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强光背景下主动偏振成像方法

史浩东 许家伟 张健 吴洪波 王超 刘壮 战俊彤 李英超 付强

史浩东, 许家伟, 张健, 吴洪波, 王超, 刘壮, 战俊彤, 李英超, 付强. 强光背景下主动偏振成像方法[J]. 中国光学(中英文), 2024, 17(5): 1075-1086. doi: 10.37188/CO.2023-0151
引用本文: 史浩东, 许家伟, 张健, 吴洪波, 王超, 刘壮, 战俊彤, 李英超, 付强. 强光背景下主动偏振成像方法[J]. 中国光学(中英文), 2024, 17(5): 1075-1086. doi: 10.37188/CO.2023-0151
SHI Hao-dong, XU Jia-wei, ZHANG Jian, WU Hong-bo, WANG Chao, LIU Zhuang, ZHAN Jun-tong, LI Ying-chao, FU Qiang. Active polarization imaging method under strong light background[J]. Chinese Optics, 2024, 17(5): 1075-1086. doi: 10.37188/CO.2023-0151
Citation: SHI Hao-dong, XU Jia-wei, ZHANG Jian, WU Hong-bo, WANG Chao, LIU Zhuang, ZHAN Jun-tong, LI Ying-chao, FU Qiang. Active polarization imaging method under strong light background[J]. Chinese Optics, 2024, 17(5): 1075-1086. doi: 10.37188/CO.2023-0151

强光背景下主动偏振成像方法

基金项目: 吉林省科技发展计划项目(No. YDZJ202301ZYTS417)
详细信息
    作者简介:

    史浩东(1989—),男,吉林长春人,博士,副研究员,博士生导师,吉林省青年托举工程人才,2017年于长春理工大学获得博士学位,主要从事先进光学系统设计及偏振探测技术方面的研究。E-mail:shihaodong08@163.com

  • 中图分类号: O436.3

Active polarization imaging method under strong light background

Funds: Supported by the Jilin Scientific and Technological Development Program (No. YDZJ202301ZYTS417)
More Information
  • 摘要:

    针对传统光电探测方法在强光背景下目标探测对比度低的问题,本文提出一种基于激光照明的主动偏振成像方法。首先构建激光入射双向反射分布模型、激光入射偏振双向反射分布模型以及激光照明的目标表面偏振度模型,并分析3种典型目标材料偏振特性与束散角之间的耦合关系。然后在暗室可控条件下开展逆光观测实验,验证目标偏振特性受激光束散角的影响。实验结果表明:强光背景下主动偏振成像目标对比度与传统被动强度成像相比提升了86.11%,不同束散角下不同目标材料的可见光偏振特性间存在差异,金属材质相对于非金属材质的线偏振度提升更高,实验结果与理论分析具有较好的一致性。最后,在室外开展太阳逆光观测实验,验证了研究方法在室外高强光、远距离下依旧具有适用性。本研究为提升强光背景下的目标精准感知能力奠定了理论基础。

     

  • 图 1  辐射模型角度示意图

    Figure 1.  Schematic diagram of radiation model angle

    图 2  不同目标在入射角为20°时的线偏振度分布。(a)金色聚酰亚胺薄膜;(b)铝板;(c)太阳能电池板

    Figure 2.  The distribution of Dolp of different targets at the incident angle of 20°. (a) Gold polyimide film; (b) aluminum plate; (c) solar panels

    图 3  实验原理图

    Figure 3.  Experimental schematic diagram

    图 4  暗室积分球逆光实验装置图

    Figure 4.  Darkroom integrating sphere backlighting experiment setup

    图 5  逆光状态下金色聚酰亚胺薄膜、铝板、太阳能电池板(从左到右)非偏与偏振图像对比图。(a)、(b)、(c)非偏图像(d)、(e)、(f)偏振图像

    Figure 5.  Comparison of unpolarized and polarized images of gold polyimide film, aluminum plate, and solar panel (from left to right) under backlight state. (a), (b) and (c) are unpolarized images and (d), (e) and (f) are polarized images

    图 6  不同目标在不同束散角下观测角为30°时的偏振度分布特征。(a)金色聚酰亚胺薄膜;(b)铝板;(c)太阳能电池板

    Figure 6.  Polarization distribution characteristics of different targets at 30° observation angle with different beam dispersion angles for (a) gold polyimide film, (b) aluminum plate and (c) solar panels

    图 7  不同目标在90°观测角时在不同束散角下的线偏振度变化曲线。(a)金色聚酰亚胺薄膜;(b)铝板;(c)太阳能电池板

    Figure 7.  Variation curves of linear polarization at different divergence angles for different targets at 90° observation angle. (a) Gold polyimide film. (b) Aluminum plate; (c) Solar panels

