CN113589315B - 一种双波片调制法水下激光偏振成像系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种双波片调制法水下激光偏振成像系统及方法，成像系统包括起偏子系统、检偏子系统、控制及采集子系统以及控制器。调节起偏子系统的第一二分之一波片快轴与水平方向的角度，使入射光分别调制为0°、45°、90°线偏振光，在每种入射光偏振状态下，调节检偏子系统第二二分之一波片快轴与水平方向的角度，使探测器分别采集透过方向为0°、45°、90°的目标物反射图像，以这9幅图像的每个像素点为基础，计算每个像素点对应的三种不同入射偏振光照射下反射光的斯托克斯参量和米勒矩阵，获得米勒矩阵图像组。本发明通过主动光源与偏振技术相结合的方法，有效抑制了背景散射光，获得的偏振图像比普通的强度图像对比度高，信息更加丰富。
Description
技术领域
本发明涉及水下成像技术领域，涉及一种双波片调制法水下激光偏振成像系统及方法。
背景技术
良好的水下光学成像对海洋资源开发，水产养殖具有重大意义。光波在水下传播时，会受严重的吸收作用和散射作用的影响，造成成像结果亮度暗，对比度降低，图像模糊。传统成像方法中颜色、亮度等特征严重衰减，很难获得理想的成像效果。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种双波片调制法水下激光偏振成像系统及方法，通过主动光源与偏振技术相结合的方法，一定程度上有效抑制了背景散射光，获得的偏振图像比普通的强度图像对比度高，信息更加丰富。
本发明的一种双波片调制法水下激光偏振成像系统，包括：起偏子系统、检偏子系统、控制及采集子系统以及控制器；
所述起偏子系统设于水下，包括：光源、第一偏振片和第一二分之一波片；光源发出的光束经过透光轴为水平方向的第一偏振片后变为水平线偏振光，调节第一二分之一波片快轴与水平方向的角度，可分别获得0°、45°、90°的线偏振光，再入射到位于水下的目标物；
所述检偏子系统设于水下，包括：第二二分之一波片、第二偏振片和探测器；目标物反射光经过第二二分之一波片和透光轴为水平方向的第二偏振片后，被探测器获取；
所述控制器用于驱动第一二分之一波片和第二二分之一波片旋转，调节波片快轴与水平方向的角度，使探测器分别采集透射方向为0°、45°、90°偏振状态的目标物反射图像；
所述控制及采集子系统用于获取探测器采集的偏振状态的目标物反射图像以及通过上位机软件控制所述控制器来驱动相应的二分之一波片旋转；
所述控制器驱动第一二分之一波片旋转，调节第一二分之一波片快轴与水平方向的角度，使入射光分别调制为0°、45°、90°的线偏振光；在每种入射偏振光状态下，调节第二二分之一波片快轴与水平方向的角度，使探测器分别采集透过方向为0°、45°、90°偏振状态的9幅目标物反射图像，以9幅图像的每个像素点为基础，计算得到每个像素点对应的三种不同入射偏振光照射下反射光的斯托克斯参量，计算出米勒矩阵，最终获得米勒矩阵图像组。
在本发明的双波片调制法水下激光偏振成像系统中：选用的光源为532nm蓝绿激光光源，所述光源和第一偏振片之间设置扩束器，激光经过扩束器扩束获得直径为100mm的圆形平行光束。
在本发明的双波片调制法水下激光偏振成像系统中：控制与采集子系统自动协调各部分的同步处理，包括对第一二分之一波片和第二二分之一波片的快轴方位角的切换以及探测器对图像的获取。
在本发明的双波片调制法水下激光偏振成像系统中，第一偏振片和第二偏振片通过卡环固定在套筒中，使偏振片透光轴与水平方向一致；第一二分之一波片和第二二分之一波片分别固定在相应的中空旋转装置上，所述控制器通过驱动中空旋转装置来带动相应的二分之一波片旋转。
本发明的一种如权利要求1所述的双波片调制法水下激光偏振成像系统的成像方法，包括：
步骤1：搭建由起偏子系统、检偏子系统、控制及采集子系统以及控制器组成的水下激光偏振成像系统；
步骤2：对水下激光偏振成像系统进行复位，使第一偏振片和第二偏振片的透光轴处于水平方向；
