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基于穆勒矩阵与斯托克斯矢量的水下图像复原研究

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基于穆勒矩阵与斯托克斯矢量的水下图像复原研究

作者：李嘉琦天津大学

学位级别：硕士

作为光波的基本物理特性之一,偏振因其具有“弱光强化、强光弱化”的光强度不敏感性及多维度等特点,在光强和光谱等信息低效的应用领域有着显著的优势。尤其是在浑浊水下、雾霾等复杂散射环境中,偏振成像技术体现出更优越的光学信息提... 详细信息

作为光波的基本物理特性之一,偏振因其具有“弱光强化、强光弱化”的光强度不敏感性及多维度等特点,在光强和光谱等信息低效的应用领域有着显著的优势。尤其是在浑浊水下、雾霾等复杂散射环境中,偏振成像技术体现出更优越的光学信息提取、识别和处理能力。作为典型的偏振表征参数,斯托克斯矢量和穆勒矩阵常用以联合表征光和物质的偏振特性以及光物相互作用(反射、透射等)前后的偏振态变化。本文主要工作如下:1、基于经典的水下散射偏振成像模型,提出了一种基于穆勒矩阵的水下去散射偏振成像系统。通过计算背景区域的穆勒矩阵,调节偏振产生装置的偏振状态,使得后向散射光的偏振度最大;利用偏振分析装置有效抑制后向散射光中的偏振分量,达到了较好的抑制散射光效果。通过不同条件下的实验对该方法进行了验证,并通过量化数据图像增强值(EME)和标准差(STD)与传统水下偏振成像方法进行了对比。结果均表明该方法抑制散射光的效果更好,图像复原度更高,可有效提升水下成像质量和可视距离。2、针对传统偏振差分成像自由度低、图像质量提升受限的问题,提出了一种三自由度偏振差分成像算法。在不限制偏振片方位角范围的前提下,引入修正参数,增加了偏振差分成像的自由度。本文还通过设计不同场景下的实验,与两种经典的偏振差分成像算法进行对比,该方法迈克尔逊对比度(Contrast ratio)达到0.851,相应增强比高达170.2%。结果表明三自由度偏振差分方法复原得到的图像失真度低、清晰度高,能进一步提升偏振差分成像的去散射成像效果。3、利用LabVIEW软件,本文分别设计了基于两种不同类型偏振相机(分焦平面和分振幅)的偏振成像软件平台。将三自由度偏振差分算法整合到软件系统中,实现了相机的自动控制、偏振信息的实时获取和展示,以及去散射成像结果的同步显示等功能。同时针对实际应用中对脱离相机使用的需求,设计了一种从本地文件读取偏振图像并实现去散射成像的模块。将去散射成像算法与实际应用相结合,对水下偏振成像的发展与实用化具有重要意义。

关键词：偏振成像穆勒矩阵斯托克斯矢量去散射成像图像复原

斯托克斯矢量和穆勒矩阵在偏振光中的应用研究

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西南民族大学学报（自然科学版） 2018年第5期44卷 526-529页

作者：何启浩西南民族大学电气信息工程学院四川成都610041

分析和探讨了矩阵光学中的斯托克斯(Stokes)矢量和穆勒(Mueller)矩阵,并与琼斯(Jones)矢量和琼斯矩阵作了对比探讨;计算得出了部份偏振光的斯托克斯矢量表示法和右旋与左旋圆偏振器的穆勒矩阵表示法.综合分析了几个实例,探讨了斯托克斯... 详细信息

分析和探讨了矩阵光学中的斯托克斯(Stokes)矢量和穆勒(Mueller)矩阵,并与琼斯(Jones)矢量和琼斯矩阵作了对比探讨;计算得出了部份偏振光的斯托克斯矢量表示法和右旋与左旋圆偏振器的穆勒矩阵表示法.综合分析了几个实例,探讨了斯托克斯矢量和穆勒矩阵在自然光、部分偏振光和完全偏振光中的应用.探讨了Stokes矢量和Jones矢量的变换关系.

