散射光场中偏振信息解译及成像

第1章绪论 偏振是光波不同于强度、相位、光谱的另一维属性。一切物体都具有由其表面特性决定的偏振调制特性，也称偏振特性。偏振成像 （polarization imaging）技术是指由多幅偏振子图像重建出一幅可以表现出特定信息的图像 [1]。该技术可以突破现有成像器件的限制，将由散射介质的影响造成的模糊部分去除掉，以达到增加成像距离，优化成像质量的效果，利用偏振带来的额外信息还可以达到识别真假目标以及遮蔽目标的目的。偏振成像技术在水下成像、透大气雾霾成像、三维成像等领域都有至关重要的作用，推动着成像系统的发展和完善。自提出至今，偏振成像已形成了许多理论，并发展出诸多行之有效的算法。 1.1光场的偏振特性 光在传播过程中，往往会受到传播介质中存在的种类不同、大小不同、形态各异的粒子散射影响。这些影响使光的传播方向改变，探测器接收到的目标信息也随之减少，因此通过散射介质后的图像对比度、信噪比降低，分辨率变差。在大气中，这些散射介质包括大气分子、气溶胶粒子、云滴、冰晶、尘土、碳氢化合物、硝酸、炭黑等；在水中，有病毒、胶体、细菌、浮游生物、有机碎屑、砂石黏土、矿物质、金属氧化物等。从水中到空气中，散射粒子无处不在，使人眼和各种探测器难以获取清晰的视觉效果和成像结果。研究光在介质中的传播特性，探明光波在介质表面的折反射特性，深入分析介质中光的散射过程，建立散射光场体系，可为进一步构建完善的水下成像、透大气雾霾成像、三维成像体系提供帮助。 首先探究粒子影响，根据散射粒子大小，散射情况一般遵从瑞利散射或米氏散射理论。瑞利散射理论认为光波在连续介质中传播时，介质中包含的粒子形状为球形且分布是随机的，当粒子远小于光波波长时，发生瑞利散射，瑞利散射光强度与入射光波长的四次方成反比。米氏散射理论中同样把粒子视为规则的球体，但要求粒子尺寸与入射光波长相当，米氏散射的散射强度高于瑞利散射，其散射光强度与光波波长有关，但变化整体较为平缓，较大尺寸的粒子散射光较强，且多为前向散射。在将米氏散射理论应用于不同大小的粒子时，粒子尺寸较小时，*终的计算结果与瑞利散射相同；当粒子尺寸较大时，获得的计算结果与几何光学相同，因此米氏散射理论其实是在某个特定尺度范围内成立的。 散射过程可分为两部分：单次散射和多次散射。进行单次散射的定义前首先需要了解粒子的独立散射：假定散射粒子之间具有足够大的间距，每个粒子的散射不受其他粒子的影响。通常认为，粒子间距大于等于三倍粒子直径时即能够满足独立散射的假设。一般情况下，大气中的气体分子和气溶胶粒子之间的距离以及清澈水体中的水分子和有机分子之间距离都满足该条件。单次散射指的是可以忽略二次及更高次散射的粒子散射过程，能够实现简单的数学处理。首先通过米氏散射理论计算单次散射，然后通过传输方程或其他方法求解多次散射。 此时基本的散射光场理论体系便已建立，随着应用场景不同，针对不同粒子，不同散射过程的散射光场逐渐建立，*终能够构建为完善的散射体系。但无论哪种散射场景，随着粒子数量的增加或者传输距离的增大，光在传输过程中的散射次数都将急剧增加，成像质量随之降低，*终会导致噪声淹没信号，完全无法获取目标信息。以上研究都是基于光强这一个维度而展开的，为提升成像效果，恢复被淹没的信息，需从其他维度物理量获取隐藏信息。 偏振能够有效去除杂散光，获取光强以外的目标信息。如图1.1所示，在光波散射过程中，随着散射距离的增加，粒子散射次数增多，在一般散射区开始目标便已不易辨别，在随机游走区更是形成散斑，强度图像中物体已完全被淹没于散射光中，无法判断场景中是否存在目标。而在偏振图像中，目标位置、轮廓乃至细节仍可辨认，甚至到达强散射区域还能辨认图像中存在目标。在海洋资源探测、生物医学研究、军事应用等应用中，无法寻找场景中的目标对整个探测任务的影响是极大的。