CN111380473B - 一种基于偏振特性测试油膜厚度的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于偏振特性测试油膜厚度的装置及方法，属于偏振特性测试技术领域，包括光源、控制系统、探测系统、数据处理系统、目标稳定平台以及BRDF架，所述BRDF架包括圆形底座支架以及弧形滑轨，滑轨的两端与底座支架固定连接；所述光源和探测系统均设置在BRDF架的滑轨上，与控制系统通过线路连接；所述控制系统与数据处理系统通过线路连接；所述数据处理系统包括计算机、pBRDF分析模块以及数据处理模块；所述目标稳定平台设置在BRDF架底座支架的中间位置。本发明采用偏振技术对溢油厚度的探测，不但增加了溢油探测技术手段，且可以至针对某一波段进行测量，解决了数据冗余的问题，同时本发明方法适用于多数目标偏振特性的测量。
Description
技术领域
本发明属于偏振特性测试技术领域，特别是涉及到一种偏振测试油膜厚度放入装置及方法。
背景技术
随着沿海地区经济的不断发展，因海洋油气开采和运输导致的溢油灾害已经成为威胁海洋生态安全的主要灾害类型。对溢油污染的研究与治理受到广泛关注。测量溢油厚度有助于分析溢油量多少，方便后续治理。目前探测油膜厚度的方式主要为高光谱测量。但这种方法易造成数据冗余，一般需要对数据进行去噪处理，提高了工作量。
偏振在目标识别，提高目标与背景对比度方面具有明显优势，被广泛应用于光学探测中。同一目标在不同角度进行观测，其偏振特性会有差异。
偏振二向反射分布函数(Polarization Bidirectional ReflectanceDistribution Function,pBRDF)用来描述材料的偏振反射特性，不但可以量化不同方向散射的大小，还能够给出散射的偏振特性。因此，现有技术中亟需一种引用偏振特性进行油膜厚度探测的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于偏振特性测试油膜厚度的装置及方法，采用偏振技术对溢油厚度的探测，不但增加了溢油探测技术手段，且可以至针对某一波段进行测量，解决了数据冗余的问题，同时本发明方法适用于多数目标偏振特性的测量。
一种基于偏振特性测试油膜厚度的装置，其特征是：包括光源、控制系统、探测系统、数据处理系统、目标稳定平台以及BRDF架，所述BRDF架包括圆形底座支架以及弧形滑轨，滑轨的两端与底座支架固定连接；所述光源和探测系统均设置在BRDF架的滑轨上，与控制系统通过线路连接；所述控制系统与数据处理系统通过线路连接；所述数据处理系统包括计算机、pBRDF分析模块以及数据处理模块；所述目标稳定平台设置在BRDF架底座支架的中间位置。
所述目标稳定平台上设置有油膜承载容器。
所述目标稳定平台通过转轴和升降杆与圆形底座支架连接。
所述探测系统包括可见光偏振探测器和红外光偏振探测器。
一种基于偏振特性测试油膜厚度的方法，其特征是：应用所述一种基于偏振特性测试油膜厚度的装置，包括以下步骤，且以下步骤顺次进行，
步骤一、入射面内的散射分布测量
将被测油膜放置在目标稳定平台上，光源的方位角固定，探测系统方位角固定，改变探测系统俯仰角进行偏振特性测量，角度改变为0°～90°，测量完毕后改变光源俯仰角，重新改变探测系统俯仰角进行偏振特性测量，光源俯仰角的变化范围为-90°～90°；
步骤二、固定入射角，半球空间探测
将被测油膜放置在目标稳定平台上，光源的方位角和俯仰角固定，探测系统的方位角从0°～360°，俯仰角从-90°～90°，每间隔1°进行一次半球空间测量；
步骤三、更换被测油膜，重复所述步骤一和步骤二的操作，获取被测油膜的偏振特性图像；
步骤四、所述步骤三获得的0°、45°、90°、135°线偏振图像，通过数据处理系统(4)解算可以获得斯托克斯Stokes参量的偏振特性信息，包括总光强度I、X轴方向直线偏振光分量Q、45°方向直线偏振分光量U、右旋圆偏振光分量V、偏振度以及偏振角；
步骤五、提取探测目标灰度值，并应用客观的评价方法对其进行评价，获得各待测油膜厚度值。
