红外与激光工程
2024, 53(1): 20230372
1 天津大学未来技术学院，天津 300072
2 天津大学海洋科学与技术学院，天津 300072
3 天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072
在散射环境下获取的图像质量退化严重，细节对比度降低，极大地限制了光学成像技术在诸多领域的应用。由于散射光具有部分偏振特性，基于偏振成像的去散射技术近年来得到了广泛的关注及应用。但传统的偏振去散射方法的复原效果十分依赖对场景偏振参数的准确估计，对强散射的复杂场景难以取得理想的去散射效果。为了克服这一缺点，提高偏振去散射方法在不同环境中的适用性，着眼于偏振图像的区域细节，提出一种基于区域细节强化的偏振去散射新方法。该方法结合对比度和Stokes矢量来确定两幅待复原的偏振子图，通过频域处理估计模型的关键参量，然后利用散射退化模型反解出未退化图像，最终融合形成去散射图。实验结果表明：所提方法在不同种类散射环境（雾霾或浑浊水体）和不同散射强度下均具有良好的复原效果，提高了偏振算法的适用性；同时，充分利用了偏振图像的强度分布特点，能够突出原图中的强偏振区域，可同时复原高低偏振目标物体，增强图像的细节信息。
偏振光学 图像退化 散射 偏振成像 对比度 区域细节 激光与光电子学进展
2024, 61(2): 0211017
1 北京理工大学光电学院，北京 100081
2 北京理工大学光电成像技术与系统教育部重点实验室，北京 100081
红外偏振成像系统快速发展且应用广泛，但评估其性能的成像系统性能模型发展不足。迫切需要能够与先进的偏振成像系统相匹配的性能模型。利用深度学习网络的训练过程与人脑提取认知信息过程的相似性，本文首次将深度学习方法引入系统性能模型领域，提出了一种基于二维图像的可自动评估系统性能的红外偏振成像系统性能模型。该模型主要包含两个主要模块：退化模块、性能感知模块。在评估一个新的系统时，需要输入高质量的原始图像，并根据系统的硬件参数量身定制成像系统退化模块，退化完成后输入性能感知模块，从而得到最终的目标获取性能。为验证模型有效性，本文基于红外辐射理论自建了面向海面场景的红外偏振数据集，训练网络并进行测试。应用该模型对红外偏振成像系统的性能进行评估，评估结果与主观感知具有较好的一致性。
红外偏振成像 性能模型 深度学习 海面场景数据集 infrared polarization imaging, performance model,
中国科学院西安光学精密机械研究所, 陕西 西安 710100
对目标进行更多属性信息的获取, 是光学传感器不断追求的目标。 偏振属性探测和传统光谱成像技术相结合的偏振光谱成像技术具有分辨“异物同谱”、 实现“目标凸显”、 “动态调节”、 “耀斑抑制”的能力, 蕴藏非常重要的应用潜力。 目前的偏振光谱成像系统存在诸多的缺点, 如结构复杂、 体积大、 通道串扰、 多维信息提取繁琐等问题。 针对上述问题, 提出一种基于线性渐变滤光片（LVF）和像素化偏振调制的紧凑型偏振光谱成像方法。 涉及关键技术有: 基于高光谱分辨率需求与短焦距约束, 采用双高斯结构作为初始光学结构, 并通过参数设计进行光学系统的仿真与实现; 采用LVF作为分光元件, 进行参数设计与验证, 与像素化偏振调制探测器在像面上进行耦合, 实现光谱信息与偏振信息同步获取。 基于上述技术路线进行了样机集成, 在实验室暗室对系统样机进行光学指标测试, 最终指标为: 工作波段: 430~880 nm, 空间分辨率: 0.22 mrad, 光谱分辨率为: 10 nm, 四偏振态同步获取, 系统传递函数: 0.547, 偏振探测精度: 89.4%, 光机系统总尺寸: 45 mm×45 mm×80 mm。 在室外进行推扫实验, 成像效果良好, 中心波长不同偏振态下的单色图有较明显的强度变化; 对全局图像进行多维信息提取与融合, 不同地物的特征光谱曲线有明显的波谱差异, 满足预期设计目标。 该方法突破了传统偏振光谱成像技术路线的缺点, 为偏振光谱成像多维信息获取提供了一种新型且有重要应用价值的方法。
偏振成像光谱系统 像素偏振调制 线性渐变滤光 系统耦合 Polarization imaging spectroscopy system Pixel polarization modulation Linear Variable Filter System coupling 光谱学与光谱分析
2023, 43(7): 2082
大连理工大学 辽宁省微纳米系统重点实验室，辽宁大连116024
针对光线在水体中传播会受到吸收和散射影响，仅使用传统的强度相机获取水下图像存在成像结果亮度偏低、图像模糊、细节丢失等问题，将深度融合网络应用于水下偏振图像，即用深度学习的方法将水下偏振度图像与光强图像融合。分析水下主动偏振成像模型，搭建实验装置获取水下偏振图像构建训练数据集，并进行适当变换以扩充数据集。构建基于无监督学习和注意力机制引导的用于融合偏振度和光强图像的端到端学习框架，并对损失函数及权重参数进行阐述。使用制作的数据集在不同的损失权重参数下进行网络训练，基于不同的图像评价指标对融合后的图像进行评估。实验结果表明，融合后的水下图像细节更为丰富，相比于光强图像信息熵提升24.48%，标准差提升139%。相比于其他传统融合算法，该方法不需要人工调节权重参数，运算速度较快，具有较强的稳定性和自适应性，对于海洋探测、水下目标识别等领域的应用研究具有重要意义。
