一种偏振成像系统逐点标定方法技术方案

本发明专利技术涉及一种偏振成像系统逐点标定方法，属于偏振成像技术领域。本发明专利技术通过偏振成像系统采集多组4通道偏振图像，应用大视场轴外斜光束入射偏振成像理论计算出边缘视场出射光的强度和中心视场强度之比，根据中心视场的线偏振光归一化的斯托克斯矢量得到边缘视场线偏振光的斯托克斯矢量，再根据仪器矩阵、斯托克斯矢量和通道强度的关系求得每组4通道图像的逐点仪器矩阵，最后应用最小二乘法求得标定的逐点仪器矩阵。本发明专利技术应用逐点仪器矩阵标定的偏振成像系统解算的偏振度和偏振角信息比分区仪器矩阵标定的系统计算的信息更加准确和接近理论值。因此解决了传统标定方法精度不足的问题，减小偏振成像系统的探测误差，提高偏振成像检测的精度。

A Point-by-Point Calibration Method for Polarization Imaging System

The invention relates to a point-by-point calibration method for a polarization imaging system, belonging to the technical field of polarization imaging. The invention collects multiple sets of 4-channel polarized images by polarization imaging system, calculates the ratio of the intensity of the exit light from the edge field of view to the intensity of the central field of view by using the theory of large field of view oblique beam incident polarization imaging, obtains the Stokes vector of the linearly polarized light from the central field of view according to the normalized Stokes vector of the linearly polarized light from the central field of view, and then obtains the Stokes vector of the linearly polarized light from the edge field of view according to the The point-by-point instrument matrix of each group of 4-channel images is obtained by the relationship between channel strength and instrument matrix. Finally, the calibrated point-by-point instrument matrix is obtained by the least square method. The polarization degree and polarization angle information calculated by the polarization imaging system calibrated by the point-by-point instrument matrix is more accurate and close to the theoretical value than that calculated by the system calibrated by the partition instrument matrix. Therefore, the problem of inadequate accuracy of traditional calibration methods is solved, the detection error of polarization imaging system is reduced, and the detection accuracy of polarization imaging is improved.

【技术实现步骤摘要】
一种偏振成像系统逐点标定方法
本专利技术涉及一种偏振成像系统逐点标定方法，特别涉及一种基于大视场轴外斜光束入射偏振成像理论的偏振成像系统逐点标定方法，属于偏振成像