因此在散射光场中，尤其是远距离或混沌介质中，目标的探测应引入偏振域，从散射介质和目标本身的偏振特性开始研究，探究两者之间的关联与不同，从而有效将二者分离，实现透散射介质的清晰成像。对于随机游走区，散射光场的非均匀分布特征加剧，难以分割出均匀的散射介质，且在偏振域中目标与背景也无法辨别提取，因此，超远距离成像或超高混沌介质成像具有一定困难，这极大地限制了偏振在很多场景下的应用。如在水下救援中，水体的散射作用导致视觉效果差、可视距离短，搜救工作无法有效开展；在水下养殖中，由于养殖水域通常富含有机物等悬浮颗粒，散射程度强，无法对水产品进行准确的生长状态监控；在浓雾重霾天出行时，无法有效探测前方障碍物，难以及时规避行人、动物和对面来车；在火灾现场，无法透过烟尘判断是否存在幸存者；此外，在遥感测绘、水下考古、水下工程检修等领域，同样面临散射降低成像距离带来的挑战。但是，已有研究表明，光学的统计特性可与偏振特性结合，利用偏振散射场的分块处理思想可以构建非均匀背景偏振特性的估算模型，解决散射介质分布不均的情况，对于目标则可使用泊松分布构建估算模型，以准确估算目标信息光偏振特性，从而解决随机游走区的成像难题，实现散射介质全链路清晰化成像。 目前，偏振成像的研究方向主要集中在以下几处：①研究更高分辨率、更高精度、更高信噪比且工作稳定的偏振仪器；②在更广泛的测试条件下研究不同目标的偏振特性，对其进行分析，了解偏振特性随不同影响因素的变化规律；③研究保证同一目标偏振探测的光谱、空间、时间等要素具有高度的同一性 [2-3]。但是目标偏振特性和二向散射分布的复杂性，使得目标散射光偏振特性的研究工作量非常大，在实验研究的同时，还需要在理论模拟上有所突破。在探索克服这些问题的基础上，为了更好地得到物体的成像信息，偏振成像技术，多光谱、多角度偏振成像技术，以及偏振定标系统的投入使用，将为光学偏振成像系统提供几何信息、辐射信息和偏振定标，确保取得高精度、定量化的多角度、多光谱偏振遥感数据。 1.2光场偏振成像的研究意义 偏振成像技术是光学领域的一项新技术，它是在实时获取目标偏振信息的基础上利用所得到的信息进行目标重构增强的过程，能够提供更多维度的目标信息，是一项具有巨大应用价值的前沿技术，特别适合于隐身、伪装、虚假目标的探测识别，在雾霾、烟尘等恶劣环境下能提高光电探测装备的目标探测识别能力。 目标的偏振特性决定了偏振成像探测具有强度成像无法比拟的优势 [4]：①基于人造目标与自然背景偏振特性差异明显的特性，偏振成像在从复杂背景中显现人造目标方面有独*优势；②基于偏振独立于强度和光谱的光学信息维度的特性，偏振成像具有在隐藏、伪装、隐身、暗弱目标发现方面的优势；③基于偏振信息具有在散射介质中特性保持能力比强度散射更强的特性，偏振成像具有可增加雾霾、烟尘中的作用距离的优势。 偏振是光的固有特性，偏振探测把光传感器可得到的信息量从传统的三维空间（光强、相位和光谱 ）扩展为七维空间 （光强、光谱、相位、偏振度、偏振方位角、偏振椭圆度和偏振旋向 ）[5]，如图 1.2所示，有助于提高目标对比度，减小杂散光干扰，提供目标表面的三维信息、表面粗糙度信息以及材质信息，能够把目标从非常复杂的背景中分离出来。因此，偏振探测的应用领域非常广阔，在云与大气气溶胶的探测、地质勘探、土壤分析、环境监测、资源调查、农作物估产、海洋开发利用、灾害估计、农林牧业发展、军事侦察应用、天体探测、生物医药等领域都有重要的应用价值。下面将从几个方面具体介绍研究散射光场中偏振信息的意义。 1.2.1透大气雾霾成像 作为大气的重要组成部分，云与气溶胶在空中的分布、种类、高度与粒子尺寸分布等会对大气环境、气候辐射和光在大气中的传输等有重要影响。在经过大气传输后，由于气溶胶粒子的散射和地表的反射作用，光会改变自身的偏振态。若要对大气光学传输特性进行反演，对散射光场的偏振特性进行研究就必不可少[6-7]。 