偏振光檢測研究,武漢大學物理科學與技術學院 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.偏振態的轉換 4.偏振度圖像 三.偏振光的檢測及分析,報告內容,地球表面和大氣中的任何目標，在反射、散射和透射以及發射電磁輻射的過程中，會產生由它們自身性質和光學基本定律決定的特征偏振。,一. 前言,傳統的光學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，光波從介質表面反射(透射)時，其偏振態可能發生變化，偏振狀態的改變與入射光的狀態、介質表面狀態有關。,不同物體或同種物體的不同狀態(粗糙度、空隙度、含水量）可能產生不同的偏振狀態。,采用偏振成像方法，可提取其偏振信息并加以利用。,在軍事目標識別中，目標與背景的對比是個重要因素。有時可以對目標進行偽裝，但若同時采用偏振探測和光度探測，大部分的軍事目標都可以被識別。,有人用紫外到近紅外段的波長對置于沙灘背景下的一群士兵和一輛軍用偽裝車蒙皮做了偏振測量和光度測量，比較偏振和光度的探測能力。,結果表明：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時，反射率為常量。當將偏振度視為散射角的函數時，偏振度會有很大的不同。,以斯托克斯參量為基礎發展起來的偏振成象和偏振識別技術近幾年發展很快，現已成功的應用于衛星周圍的大氣測量，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，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成象記錄了更多的信息，對于分辨那些質料不同但顏色和反射強度相同的景物顯示出巨大的優越性。目前已成為世界各國競相研究的熱點。,1. 斯托克斯參量,單色光偏振態的描述,用三角函數描述,二.偏振光的描述,用斯托克斯參量描述,我們可以用4個Stokes參數I、Q、U、V 來描述一束光的偏振態，其定義如下：,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 的負值表示 。,2. 斯托克斯參量的實際測量,設：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,由上述數據可寫出如下形式的斯托克斯參量,3. 偏振態的轉換,米勒矩陣M：用來描述偏振器件作用的矩陣,偏振器件：使入射光的偏振參量改變的器件,不同的偏振器件米勒矩陣不同,出射光的斯托克斯矢量和入射光的斯托克斯矢量滿足關系式：,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中，圓偏振分量極少，假設V=0。,偏振度P,例如：紐約大學在99年和02年分別對C-130型飛機 和B-52型飛機進行偏振特性研究 。,Stokes參量用Kodak CIR相機測得。相機的焦平面上使用硅CCD陣列,有20483072個大小約為20m的像素。每個像素包含4個因子，2個對綠光敏感，一個對紅光敏感，一個對藍光敏感，且均對短波紅外敏感。加上濾光片后產生3個通道：綠光+近紅外、紅光+近紅外、近紅外。,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、螺旋槳和五個空中位置）。,首先要根據入射和發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。每組測得的數據經過簡單代數運算可以構成一組斯托克斯矢量來描述完整的偏振態。,由試驗數據的比較知，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樹葉的偏振度圖像,2. 實驗結果,（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,塑料制假樹葉和真實樹葉的光強圖像,其偏振圖像,（3）真假樹葉,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,（6）不同探測角下有絨毛的櫻樹葉偏振圖,（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.結論,說明：上述結