步骤3：通过控制器调制第一二分之一波片快轴角度，获得0°、45°、90°的线偏振光；
步骤4：在每种入射偏振光状态下，通过控制器调节第二二分之一波片快轴角度，使探测器分别采集透过方向为0°、45°、90°偏振状态的9幅目标物反射图像；
步骤5：根据9幅目标物反射图像和推导出的目标物米勒矩阵公式，获得米勒矩阵图像组。
在本发明的双波片调制法水下激光偏振成像系统的成像方法中，所述步骤5包括：
步骤5.1：以这9幅图像的每个像素点为基础，计算出每种入射到目标物的偏振光状态下每个像素点各自的反射光的斯托克斯矢量；
步骤5.2：根据0°、45°、90°的线偏振光和对应的目标物反射光的斯托克斯矢量，求出目标物的米勒矩阵；
步骤5.3：将每个像素点所对应的米勒矩阵元素一一提取还原到图像中去，即可得到米勒矩阵图像组。
在本发明的双波片调制法水下激光偏振成像系统的成像方法中，所述步骤5.1具体为：
(1)反射光的斯托克斯矢量表示为：
其中，斯托克斯参量Ii、Qi、Ui、Vi是具有光强度的量纲，Ii表示入射为0°、45°、90°的线偏振光状态下反射光的第一个斯托克斯参量；Qi表示入射为0°、45°、90°的线偏振光状态下反射光的第二个斯托克斯参量；Ui表示入射为0°、45°、90°的线偏振光状态下反射光的第三个斯托克斯参量；本系统只做线偏振，因此参量Vi为0；以这9幅图像的每个像素点为基础，每种入射到目标物的偏振光状态下每个像素点各自的反射光的斯托克斯矢量表示如下：
其中，SOUT0°、SOUT45°、SOUT90°分别表示入射为0°、45°、90°的线偏振光的反射光的斯托克斯矢量。
在本发明的双波片调制法水下激光偏振成像系统的成像方法中，所述步骤5.2具体为：
(1)0°、45°、90°的线偏振光的斯托克斯矢量SINi,i＝0°,45°,90°、分别为：
(2)米勒矩阵用于描述物体的偏振特性，目标物反射光与入射光斯托克斯矢量的关系为：
SOUTi＝MSINi
M为目标物体的米勒矩阵，SOUTi和SINi分别为入射光和反射光的斯托克斯矢量,当入射的0°、45°、90°的线偏振光的斯托克斯矢量和对应的目标物反射光的斯托克斯矢量已知时，目标物的米勒矩阵为：
(3)将入射光的斯托克斯矢量进行如下展开：
其中，Hi为水平偏振图像，即入射方向分别为0°、45°、90°的线偏振光，检偏子系统采集的透射方向为0°偏振状态的目标物的反射图像；Li为垂直偏振图像，即入射方向分别为0°、45°、90°的线偏振光，检偏子系统采集的透射方向为90°偏振状态的目标物的反射图像；Di为+45°偏振图像，即入射方向分别为0°、45°、90°的线偏振光，检偏子系统采集的透射方向为45°偏振状态的目标物的反射图像；
(4)将展开的入射光的斯托克斯矢量带入目标物的米勒矩阵获得最终的米勒矩阵如下：
本发明的一种双波片调制法水下激光偏振成像系统及方法，至少具有以下有益效果：
(1)本发明提供通过主动光源与偏振技术相结合的方法，一定程度上有效抑制了背景散射光，最终获得的偏振图像比普通的强度图像信息更加丰富。
(2)本发明使用532nm蓝绿激光作为主动光源，受水体本身的特质影响，自然光在水中传播会受到非常大的衰减，其中受影响较小的波段大约在400nm至600nm之间，也就是蓝绿波段，532nm激光光源在水下穿透效果较好。
(3)本发明进行了偏振简化，只做线偏振，相对于全偏振需要获取16幅偏振图像，线偏振只需要9幅偏振图像，在保证了空间分辨率的情况下，获取偏振图像速度更快。
(4)本发明双波片调制法水下激光偏振成像系统结构简单，体积较小，同时整套装置进行了密封设计，满足外场实验的条件。并且获取偏振图像速度快，相对焦平面式偏振成像，有效地提高空间分辨率。同时相对于全偏振成像，进行了偏振测量的简化，在保证空间分辨率情况下速度更快，能满足工程现场应用，适合产业化推广。
附图说明
图1是本发明的一种双波片调制法水下激光偏振成像系统的示意图；
图2是起偏子系统示意图；
图3是检偏子系统示意图；
图4是本发明的一种双波片调制法水下激光偏振成像方法的流程图。
具体实施方式
