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强光背景下主动偏振成像方法研究

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研究[J]. 中国光学(中英文). 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研究[J]. 中国光学(中英文). 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. A study of active polarization imaging method under strong light background[J]. Chinese Optics. 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. A study of active polarization imaging method under strong light background[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2023-0151

强光背景下主动偏振成像方法研究

doi: 10.37188/CO.2023-0151
基金项目: 吉林省科技厅基金自然科学基金(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,硕士生导师,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

    许家伟(1997—),男,辽宁朝阳人,硕士研究生,2021年于沈阳理工大学获得学士学位,主要从事偏振探测技术方面的研究。E-mail:xjw759785402@163.com

  • 中图分类号: O436.3

A study of active polarization imaging method under strong light background

Funds: Supported by
More Information
  • 摘要:

    针对传统光电探测手段在强光背景下目标探测对比度低的问题,提出一种基于激光照明的主动偏振成像方法。通过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,分析三种典型目标材料偏振特性与束散角之间的耦合关系;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86.11%,不同束散角下不同目标材料的可见光偏振特性存在差异,金属材质相对于非金属材质线偏振度提升更高,实验结果与理论分析具有较好的一致性。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。本研究可为提升强光背景下目标精准感知能力奠定理论基础。

     

  • 图 1  辐射模型角度示意图

    Figure 1.  Radiation model angle schematic

    图 2  仿真分析结果(a)金色聚酰亚胺薄膜(b)铝板(c)太阳能电池板

    Figure 2.  Simulation analysis results of (a) gold polyimide film (b) aluminum plate and (c) solar panels

    图 3  实验原理图

    Figure 3.  Experimental schematic

    图 4  暗室积分球逆光实验现场图

    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 under backlight state: (a), (b) and (c) unpolarized images and (d), (e) and (f) polarized images

    图 6  不同目标在不同束散角下观测角${30}$°时偏振度分布特征(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 curve of linear polarization for different targets at 90° observation angle for (a) gold polyimide film, (b) aluminum plate and (c) solar panels

    图 8  铝板同一观测、入射角不同束散角光斑半径线偏振度变化曲线

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

    图 9  实验仿真对比图

    Figure 9.  The comparison chart of experimental and simulation results

    图 10  室外太阳逆光实验现场图

    Figure 10.  Outdoor sun backlight experimental setup

    图 11  室外太阳背景下不同探测器图像(a)、(b)、(c)可见光工业相机(d)、(e)、(f)偏振低照度相机

    Figure 11.  Different detector images under outdoor solar background: Visible light industrial cameras (a), (b) and (c) and polarized low illumination cameras (d), (e) and (f)

    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($\mu m$) $0.3 \sim 0.7 $
    镜头焦距(mm)

    15
    光圈数 2.8
    靶面分辨率 $2\;464 \times 2\;056$
    像元尺寸($\mu m$) 3.45
    灵敏度(Lx) 0.01
    白光激光器 输出波段($\mu m$) $0.3 \sim 0.7$
    电功率($W$) $\geqslant10$
    束散角(°) $ 3 \sim 11$
    输出流明值($Lm$) $ \geqslant 230$
    输出光功率($W$) 2
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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 in 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  4  成像系统主要技术参数

    Table  4.   Imaging system main technical parameters

    相机类型 指标 参数
    可见光工业相机 响应波段($\mu m$) $0.3 \sim 0.7$
    镜头焦距(mm) 25
    光圈数 16
    靶面分辨率 $2\;046 \times 2\;046 $
    像元尺寸($\mu m $) 5.5
    灵敏度(Lx) 0.01
    低照度相机 响应波段($\mu m$) $0.3 \sim 0.7$
    镜头焦距(mm) 25
    光圈数 16
    靶面分辨率 $1\;920 \times 1\;080$
    像元尺寸($\mu m$) 12
    灵敏度(Lx) 10−4
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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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  • 网络出版日期:  2023-12-08

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