[J].Optics express,2018,26(3):2495-2508)，偏振成像像面上距离光学中心相同距离的点所接收的偏振光强度仍存在有规律的差异，且成像视场越大影响更明显，这样对于需要根据偏振成像信息进行逐点解析的应用，分区仪器矩阵的方法依然存在校正精度不足的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有标定方法精度不高，无法满足使用需求的问题，提供一种偏振成像系统逐点标定方法；该方法是基于大视场轴外斜光束入射偏振成像理论的偏振成像系统逐点标定方法。目的是解决传统标定方法精度不足的问题，减小偏振成像系统的探测误差，提高偏振成像检测的精度。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种偏振成像系统逐点标定方法，包括如下步骤；

步骤1、偏振角可调的线偏振光入射待标定四通道偏振成像系统，系统采集 n组(n大于等于通道数量)不同偏振角的呈矩阵分布的多个像素组成的四通道偏振图像，即每个通道得到n幅图像。

步骤2、以成像面中心为原点建立像面坐标系oxyz，由于系统的像面上不同像素接收到的光具有不同入射角，像面上任意点A，在像面坐标系中的坐标为(x， y)，因此可得

其中θ为入射光方向和偏振片光轴夹角，f为系统焦距，d为相邻像素间距。

步骤3、ψ’为偏振片透光轴与参考坐标系y轴的夹角，则得到

其中ψ为入射光振动方向与偏振片透光方向夹角。

步骤4、基于轴外斜光束入射偏振成像理论，即无偏自然光经过偏振片后变成偏振光，但是边缘视场与中心视场出射光的强度并不一致，自然光斜入射偏振片，边缘视场出射光的强度与中心视场强度之比为：

ρ_N＝1-sin²θsin²ψ (3)

步骤5、系统像面的中心视场的线偏振光归一化的斯托克斯矢量表示为S₁＝[1，cos2ψ’，sin2ψ’，0]^T，那么边缘视场线偏振光的斯托克斯矢量表示为 S₂＝(1-sin²θsin²ψ)[1，cos2ψ’，sin2ψ’，0]^T。

步骤6、通过步骤一拍摄的每幅图像的灰度和辐射强度的关系，得到每个通道接收的辐射强度。根据下式：

其中I_n ⁽¹⁾、I_n ⁽²⁾、I_n ⁽³⁾和I_n ⁽⁴⁾为第n组4个通道探测器接收的辐射强度，S₂为考虑边缘视场的入射线偏振光的斯托克斯矢量，可得到M⁽ⁿ⁾ _ins，最后通过最小二乘法可求得图像中每个像素点的仪器矩阵M_ins，其中仪器矩阵第4列M₁₄＝[0,0,0,0]^T，即实现逐点标定：

有益效果

首次提出基于大视场轴外斜光束入射偏振成像理论的偏振成像系统逐点标定方法。本发明考虑大视场轴外斜光束入射偏振成像理论，采用逐点方法标定偏振成像系统的仪器矩阵。本发明较已有标定方法可以提高对偏振成像系统的标定精度，解决已有仪器矩阵校正精度不足的问题，能够更准确地重构出目标场景的偏振度、偏振角和入射角信息，提高对透明面的检测精度，为后续偏振成像方法的研究和定量检测应用奠定了理论基础。

附图说明

图1是本发明的流程步骤图本；

图2边缘视场像面成像关系；

图3( a) 为偏振片坐标系与光波坐标系关系，图 3( b) 为oξη平面内光波矢量的分解；

图4是双分离渥拉斯顿棱镜同时偏振成像系统原理图；

图5是标定实验原理图和实物图；

图6是偏振片光谱透过率曲线以及相机灰度级与照度的关系图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案更加清楚明白，下面结合实例对本发明做进一步的详细说明。

本发明的方法主要流程为，采集n组不同偏振角的呈矩阵分布的多个像素组成的四通道偏振图像，考虑到轴外斜光束入射偏振成像理论，当自然光斜入射偏振片，得到边缘视场出射光的强度与中心视场强度之比，进一步得到边缘视场线偏振光的斯托克斯矢量，最后通过最小二乘法求得偏振成像系统仪器矩阵。具体步骤如下：