如图1-3所示本发明的一种双波片调制法水下激光偏振成像系统，包括：起偏子系统1、检偏子系统2、控制及采集子系统3以及控制器4。
所述起偏子系统1设于水下，包括：光源11、扩束镜12、第一偏振片13和第一二分之一波片14。光源11发出的光束经过透光轴为水平方向的第一偏振片后变为水平线偏振光，调节第一二分之一波片快轴与水平方向的角度，可分别获得0°、45°、90°的线偏振光，再入射到位于水下的目标物6。所述检偏子系统2设于水下，包括：第二二分之一波片24、第二偏振片23、变焦镜头22和探测器21。目标物6的反射光经过第二二分之一波片24和透光轴为水平方向的第二偏振片23后，被探测器21获取。所述控制器4用于驱动第一二分之一波片14和第二二分之一波片24旋转，调节波片快轴与水平方向的角度，使探测器21分别采集透射方向为0°、45°、90°偏振状态的目标物反射图像。所述控制及采集子系统3用于获取探测器21采集的偏振状态的目标物反射图像以及通过上位机软件控制所述控制器4来驱动相应的二分之一波片旋转。所述控制器4驱动第一二分之一波片14旋转，调节第一二分之一波片14快轴与水平方向的角度，使入射光分别调制为0°、45°、90°的线偏振光；在每种入射偏振光状态下，调节第二二分之一波片24快轴与水平方向的角度，使探测器21分别采集透过方向为0°、45°、90°偏振状态的9幅目标物反射图像，以9幅图像的每个像素点为基础，计算得到每个像素点对应的三种不同入射偏振光照射下反射光的斯托克斯参量，计算出米勒矩阵，最终获得米勒矩阵图像组。
具体实施时，选用的光源为532nm蓝绿激光光源，激光经过扩束器12扩束获得直径为100mm的圆形平行光束。
具体实施时，控制与采集子系统3自动协调各部分的同步处理，包括对第一二分之一波片14和第二二分之一波片24的快轴方位角的切换以及探测器21对图像的获取。
具体实施时，第一偏振片13和第二偏振片23通过卡环固定在套筒中，使偏振片透光轴与水平方向一致。第一二分之一波片14和第二二分之一波片24分别通过卡环固定在相应的中空旋转装置上，所述控制器4通过驱动中空旋转装置来带动相应的二分之一波片旋转。
具体实施时，控制与采集子系统3与探测器21之间通过网线进行通信和数据传输，控制与采集子系统3与控制器4之间通过485进行通信。
具体实施时，中空旋转装置采用的是日本东方马达，型号为DGM60-AZAK；探测器采用的是威海浦鲸水下摄像头，型号为CA200。控制器4驱动二分之一波片旋转速度为1000°/s，能够在500ms的时间内获取9幅偏振图像，能满足工程现场应用。
具体实施时，起偏子系统1和检偏子系统2外部设置密封壳体。整套装置进行了密封设计，使满足外场实验的条件。
如图4所示本发明的一种双波片调制法水下激光偏振成像系统的成像方法，包括：
步骤1：搭建由起偏子系统、检偏子系统、控制及采集子系统以及控制器组成的水下激光偏振成像系统，如图1所示，起偏子系统、检偏子系统采用密封设计，放置于样品池5中；
步骤2：对水下激光偏振成像系统进行复位，使第一偏振片和第二偏振片的透光轴处于水平方向；
步骤3：通过控制器调制第一二分之一波片快轴角度，获得0°、45°、90°的线偏振光；
步骤4：在每种入射偏振光状态下，通过控制器调节第二二分之一波片快轴角度，使探测器分别采集透过方向为0°、45°、90°偏振状态的9幅目标物反射图像；
步骤5：根据9幅目标物反射图像和推导出的目标物米勒矩阵公式，获得米勒矩阵图像组；所述步骤5包括：
步骤5.1：以这9幅图像的每个像素点为基础，计算出每种入射到目标物的偏振光状态下每个像素点各自的反射光的斯托克斯矢量，所述步骤5.1具体为：
(1)反射光的斯托克斯矢量表示为：
其中，斯托克斯参量Ii、Qi、Ui、Vi是具有光强度的量纲，Ii表示入射为0°、45°、90°的线偏振光状态下反射光的第一个斯托克斯参量；Qi表示入射为0°、45°、90°的线偏振光状态下反射光的第二个斯托克斯参量；Ui表示入射为0°、45°、90°的线偏振光状态下反射光的第三个斯托克斯参量；本系统只做线偏振，因此参量Vi为0；以这9幅图像的每个像素点为基础，每种入射到目标物的偏振光状态下每个像素点各自的反射光的斯托克斯矢量表示如下：