偏振成像 水下图像增强 图像融合 深度学习 polarization imaging underwater image enhancement image fusion deep learning 光学 精密工程
2023, 31(21): 3212
1 长春理工大学 光电工程学院，吉林长春30022
2 东北工业集团有限公司，吉林长春130103
针对双编码快照式光谱偏振成像系统偏振效应校正需求，提出多参量模型引导的偏振优化方法，建立基于数字微镜阵列（DMD）、棱镜-光栅-棱镜（PGP）、微偏振片阵列探测器（MPA）以及多膜层系的光谱偏振成像系统全链路偏振效应模型，分析部分偏振光入射时光谱偏振成像系统的二向衰减，揭示入射光波长、偏振度与系统偏振效应的耦合机理。通过有针对性地控制透镜的折射率、入射角，光栅折射率、常数，棱镜折射率、顶角，多层膜复折射率、膜层厚度等参量，在谱线弯曲满足重建要求的前提下实现对光谱偏振成像系统偏振效应的优化。仿真结果表明，优化后系统SSIM＞0.8、系统偏振效应相对误差<4%，与优化前相比偏振效应降低至少6%。当入射光偏振度恒定时，系统偏振效应与波长成反比。通过实验获取单次曝光下典型材料的光谱偏振重建图像，金属偏振度相对误差提升至少14.7%，塑料偏振度相对误差提升至少63.6%。验证了所提偏振优化方法的必要性和可行性。本研究为双编码快照式光谱偏振成像系统多维数据的高精度获取奠定了理论基础。
光谱偏振成像 偏振效应 二向衰减 穆勒矩阵 spectropolarimeter polarization effect bidirectional attenuation Mueller matrix 光学 精密工程
2023, 31(22): 3256
大气与环境光学学报
2023, 18(6): 617
1 中国刑事警察学院痕迹检验鉴定技术公安部重点实验室，辽宁沈阳 110035
2 长春理工大学电子信息工程学院，吉林长春 130022
3 沈阳工业大学软件学院，辽宁沈阳 110870
偏振探测技术能够在复杂的背景环境中凸显出目标，为我们提供了更为清晰和精准的目标识别能力。然而，在法庭科学领域上，利用偏振成像技术对水下物证进行探测搜寻的研究仍属空白。针对这一问题，本文通过偏振成像装置，对目标强度图像和偏振度图像进行融合。利用非下采样剪切波（non-subsampled shearlet transform, NSST）对图像进行分解后，在高频子带提出了参数自适应的简化型脉冲耦合神经网络模型，在低频子带则采用一种基于区域能量的自适应加权融合规则。在可见光下，对 3类典型目标进行相关算法比对实验。实验结果表明，通过偏振成像技术可有效探测到水下物证，利用本文提出的图像融合算法有效突出了水下物证的细节特征，验证了偏振探测技术对水下物证成像的有效性，有利于突破当下法庭科学领域水下物证探测技术的空白。
偏振成像 图像融合 法庭科学 水下物证 polarization imaging, image fusion, forensic scien SPCNN
1 中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州 221116
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所，安徽 合肥 230031
3 安徽师范大学地理与旅游学院，安徽 芜湖 241000
通过分析多角度偏振成像仪（DPC）的后验误差，测试DPC的气溶胶反演效果，为算法改进提供支持。使用GRASP（generalized retrieval of aerosol and surface properties）算法在同等条件下对DPC和POLDER（polarization and directionality of the earth's reflectance）数据进行反演，分析两种传感器的强度（RI）和偏振（RP）的反演残差及气溶胶光学厚度（AOD）误差；讨论山区和非山区AOD的反演精度及加入偏振信息对反演的改进。在多数波段，DPC的AOD反演精度接近POLDER，但在865 nm波段二者有较大正向偏差；RI@565、RI@865及RP@865的绝对值较大且较为离散；非山区上空DPC与POLDER反演精度接近，但在山区二者均出现系统性偏高，DPC尤为明显；偏振信息的加入可以有效改善仅强度条件下的反演结果；扣除干扰因素，非山区上空AOD@670落入期望误差范围的比例为63.7%，相关系数为0.828。
遥感与传感器 气溶胶 偏振 多角度偏振成像仪 光学学报
2023, 43(24): 2428007
