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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

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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

通道型偏振光谱仪望远镜组偏振效应分析与优化

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液晶与显示 2023年第12期38卷 1728-1735页

作者：李作恩鞠学平胡春晖颜昌翔赵雪梅杨斌中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院大学北京100049 中国科学院大学材料与光电研究中心北京100049 航天系统部装备部装备项目管理中心北京100094 长光禹辰信息技术与装备(青岛)有限公司山东青岛266000

为了满足高精度偏振探测要求,通道型偏振光谱仪在设计时需要考虑望远镜组偏振效应的影响,并对其进行相应的分析和优化。首先,分析望远镜组偏振效应的影响因素,采用坐标变换和穆勒矩阵连乘法建立了考虑膜系偏振效应的望远镜组穆勒矩阵模... 详细信息

为了满足高精度偏振探测要求,通道型偏振光谱仪在设计时需要考虑望远镜组偏振效应的影响,并对其进行相应的分析和优化。首先,分析望远镜组偏振效应的影响因素,采用坐标变换和穆勒矩阵连乘法建立了考虑膜系偏振效应的望远镜组穆勒矩阵模型,并带入通道型偏振光谱仪偏振解调模型。接着,通过同时控制S光和P光的透过率和相位延迟,设计相应的低偏振效应膜系。最后,运用偏振光线追迹的方法对镀有不同膜系的望远镜组进行偏振效应仿真。仿真结果表明,在580 nm和750 nm波长处,低偏振效应膜系与高偏振效应膜系的偏振探测精度变化不明显。而在420 nm波长处,低偏振效应膜系相较于常用膜系的边缘视场偏振探测精度提高了3.22%。低偏振效应膜系可以有效降低通道型偏振光谱仪望远镜组偏振效应,提高仪器的偏振探测精度。

关键词：偏振光谱相机偏振效应斯托克斯矢量穆勒矩阵

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

不同光照条件下浑浊水体中目标物偏振成像效果研究

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光学技术 2022年第4期48卷 398-402,432页

作者：王昊月陈向宁徐碧洁杜姝函李轶南航天工程大学航天信息学院北京101400

地球上海洋面积约占70%,海面之下蕴含着大量的资源待人类探索、开发和利用。但由于水下环境复杂多变,想要对水下世界进行探索和发现并不简单。偏振成像技术因其与传统光学成像技术相比具有多维偏振矢量信息,一经提出便广受学术界关注,... 详细信息

地球上海洋面积约占70%,海面之下蕴含着大量的资源待人类探索、开发和利用。但由于水下环境复杂多变,想要对水下世界进行探索和发现并不简单。偏振成像技术因其与传统光学成像技术相比具有多维偏振矢量信息,一经提出便广受学术界关注,这也促成了水下偏振探测及处理技术的蓬勃发展。在对水下目标物进行成像时,因为水体中大量微粒和一些可溶性物质会对光产生吸收和散射作用,导致进入接收器的光能量发生严重衰减,致使水下图像模糊不清、质量不佳很难达到实际应用需求。文章通过研究不同类型光照条件下水下目标的偏振成像特性,使用CMOS相机在不同类型光源的照射下对目标物分别进行水下偏振成像;再对采集到的不同角度的偏振图像运用Stokes矢量法计算得到其偏振度、偏振角和反射光总光强等偏振分量图像;通过图像融合的方式对获取到的偏振信息图像进行融合以结合不同偏振矢量图像的优势信息;最后使用拉普拉斯边缘增强技术对融合图像进行增强进而实现退化图像的复原。

关键词：水下成像偏振斯托克斯矢量图像融合