其中，SOUT0°、SOUT45°、SOUT90°分别表示入射为0°、45°、90°的线偏振光的反射光的斯托克斯矢量。
步骤5.2：根据0°、45°、90°的线偏振光和对应的目标物反射光的斯托克斯矢量，求出目标物的米勒矩阵，所述步骤5.2具体为：
(1)0°、45°、90°的线偏振光的斯托克斯矢量SINi,i＝0°,45°,90°、分别为：
(2)米勒矩阵用于描述物体的偏振特性，目标物反射光与入射光斯托克斯矢量的关系为：
SOUTi＝MSINi
M为目标物体的米勒矩阵，SOUTi和SINi分别为入射光和反射光的斯托克斯矢量,当入射的0°、45°、90°的线偏振光的斯托克斯矢量和对应的目标物反射光的斯托克斯矢量已知时，目标物的米勒矩阵为：
(3)将入射光的斯托克斯矢量进行如下展开：
其中，Hi为水平偏振图像，即入射方向分别为0°、45°、90°的线偏振光，检偏子系统采集的透射方向为0°偏振状态的目标物的反射图像；Li为垂直偏振图像，即入射方向分别为0°、45°、90°的线偏振光，检偏子系统采集的透射方向为90°偏振状态的目标物的反射图像；Di为+45°偏振图像，即入射方向分别为0°、45°、90°的线偏振光，检偏子系统采集的透射方向为45°偏振状态的目标物的反射图像；
(4)将展开的入射光的斯托克斯矢量带入目标物的米勒矩阵获得最终的米勒矩阵如下：
步骤5.3：将每个像素点所对应的米勒矩阵元素一一提取还原到图像中去，即可得到米勒矩阵图像组。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的思想，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种双波片调制法水下激光偏振成像系统的成像方法，其特征在于，包括：
步骤1：搭建由起偏子系统、检偏子系统、控制及采集子系统以及控制器组成的水下激光偏振成像系统；
步骤2：对水下激光偏振成像系统进行复位，使第一偏振片和第二偏振片的透光轴处于水平方向；
步骤3：通过控制器调制第一二分之一波片快轴角度，获得0°、45°、90°的线偏振光；
步骤4：在每种入射偏振光状态下，通过控制器调节第二二分之一波片快轴角度，使探测器分别采集透过方向为0°、45°、90°偏振状态的9幅目标物反射图像；
步骤5：根据9幅目标物反射图像和推导出的目标物米勒矩阵公式，获得米勒矩阵图像组；
所述步骤5包括：
步骤5.1：以这9幅图像的每个像素点为基础，计算出每种入射到目标物的偏振光状态下每个像素点各自的反射光的斯托克斯矢量；
步骤5.2：根据0°、45°、90°的线偏振光和对应的目标物反射光的斯托克斯矢量，求出目标物的米勒矩阵；
步骤5.3：将每个像素点所对应的米勒矩阵元素一一提取还原到图像中去，即可得到米勒矩阵图像组；
所述步骤5.1具体为：
(1)反射光的斯托克斯矢量表示为：
其中，斯托克斯参量Ii、Qi、Ui、Vi是具有光强度的量纲，Ii表示入射为0°、45°、90°的线偏振光状态下反射光的第一个斯托克斯参量；Qi表示入射为0°、45°、90°的线偏振光状态下反射光的第二个斯托克斯参量；Ui表示入射为0°、45°、90°的线偏振光状态下反射光的第三个斯托克斯参量；本系统只做线偏振，因此参量Vi为0；以这9幅图像的每个像素点为基础，每种入射到目标物的偏振光状态下每个像素点各自的反射光的斯托克斯矢量表示如下：
其中，SOUT0°、SOUT45°、SOUT90°分别表示入射为0°、45°、90°的线偏振光的反射光的斯托克斯矢量；
所述步骤5.2具体为：
(1)0°、45°、90°的线偏振光的斯托克斯矢量SINi,i＝0°,45°,90°、分别为：
(2)米勒矩阵用于描述物体的偏振特性，目标物反射光与入射光斯托克斯矢量的关系为：
SOUTi＝MSINi