所述步骤四中斯托克斯Stokes参量I、Q、U、V都具有光强度的量纲，此组参量可以表示包括偏振度在内的任意偏振光的状态。
所述步骤五中客观的评价方法为，提取探测目标灰度值，采用基于对数变换的图像对比度提高算法、基于二次函数的对比度提高算法、基于指数为分数的幂函数变换的对比度提高算法计算目标与背景的对比度，其中灰度值用于度量目标与背景对偏振光响应的比例关系，对比度反映了图像中不同目标对偏振光的映射关系，
其中Ci为不同厚度油膜的对比度，Hobj为目标的灰度值，Hspa为背景的灰度值，根据前期测量不同厚度油膜对比度Ci值的先验信息，即获得待测油膜的厚度。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：一种基于偏振特性测试油膜厚度的装置及方法，采用偏振技术对溢油厚度的探测，不但增加了溢油探测技术手段，且可以至针对某一波段进行测量，解决了数据冗余的问题，同时本发明方法适用于多数目标偏振特性的测量。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：
图1为本发明一种基于偏振特性测试油膜厚度的装置结构示意图。
图2为本发明一种基于偏振特性测试油膜厚度的方法流程示意框图。
图3为本发明一种基于偏振特性测试油膜厚度的方法实施方式的数据分析图。
图中1-光源、2-控制系统、3-探测系统、4-数据处理系统、5-目标稳定平台、6-BRDF架。
具体实施方式
一种基于偏振特性测试油膜厚度的装置及方法，其装置如图1所示，包括光源1、控制系统2、探测系统3、数据处理系统4、目标稳定平台5以及BRDF架6，本实施例中光源1采用HSX-F300型氙灯光源，控制系统2采用空间光电技术研究所的双向反射测量系统，探测系统3采用美国FLIR公司的可见光偏振相机，数据处理系统4采用偏振信息融合技术及灰度值提取技术；
所述BRDF架6包括圆形底座支架以及弧形滑轨，滑轨的两端与底座支架固定连接；所述光源1和探测系统3均设置在BRDF架6的滑轨上，与控制系统2通过线路连接，光源1可实现不同光场照射，探测系统3可实现目标偏振特性、强度等的测试；所述控制系统2与数据处理系统4通过线路连接，控制系统2可实现照射与探测的角度调节；所述数据处理系统4包括计算机、pBRDF分析模块以及数据处理模块，可实现数据的收集、整理与分析；所述目标稳定平台5设置在BRDF架6底座支架的中间位置，可实现目标的稳定承载与升降旋转。
一种基于偏振特性测试油膜厚度的方法，包括以下步骤，如图2和图3所示，
步骤一、入射面内的散射分布测量
盛放溢油的油膜承载容器放置在目标稳定平台5上，照射光源1在一定的方位角下，改变俯仰角，例如：方位角0°，俯仰角10°；探测系统3在同样方位角下，改变俯仰角，俯仰角从0°～180°测量；测量完毕后，改变光源1俯仰角，探测系统3俯仰角从0°～180°测量；如此往复，入射方位角不变，俯仰角的变化范围从10°～90°。
步骤二、固定入射角，半球空间探测
盛放溢油的油膜承载容器放置在目标稳定平台5上，照射光源1在一定的方位角、俯仰角下，探测系统3方位角从0°～360°，间隔1°；俯仰角-90°～90°，间隔1°进行半球空间测量。
步骤三、每次提升1mm溢油油膜厚度，获取不同观测角，方位角下，不同厚度油膜的偏振特性。
步骤四、探测系统3采用可见光偏振探测器，红外偏振等多个波段探测器等，可以同时获得0°、45°、90°、135°线偏振图像，通过解算可以获得Stokes斯托克斯参量I、Q、U、偏振度、偏振角等偏振特性信息。
步骤五、提取目标灰度值，并应用客观的评价方法对其进行评价，为目标的探测提供更多的探测信息。
其中评价方法为，提取探测目标灰度值，采用基于对数变换的图像对比度提高算法、基于二次函数的对比度提高算法、基于指数为分数的幂函数变换的对比度提高算法等计算目标与背景的对比度，其中灰度值用于度量目标与背景对偏振光响应的比例关系，对比度反映了图像中不同目标对偏振光的映射关系，