关键词：偏振光和偏振态斯托克斯矢量穆勒矩阵

用斯托克斯矢量描述光在介质表面反射时的偏振现象

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九江师专学报 1989年第5期 55-57页

作者：谢卫军九江师专物理系

电磁波通过不同介质的界面时会发生反射和折射,入射、反射和折射三束波在分界面上振幅的大小和方向之间的关系可由以下菲涅耳公式表达: 此处角标m和b对应于反射和折射波,标号11和⊥指平行纸面和垂直于纸面。如图1所示。定义入射的斯托... 详细信息

电磁波通过不同介质的界面时会发生反射和折射,入射、反射和折射三束波在分界面上振幅的大小和方向之间的关系可由以下菲涅耳公式表达: 此处角标m和b对应于反射和折射波,标号11和⊥指平行纸面和垂直于纸面。如图1所示。定义入射的斯托克斯矢量为:

关键词：斯托克斯矢量定义全反射变换矩阵

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用斯托克斯矢量分析液晶的旋光特性

物理与工程 2009年第5期19卷 60-63页

作者：洪然朱鋐英冯仕猛上海交通大学物理系上海200240

本文运用斯托克斯矢量、穆勒矩阵和类比的方法,对扭曲向列型液晶和胆甾型液晶的旋光机理进行比较直观的解释,构建简单物理图像,揭示两种液晶产生旋光效应的本质,并得出在长波长条件下胆甾型液晶的旋光率公式R=-πΔn2p/4λ2.

关键词：液晶偏振光斯托克斯矢量穆勒矩阵

基于单颗粒测量斯托克斯矢量估计和提取气溶胶复折射率

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基于单颗粒测量斯托克斯矢量估计和提取气溶胶复折射率

第二十三届二氧化硫、氮氧化物和颗粒物污染防治技术研讨会

作者：廖日威曾楠何永红马辉清华大学深圳研究生院深圳市无损与微创重点实验室广东深圳 518055 清华大学物理系北京 100084 清华大学深圳研究生院深圳市无损与微创重点实验室广东深圳 518055 清华大学深圳研究生院深圳市无损与微创重点实验室广东深圳 518055 清华大学物理系北京 100084 清华-伯克利深圳研究生院精准医疗和生命健康学部广东深圳 518071

本文提出了一种基于单颗粒偏振测量来快速反演得到悬浮颗粒物的复折射率的新方法。通过同时获得单颗粒物散射的多个角度的多个偏振参量和利用动力学粒径谱仪获得颗粒物的粒径分布,结合概率平均Mie散射理论迭代获得颗粒物的复折射率。对... 详细信息

本文提出了一种基于单颗粒偏振测量来快速反演得到悬浮颗粒物的复折射率的新方法。通过同时获得单颗粒物散射的多个角度的多个偏振参量和利用动力学粒径谱仪获得颗粒物的粒径分布,结合概率平均Mie散射理论迭代获得颗粒物的复折射率。对斯托克斯矢量的概率平均可消除由于粒径差异带来的信号震荡影响,同时发现该平均斯托克斯矢量跟复折射率满足一定的单调关系,该特性可用来唯一确定颗粒物的复折射率。对标准样品的实验测量和反演结果表明该方法具有较高的准确性和稳定性。该技术有望发展为一种快速在线测量颗粒物复折射率,识别大气颗粒物成分的新方法。

关键词：气溶胶复折射率斯托克斯矢量 Mie散射单颗粒偏振测量

来源： cnki会议评论

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cnki会议

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斯托克斯空间偏振模色散矢量叠加的研究

西安文理学院学报（自然科学版） 2011年第3期14卷 66-68页

作者：雒志秀吕梁学院物理系山西吕梁033000

偏振模色散(PMD)矢量叠加方法是分析高阶PMD效应非常有力的简捷工具,利用它研究高阶PMD效应对系统性能影响及补偿方面相当方便.着重在斯托克斯(Stokes)空间来研究偏振模色散(PMD)矢量叠加的方法.

关键词： (PMD)矢量光纤段斯托克斯矢量矢量叠加

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基于孔径分割的全斯托克斯测量仪的误差分析

红外与激光工程 2017年第10期46卷 180-187页

作者：常凌颖赵俊香郑爱国杜丹西安邮电大学电子工程学院陕西西安710121

基于孔径分割的全斯托克斯测量仪可以获取目标的全部偏振信息,但是偏振探测仪器自身的误差会影响测量结果的准确度,因此需要对测量仪获取斯托克斯矢量[S0,S1,S2,S3]时的测量误差进行分析。首先,研究了偏振光学中斯托克斯矢量相关理论;其... 详细信息