M为目标物体的米勒矩阵，SOUTi和SINi分别为入射光和反射光的斯托克斯矢量,当入射的0°、45°、90°的线偏振光的斯托克斯矢量和对应的目标物反射光的斯托克斯矢量已知时，目标物的米勒矩阵为：
(3)将入射光的斯托克斯矢量进行如下展开：
其中，Hi为水平偏振图像，即入射方向分别为0°、45°、90°的线偏振光，检偏子系统采集的透射方向为0°偏振状态的目标物的反射图像；Li为垂直偏振图像，即入射方向分别为0°、45°、90°的线偏振光，检偏子系统采集的透射方向为90°偏振状态的目标物的反射图像；Di为+45°偏振图像，即入射方向分别为0°、45°、90°的线偏振光，检偏子系统采集的透射方向为45°偏振状态的目标物的反射图像；
(4)将展开的入射光的斯托克斯矢量带入目标物的米勒矩阵获得最终的米勒矩阵如下：
所述起偏子系统设于水下，包括：光源、第一偏振片和第一二分之一波片；光源发出的光束经过透光轴为水平方向的第一偏振片后变为水平线偏振光，调节第一二分之一波片快轴与水平方向的角度，可分别获得0°、45°、90°的线偏振光，再入射到位于水下的目标物；
所述检偏子系统设于水下，包括：第二二分之一波片、第二偏振片和探测器；目标物反射光经过第二二分之一波片和透光轴为水平方向的第二偏振片后，被探测器获取；
所述控制器用于驱动第一二分之一波片和第二二分之一波片旋转，调节波片快轴与水平方向的角度，使探测器分别采集透射方向为0°、45°、90°偏振状态的目标物反射图像；
所述控制及采集子系统用于获取探测器采集的偏振状态的目标物反射图像以及通过上位机软件控制所述控制器来驱动相应的二分之一波片旋转；
所述控制器驱动第一二分之一波片旋转，调节第一二分之一波片快轴与水平方向的角度，使入射光分别调制为0°、45°、90°的线偏振光；在每种入射偏振光状态下，调节第二二分之一波片快轴与水平方向的角度，使探测器分别采集透过方向为0°、45°、90°偏振状态的9幅目标物反射图像，以9幅图像的每个像素点为基础，计算得到每个像素点对应的三种不同入射偏振光照射下反射光的斯托克斯参量，计算出米勒矩阵，最终获得米勒矩阵图像组；
选用的光源为532nm蓝绿激光光源，所述光源和第一偏振片之间设置扩束器，激光经过扩束器扩束获得直径为100mm的圆形平行光束；
控制与采集子系统自动协调各部分的同步处理，包括对第一二分之一波片和第二二分之一波片的快轴方位角的切换以及探测器对图像的获取；
第一偏振片和第二偏振片通过卡环固定在套筒中，使偏振片透光轴与水平方向一致；第一二分之一波片和第二二分之一波片分别固定在相应的中空旋转装置上，所述控制器通过驱动中空旋转装置来带动相应的二分之一波片旋转。
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| CN202110841862.7A Active CN113589315B (zh) | 2021-07-26 | 2021-07-26 | 一种双波片调制法水下激光偏振成像系统及方法 |
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| CA2407918A1 (en) * | 2002-05-13 | 2003-11-13 | Juan Manuel Bueno Garcia | Method and apparatus for imaging using polarimetry and matrix based image reconstruction |
| CN110806266A (zh) * | 2019-11-11 | 2020-02-18 | 北京理工大学 | 一种偏振态检测系统中偏振态分析器的选择方法 |
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2021
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Patent Citations (4)
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