    图 8  铝板在同一观测角和入射角、不同束散角下线偏振度随光斑半径变化曲线

    Figure 8.  The curve of spot radius versus linear polarization for aluminum plate at the same observation angle, the same incident angle and the different beam scattering angle

    图 9  实验仿真对比图

    Figure 9.  The comparison of experimental and simulation results

    图 10  室外太阳逆光实验现场图

    Figure 10.  Outdoor sun backlight experimental site

    图 11  室外太阳背景下不同探测器得到的图像。(a)可见光工业相机;(b)偏振低照度相机

    Figure 11.  Images captured by (a) visible light industrial cameras and (b) polarized low illumination cameras under outdoor sun background

    表  1  定标实验结果

    Table  1.   Results of calibration experiments

    定标参数 参数数值
    积分球输出功率/mW 20.920
    激光输出功率/W 2.080
    偏振片消光比 0.517
    黑布吸收率 0.996
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    表  2  成像、照明系统的主要技术参数

    Table  2.   Main technical parameters of imaging and lighting systems

    系统 指标 参数
    可见光偏振相机响应波段/μm$0.3 \sim 0.7 $
    镜头焦距/mm15
    光圈数2.8
    靶面分辨率$2\;464 \times 2\;056$
    像元尺寸/μm3.45
    灵敏度/lx0.01
    白光激光器输出波段/μm$0.3 \sim 0.7$
    电功率/W$\geqslant10$
    束散角/(°)$ 3 \sim 11$
    输出流明值/lm$ \geqslant 230$
    输出光功率/W2
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    表  3  强光背景下不同目标的实验结果

    Table  3.   Experimental results of different targets under strong background light

    目标 图像对比度
    非偏图像 线偏振度图像
    金色聚酰亚胺薄膜 0.36 0.65
    铝板 0.45 0.80
    太阳能电池板 0.24 0.48
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    表  5  室外强光背景下不同探测模式的实验结果

    Table  5.   Experimental results of different detection modes under strong outdoor light background

    目标图像对比度
    非偏图像偏振图像
    无人机0.030.24
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    表  4  成像系统主要技术参数

    Table  4.   Main technical parameters of imaging system

    相机类型 指标 参数
    可见光工业相机 响应波段/μm $0.3 \sim 0.7$
    镜头焦距/mm 25
    光圈数 16
    靶面分辨率 $2\;046 \times 2\;046 $
    像元尺寸/μm 5.5
    灵敏度/lx 0.01
    低照度相机 响应波段/μm $0.3 \sim 0.7$
    镜头焦距/mm 25
    光圈数 16
    靶面分辨率 $1\;920 \times 1\;080$
    像元尺寸/μm 12
    灵敏度/lx 10−4
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  • [1] 徐淼, 史浩东, 王超, 等. 空间目标多维度探测与激光通信一体化技术研究[J]. 中国激光,2021,48(12):1206002. doi: 10.3788/CJL202148.1206002

    XU M, SHI H D, WANG CH, et al. Technology for integrating space object multidimensional detection and laser communication[J]. Chinese Journal of Lasers, 2021, 48(12): 1206002. (in Chinese). doi: 10.3788/CJL202148.1206002
    [2] 付强, 史浩东, 王超, 等. 天基空间碎片光电探测新技术研究[J]. 空间碎片研究,2020,20(4):49-55.

    FU Q, SHI H D, WANG CH, et al. Research on new technology of photoelectric detection for space-based space debris[J]. Space Debris Research, 2020, 20(4): 49-55. (in Chinese).
    [3] 张海峰, 张忠萍, 秦思, 等. 激光主动照亮地影中空间目标实验研究[J]. 中国激光,2014,41(S1):s108003.

    ZHANG H F, ZHANG ZH P, QIN S, et al. Experimental study on laser active illumination to space targets within the shadow of earth[J]. Chinese Journal of Lasers, 2014, 41(S1): s108003. (in Chinese).
    [4] LI H SH. Research on space target detection ability calculation method and spectral filtering technology in sky-screen's photoelectric system[J]. Microwave and Optical Technology Letters, 2016, 58(5): 1035-1041. doi: 10.1002/mop.29723
    [5] 鲁梅, 陈忠碧. 基于梯度特征的弱小目标检测[J]. 激光与红外,2022,52(1):129-135.