基于孔径分割的全斯托克斯测量仪可以获取目标的全部偏振信息,但是偏振探测仪器自身的误差会影响测量结果的准确度,因此需要对测量仪获取斯托克斯矢量[S0,S1,S2,S3]时的测量误差进行分析。首先,研究了偏振光学中斯托克斯矢量相关理论;其次,介绍了基于孔径分割的全斯托克斯测量仪的工作原理和测量原理。然后,分析了测量仪获取斯托克斯矢量时的误差源。最后,仿真分析了该误差源对斯托克斯矢量和目标偏振信息(偏振度、椭率角和方位角)的影响。最终仿真结果表明:波片相位延迟量±5°时,偏振度和椭率角的相对误差为1.16%、4.55%,波片快轴方向相对于x轴的角度为±2°时,方位角的相对误差为7.68%;CCD探测器的噪声信噪比为40 d B时,偏振度、椭率角和方位角的相对误差约为1%。分析结果为实验装置元件参数的选择提供参考依据,为基于孔径分割的全斯托克斯测量仪的优化提供理论支持。

关键词：孔径分割斯托克斯矢量偏振探测误差分析

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基于斯托克斯参量的水下主动偏振去散射研究

数字海洋与水下攻防 2023年第4期6卷 435-441页

作者：李浩翔朱京平邓金鑫张向哲郭奉奇西安交通大学电子物理与器件教育部重点实验室陕西省信息光子技术重点实验室

受浑浊水体自身吸收与微颗粒散射的影响，水下光学成像面临成像距离短、像质差等问题。一种基于斯托克斯参量的主动偏振成像模型被应用到水下成像去散射过程中，有效提升了目标成像探测的清晰度。相比于被动偏振成像模型，引入主动光源... 详细信息

受浑浊水体自身吸收与微颗粒散射的影响，水下光学成像面临成像距离短、像质差等问题。一种基于斯托克斯参量的主动偏振成像模型被应用到水下成像去散射过程中，有效提升了目标成像探测的清晰度。相比于被动偏振成像模型，引入主动光源可以实现对入射光的偏振调制，由此可以充分挖掘目标反射光与介质光的偏振特征差异进而实现分离选通。改进的主动偏振去散射模型利用了目标反射光的偏振共模抑制效应，借助偏振斯托克斯参量S2分量实现了介质光偏振角与偏振度全局分布的准确估算。同时引入图像质量评价参数对比度contrast作为反馈参量，通过迭代计算实现背景噪声的最大化滤除。不同散射程度、不同类型目标的水下成像实验表明：相比于传统主动偏振成像方法，改进后的成像模型可大幅提升水下目标的图像质量，特别是强散射环境下的图像contrast提升超2倍以上。该项工作为利用偏振信息进行水下图像去散射与目标重建提供了新思路。

关键词：偏振去散射对比度斯托克斯矢量偏振共模抑制

双弹光调制广义偏振测量的数字锁相数据处理研究

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光学技术 2023年第1期49卷 51-56,96页

作者：李坤钰王志斌李克武李晋华中北大学仪器与电子学院山西太原030051 中北大学前沿交叉科学研究院山西太原030051 中北大学山西省光电信息与仪器工程技术研究中心山西太原030051

针对高精度、快速实时的偏振测量需求,提出了一种双弹光差频调制的偏振参量测量方法。对偏振测量原理进行了详细分析,针对双弹光调制器工作控制及信号解调需求,设计了基于数字可编程逻辑门阵列(FPGA)的多通道数字锁相数据处理方案。FPG... 详细信息

针对高精度、快速实时的偏振测量需求,提出了一种双弹光差频调制的偏振参量测量方法。对偏振测量原理进行了详细分析,针对双弹光调制器工作控制及信号解调需求,设计了基于数字可编程逻辑门阵列(FPGA)的多通道数字锁相数据处理方案。FPGA提供一定频率占空比的脉冲宽度调制波(PWM),经高压谐振电路输出正弦高压驱动弹光调制器工作,与此同时,探测器探测到的调制光信号经模数转换器(ADC)采集后进入FPGA中。FPGA提供本地参考信号完成多个频率信号的同时解调,进而单次测量便可得到4个斯托克斯分量。搭建了实验系统进行了实验验证,利用旋转1/4波片法建立了偏振产生装置,实现了对线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光的测量。实验结果表明,系统测量的相对误差小于0.8%,重复性标准差小于0.2%,单次测量时间小于200ms,实现了高精度、重复性好、实时的偏振测量。

关键词：弹光调制偏振测量斯托克斯矢量数字锁相