偏振探测能对云与气溶胶的内部物理状态，如卷云存在与否、冰晶粒子的优势方向、气溶胶粒子的尺寸与分布等进行有效分析。这些应用不仅是很好的气象工具，也极有可能发展成为一种有效的大气污染监控方法。同时，偏振信息能区分冰云和水云，有助于研究高空运载火箭的飞行影响及气象因素。因此，偏振测量云物理和大气的辐射传输对大气科学的发展有重要的意义。 大气是户外光电成像系统的主要传输媒介，而在雾霾等恶劣天气下，大气中的散射粒子与光波互相作用，发生散射，使成像系统的清晰度、像质等指标大幅下降（图 1.3），目标被混沌介质所覆盖，对比度和能见度降低，这会导致光电成像系统无法正常工作，严重降低图像的可读性以及信息提取的准确性。 由于场景中目标在传输过程中遇混沌介质发生散射，所携带的能量未能被系统探测，目标场景的大量信息被淹没在背景散射中。在雾霾天气条件下，可以利用散射光场中获取的偏振信息来去除雾霾对图像质量的影响，且可利用散射光对空间场景进行相对距离估计。围绕光的偏振信息，可以通过偏振成像系统获取场景图像，并结合光的偏振特性及图像的频谱分析，设计多尺度偏振成像透雾霾算法，复原清晰场景；基于偏振成像获取偏振方位角的实时性，可以设计场景深度信息获取模型，估计场景中物体的相对距离信息 [8]。因此，综合考虑光波的传输特性，建立新的物理成像模型 （图 1.4），提取经混沌介质散射后光波所携带的信息，可有效抑制混沌介质造成的信息丢失，获得清晰图像。 1.2.2水下成像 水下光学成像在海洋资源探测、水下考古、军事侦察以及海洋搜救等诸多方面都有着重要而实际的应用价值。水下成像的研究大多都是利用光强度成像，还有的采用距离选通技术，绝大多数成像系统都是通过检测图像在空域的影射强度来达到获取目标信息的目的，较少考虑散射介质对目标成像所起的干扰作用。而恰恰是这些由于散射介质而产生的散射光对目标的成像产生了比较大的损害。水下环境复杂多变，难以预测，一方面，光波在水体中传输时，由于水体混沌介质的吸收和散射，目标光不能理想成像，造成水下成像模糊；另一方面，环境背景光经水中混沌介质散射形成的杂散光会与目标光叠加，造成图像对比度降低。 在水下成像应用中，根据悬浮粒子后向散射光的解偏振度小于物体后向散射光的解偏振度原理，采用线偏振光或圆偏振光作照明光源，在探测器前放置线偏振片或圆偏振片 （图 1.5），并利用水中粒子散射光和物体散射光解偏振度的差异，来减小悬浮微粒后向光散射光影响，可以提高水下物体的图像对比度 [9]。 水下偏振光学成像技术经过长期的不断发展，利用目标光与背景光偏振特性的差异，在提升水下图像对比度、视距增强方面具有独*的优势 [10-11]。而实现水下偏振光学成像的基础为光波及光波偏振特性在水下传播过程中的变化规律。因此，研究水体的光学特性和水下散射光场中的偏振特性，为利用光波偏振特性实现水下成像、提高成像质量提供了理论依据。对偏振信息进行解译，从而实现提高水下成像效果的方法具有成本低、算法简单、处理速度快、不需要先验信息等优点，同时在水下成像中该成像方式还可以利用光波的多维物理量获取场景的深度信息。偏振水下成像技术以其独*的优势以及高效的成像质量在众多成像算法中脱颖而出，不难看出，对水下散射光场中偏振信息的研究具有十分重要的现实意义。 1.2.3三维成像 三维成像技术能够提供二维图像无法获取的深度信息，在信息化时代扮演着重要的角色。如在医疗领域，三维成像技术可以提供患者患处直观立体的信息，为医生听诊问诊提供方便，提高诊治效率；在电商行业，三维成像技术能够提供物品的三维数据，结合全息技术可以让消费者在互联网上不经实地查看就可以获得直观的体验，清晰地了解商品；在军事领域，利用三维成像可以建立作战地区的三维立体场景模型，为指挥员提供更加全面、直观的战场信息。随着计算机计算能力的快速发展以及手机、互联网的普及，三维成像技术也在众多领域改变着人们的生产生活方式。 传统的光电成像既是信息获