    LU M, CHEN ZH B. Dim target detection based on gradient feature[J]. Laser & Infrared, 2022, 52(1): 129-135. (in Chinese).
    [6] 李岩松, 赵慧洁, 李娜, 等. 基于中红外偏振的海面太阳耀光背景下的目标探测[J]. 中国激光,2022,49(19):1910004. doi: 10.3788/CJL202249.1910004

    LI Y S, ZHAO H J, LI N, et al. Detection of marine targets covered in sun glint based on mid-infrared polarization[J]. Chinese Journal of Lasers, 2022, 49(19): 1910004. (in Chinese). doi: 10.3788/CJL202249.1910004
    [7] 郭庭, 张彬, 顾乃庭, 等. 偏振哈特曼波前探测技术研究[J]. 光电工程,2021,48(7):210076.

    GUO T, ZHANG B, GU N T, et al. Research on polarization hartmann wavefront detection technology[J]. Opto-Electronic Engineering, 2021, 48(7): 210076. (in Chinese).
    [8] 于洁, 巩蕾, 王海斌, 等. 伪装涂层红外偏振模型优化及辐射特性研究[J]. 中国激光,2023,50(13):1304007. doi: 10.3788/CJL221016

    YU J, GONG L, WANG H B, et al. Optimization of infrared polarization model and study of radiation characteristics of camouflaged coatings[J]. Chinese Journal of Lasers, 2023, 50(13): 1304007. (in Chinese). doi: 10.3788/CJL221016
    [9] 柳祎, 史浩东, 姜会林, 等. 粗糙目标表面红外偏振特性研究[J]. 中国光学,2020,13(3):459-471.

    LIU Y, SHI H D, JIANG H L, et al. Infrared polarization properties of targets with rough surface[J]. Chinese Optics, 2020, 13(3): 459-471. (in Chinese).
    [10] 高明, 宋冲, 巩蕾. 基于偏振双向反射分布函数的粗糙面光散射偏振特性研究[J]. 中国激光,2013,40(12):1213002. doi: 10.3788/CJL201340.1213002

    GAO M, SONG CH, GONG L. Analysis of polarization characteristics about rough surface light scattering based on polarized bidirectional reflectance distribution function[J]. Chinese Journal of Lasers, 2013, 40(12): 1213002. (in Chinese). doi: 10.3788/CJL201340.1213002
    [11] 凌军, 张拴勤, 吴坚业, 等. 伪装涂层激光反射特性检测与实验研究[J]. 中国激光,2012,39(3):0308005. doi: 10.3788/CJL201239.0308005

    LING J, ZHANG SH Q, WU J Y, et al. Measurement and experimental study of laser reflectance characteristics of camouflage coat[J]. Chinese Journal of Lasers, 2012, 39(3): 0308005. (in Chinese). doi: 10.3788/CJL201239.0308005
    [12] 陆君, 李季波. 常见自然地物对1.06 μm激光反射特性研究[J]. 光电技术应用,2015,30(5):71-73.

    LU J, LI J B. Research on 1.06 μm laser reflectance characteristic for common natural features[J]. Electro-Optic Technology Application, 2015, 30(5): 71-73. (in Chinese).
    [13] 赵若曼, 陈少捷, 张川. 空间目标激光雷达散射波实验室模拟技术[J]. 激光杂志,2021,42(3):91-95.

    ZHAO R M, CHEN SH J, ZHANG CH. Laboratory simulation technology of Lidar scattering wave of space target[J]. Laser Journal, 2021, 42(3): 91-95. (in Chinese).
    [14] 汪杰君, 王鹏, 王方原, 等. 材料表面偏振双向反射分布函数模型修正[J]. 光子学报,2019,48(1):0126001. doi: 10.3788/gzxb20194801.0126001

    WANG J J, WANG P, WANG F Y, et al. Modified model of polarized bidirectional reflectance distribution function on material surface[J]. Acta Photonica Sinica, 2019, 48(1): 0126001. (in Chinese). doi: 10.3788/gzxb20194801.0126001
    [15] 张卫国. 海面太阳耀光背景下的偏振探测技术[J]. 中国光学,2018,11(2):231-236. doi: 10.3788/co.20181102.0231

    ZHANG W G. Application of polarization detection technology under the background of sun flare on sea surface[J]. Chinese Optics, 2018, 11(2): 231-236. (in Chinese). doi: 10.3788/co.20181102.0231
    [16] 王新涛, 郑建华, 李明涛. 小行星天基光学监测信噪比分析[J]. 光学 精密工程,2021,29(12):2763-2773. doi: 10.37188/OPE.20212912.2763

    WANG X T, ZHENG J H, LI M T. Analysis of signal-to-noise ratio for space-based optical surveillance of asteroids[J]. Optics and Precision Engineering, 2021, 29(12): 2763-2773. (in Chinese). doi: 10.37188/OPE.20212912.2763
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-08-30
  • 修回日期:  2023-09-12
  • 网络出版日期:  2023-12-08

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