其中Ci为不同厚度油膜的对比度，Hobj为目标的灰度值，Hspa为背景的灰度值，根据前期测量不同厚度油膜对比度Ci值的先验信息，即获得待测油膜的厚度。
通过本发明方法可以实现：
1)光源及探测器在方位360°、俯仰±90°旋转和沿轨道移动，光源1、探测系统3的位置由控制系统2控制；
2)探测系统3可进行偏振、强度、光谱探测；
3)数据处理系统4具有pBRDF分析功能和数据处理功能；
4)可以实现对溢油厚度的探测。
Claims (5)
1.一种基于偏振特性测试油膜厚度的方法，采用一种基于偏振特性测试油膜厚度的装置，包括光源（1）、控制系统（2）、探测系统（3）、数据处理系统（4）、目标稳定平台（5）以及BRDF架（6），所述BRDF架（6）包括圆形底座支架以及弧形滑轨，滑轨的两端与底座支架固定连接；所述光源（1）和探测系统（3）均设置在BRDF架（6）的滑轨上，与控制系统（2）通过线路连接；所述控制系统（2）与数据处理系统（4）通过线路连接；所述数据处理系统（4）包括计算机、pBRDF分析模块以及数据处理模块；所述目标稳定平台（5）设置在BRDF架（6）底座支架的中间位置；
其特征是：包括以下步骤，且以下步骤顺次进行，
步骤一、入射面内的散射分布测量
将被测油膜放置在目标稳定平台（5）上，光源（1）的方位角固定，探测系统（3）方位角固定，改变探测系统（3）俯仰角进行偏振特性测量，角度改变为0°～90°，测量完毕后改变光源（1）俯仰角，重新改变探测系统（3）俯仰角进行偏振特性测量，光源俯仰角的变化范围为-90°～90°；
步骤二、固定入射角，半球空间探测
将被测油膜放置在目标稳定平台（5）上，光源（1）的方位角和俯仰角固定，探测系统（3）的方位角从0°～360°，俯仰角从-90°～90°，每间隔1°进行一次半球空间测量；
步骤三、更换被测油膜，重复所述步骤一和步骤二的操作，获取被测油膜的偏振特性图像；
步骤四、所述步骤三获得的0°、45°、90°、135°线偏振图像，通过数据处理系统（4）解算可以获得斯托克斯Stokes参量的偏振特性信息，包括总光强度I、X轴方向直线偏振光分量Q、45°方向直线偏振分光量U、右旋圆偏振光分量V、偏振度以及偏振角；
步骤五、提取探测目标灰度值，并应用客观的评价方法对其进行评价，获得各待测油膜厚度值；
所述步骤五中客观的评价方法为，提取探测目标灰度值，采用基于对数变换的图像对比度提高算法、基于二次函数的对比度提高算法、基于指数为分数的幂函数变换的对比度提高算法计算目标与背景的对比度，其中灰度值用于度量目标与背景对偏振光响应的比例关系，对比度反映了图像中不同目标对偏振光的映射关系，
，
其中为不同厚度油膜的对比度，/>为目标的灰度值，/>为背景的灰度值，根据前期测量不同厚度油膜对比度/>值的先验信息，即获得待测油膜的厚度。
2.根据权利要求1所述的一种基于偏振特性测试油膜厚度的方法，其特征是：所述目标稳定平台（5）上设置有油膜承载容器。
3.根据权利要求1所述的一种基于偏振特性测试油膜厚度的方法，其特征是：所述目标稳定平台（5）通过转轴和升降杆与圆形底座支架连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于偏振特性测试油膜厚度的方法，其特征是：所述探测系统（3）包括可见光偏振探测器和红外光偏振探测器。
5.根据权利要求1所述的一种基于偏振特性测试油膜厚度的方法，其特征是：所述步骤四中斯托克斯Stokes参量I、Q、U、V 都具有光强度的量纲，此组参量可以表示包括偏振度在内的任意偏振光的状态。
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Legal Events
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| GR01 | Patent grant | ||
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