实施例1

以双分离渥拉斯顿棱镜同时偏振成像系统(Simultaneous Image Polarimetrywith Double Separate Wallaston Primes)仪器矩阵标定为例，该系统的原理图如图 4所示，实验原理如图5所示，以积分球+旋转偏振片为偏振态可控的线偏振光源，偏振片光谱透过率曲线和相机灰度级与照度的关系分别如图6(a)和6(b)所示。

本实例采集了偏振角从0°到350°每隔10°一组共36组呈矩阵分布的多个像素组成的四通道偏振图像，图像分辨率为640*512。

本实例的具体实现步骤如下：

步骤1、采集36组四通道偏振图像，并进行图像的分割配准；

步骤2、根据图2的几何关系，求得不同坐标像素点所对应的入射光方向和偏振片光轴夹角θ，其中焦距f＝50mm，d＝5.3μm。

步骤3、每组四通道图像具有不同的偏振角，根据图2的几何关系，可得到ψ’，进而根据公式tanψ＝|(ytanψ’+x)/(xtanψ’-y)|可以计算出ψ。

步骤4、利用步骤2、3得到的θ和ψ以及公式ρ_N＝1-sin²θsin²ψ，求得边缘视场出射光的强度与中心视场强度之比ρ_N。

步骤5、根据前面的结果，边缘视场每个像素点入射线偏振光的斯托克斯矢量可表示为S₂＝(1-sin²θsin²ψ)[1，cos2ψ’，sin2ψ’，0]^T。

步骤6、最后通过计算仪器矩阵的公式和最小二乘法可求得图像中每个像素点的仪器矩阵M_ins，其中仪器矩阵第4列M₁₄＝[0,0,0,0]^T。

最后应用双分离渥拉斯顿棱镜同时偏振成像系统分别在传统的分区仪器矩阵和标定得到的逐点仪器矩阵下进行不同倾角玻璃平板的反射实验，计算反射光的偏振度和偏振角，对比两种仪器矩阵得到的偏振度和偏振角的结果，如表1和表2所示(带下划线的数据为相对误差小或者更接近理想值的数据)，可知在边缘视场50％视场和75％视场下，都是本发明提出的逐点标定方法可以得到精度更高的结果。

表1两种仪器矩阵标定的系统分别计算的偏振度(ε为相对误差)

表2两种仪器矩阵标定的系统分别计算的偏振角

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种偏振成像系统逐点标定方法，其特征在于：包括如下步骤；

步骤1、偏振角可调的线偏振光入射待标定四通道偏振成像系统，系统采集n组不同偏振角的呈矩阵分布的多个像素组成的四通道偏振图像，即每个通道得到n幅图像；所述n大于等于通道数量；

步骤2、以成像面中心为原点建立像面坐标系oxyz，由于系统的像面上不同像素接收到的光具有不同入射角，像面上任意点A，在像面坐标系中的坐标为(x，y)，因此可得

其中θ为入射光方向和偏振片光轴夹角，f为系统焦距，d为相邻像素间距；

步骤3、ψ’为偏振片透光轴与参考坐标系y轴的夹角，则得到

其中ψ为入射光振动方向与偏振片透光方向夹角；

步骤4、基于轴外斜光束入射偏振成像理论，即无偏自然光经过偏振片后变成偏振光，但是边缘视场与中心视场出射光的强度并不一致，自然光斜入射偏振片，边缘视场出射光的强度与中心视场强度之比为：

ρ_N＝1-sin²θsin²ψ (3)

步骤5、系统像面的中心视场的线偏振光归一化的斯托克斯矢量表示为S₁＝[1，cos2ψ’，sin2ψ’，0]^T，那么边缘视场线偏振光的斯托克斯矢量表示为S₂＝(1-sin²θsin²ψ)[1，cos2ψ’，sin2ψ’，0]^T；

步骤6、通过步骤1拍摄的每幅图像的灰度和辐射强度的关系，得到每个通道接收的辐射强度，根据下式：

其中I_n ⁽¹⁾、I_n ⁽²⁾、I_n ⁽³⁾和I_n ⁽⁴⁾为第n组4个通道探测器接收的辐射强度，S₂为考虑边缘视场的入射线偏振光的斯托克斯矢量，得到M⁽ⁿ⁾ _ins，最后通过最小二乘法可求得图像中每个像素点的仪器矩阵M_ins，其中仪器矩阵第4列M₁₄＝[0,0,0,0]^T，即实现逐点标定：

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