技术介绍
偏振是电磁波的矢量特性，它提供独立于强度与光谱的信息。与物质相互作用时电磁辐射的偏振态会发生改变，偏振遥感通过测量该变化实现目标特性的反演。相比于传统遥感，偏振遥感获取的信息量得到增加，在目标探测和分类、水面波纹测量和空间遥感探测等领域具有重要价值。偏振成像技术利用光电成像器件获取景物辐射或反射信息进行成像，不仅可获得景物的光强度分布，而且能够获得景物偏振度(Dolp)、偏振角(Aop)等信息，增加目标探测和场景理解的可用信息。根据获取偏振图像的方式，偏振成像系统大致分为分时和同时成像两类。相对于分时偏振成像装置，同时偏振成像在同一时刻获得目标的多幅不同偏振态图像，探测速度快，可用于动态场景的偏振探测。然而，同时偏振成像系统往往较复杂，边缘视场可能存在渐晕效应，且系统内部光学元件制造工艺缺陷等因素会使系统的实际仪器矩阵偏离理论仪器矩阵，从而严重影响系统的探测精度，因此，需要对系统的仪器矩阵进行标定，以消除或降低这些因素的影响。但实测表明，由于成像视场边缘存在渐晕等影响，使用单一仪器矩阵来描述整幅图像仍存在一定的误差，为此，温仁杰等研究了SIP-DSWP系统的仪器矩阵分区标定方法(温仁杰,鲁啸天,金伟其,等.基于SIP-DSWP系统的透明玻璃面倾角分区标定偏振测量方法[J].红外技术,2017,39(9):807-813)，对玻璃平板倾角的非接触偏振检测实验表明：分区仪器矩阵方法较平均仪器矩阵具有更好的检测精度，但还是难以满足高精度的需求。我们对大视场轴外斜光束入射偏振成像系统理论研究发现(LuX,JinW,LiL,etal.Theoryandanalysisofalargefieldpolarizationimagingsystemwithobliquelyincidentlight[J].Opticsexpress,2018,26(3):2495-2508)，偏振成像像面上距离光学中心相同距离的点所接收的偏振光强度仍存在有规律的差异，且成像视场越大影响更明显，这样对于需要根据偏振成像信息进行逐点解析的应用，分区仪器矩阵的方法依然存在校正精度不足的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有标定方法精度不高，无法满足使用需求的问题，提供一种偏振成像系统逐点标定方法；该方法是基于大视场轴外斜光束入射偏振成像理论的偏振成像系统逐点标定方法。目的是解决传统标定方法精度不足的问题，减小偏振成像系统的探测误差，提高偏振成像检测的精度。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。一种偏振成像系统逐点标定方法，包括如下步骤；步骤1、偏振角可调的线偏振光入射待标定四通道偏振成像系统，系统采集n组(n大于等于通道数量)不同偏振角的呈矩阵分布的多个像素组成的四通道偏振图像，即每个通道得到n幅图像。步骤2、以成像面中心为原点建立像面坐标系oxyz，由于系统的像面上不同像素接收到的光具有不同入射角，像面上任意点A，在像面坐标系中的坐标为(x，y)，因此可得其中θ为入射光方向和偏振片光轴夹角，f为系统焦距，d为相邻像素间距。步骤3、ψ’为偏振片透光轴与参考坐标系y轴的夹角，则得到其中ψ为入射光振动方向与偏振片透光方向夹角。步骤4、基于轴外斜光束入射偏振成像理论，即无偏自然光经过偏振片后变成偏振光，但是边缘视场与中心视场出射光的强度并不一致，自然光斜入射偏振片，边缘视场出射光的强度与中心视场强度之比为：ρN＝1-sin2θsin2ψ(3)步骤5、系统像面的中心视场的线偏振光归一化的斯托克斯矢量表示为S1＝[1，cos2ψ’，sin2ψ’，0]T，那么边缘视场线偏振光的斯托克斯矢量表示为S2＝(1-sin2θsin2ψ)[1，cos2ψ’，sin2ψ’，0]T。步骤6、通过步骤一拍摄的每幅图像的灰度和辐射强度的关系，得到每个通道接收的辐射强度。根据下式：其中In(1)、In(2)、In(3)和In(4)为第n组4个通道探测器接收的辐射强度，S2为考虑边缘视场的入射线偏振光的斯托克斯矢量，可得到M(n)ins，最后通过最小二乘法可求得图像中每个像素点的仪器矩阵Mins，其中仪器矩阵第4列M14＝[0,0,0,0]T，即实现逐点标定：有益效果首次提出基于大视场轴外斜光束入射偏振成像理论的偏振成像系统逐点标定方法。本专利技术考虑大视场轴外斜光束入射偏振成像理论，采用逐点方法标定偏振成像系统的仪器矩阵。本专利技术较已有标定方法可以提高对偏振成像系统的标定精度，解决已有仪器矩阵校正精度不足的问题，能够更准确地重构出目标场景的偏振度、偏振角和入射角信息，提高对透明面的检测精度，为后续偏振成像方法的研究和定量检测应用奠定了理论基础。附图说明图1是本专利技术的流程步骤图本；图2边缘视场像面成像关系；图3a为偏振片坐标系与光波坐标系关系，b为oξη平面内光波矢量的分解；图4是双分离渥拉斯顿棱镜同时偏振成像系统原理图；图5是标定实验原理图和实物图；图6是偏振片光谱透过率曲线以及相机灰度级与照度的关系图。具体实施方式为使本专利技术的技术方案更加清楚明白，下面结合实例对本专利技术做进一步的详细说明。本专利技术的方法主要流程为，采集n组不同偏振角的呈矩阵分布的多个像素组成的四通道偏振图像，考虑到轴外斜光束入射偏振成像理论，当自然光斜入射偏振片，得到边缘视场出射光的强度与中心视场强度之比，进一步得到边缘视场线偏振光的斯托克斯矢量，最后通过最小二乘法求得偏振成像系统仪器矩阵。具体步骤如下：实施例1以双分离渥拉斯顿棱镜同时偏振成像系统(SimultaneousImagePolarimetrywithDoubleSeparateWallastonPrimes)仪器矩阵标定为例，该系统的原理图如图4所示，实验原理如图5所示，以积分球+旋转偏振片为偏振态可控的线偏振光源，偏振片光谱透过率曲线和相机灰度级与照度的关系分别如图6(a)和6(b)所示。本实例采集了偏振角从0°到350°每隔10°一组共36组呈矩阵分布的多个像素组成的四通道偏振图像，图像分辨率为640*512。本实例的具体实现步骤如下：步骤1、采集36组四通道偏振图像，并进行图像的分割配准；步骤2、根据图2的几何关系，求得不同坐标像素点所对应的入射光方向和偏振片光轴夹角θ，其中焦距f＝50mm，d＝5.3μm。步骤3、每组四通道图像具有不同的偏振角，根据图2的几何关系，可得到ψ’，进而根据公式tanψ＝|(ytanψ’+x)/(xtanψ’-y)|可以计算出ψ。步骤4、利用步骤2、3得到的θ和ψ以及公式ρN＝1-sin2θsin2ψ，求得边缘视场出射光的强度与中心视场强度之比ρN。步骤5、根据前面的结果，边缘视场每个像素点入射线偏振光的斯托克斯矢量可表示为S2＝(1-sin2θsin2ψ)[1，cos2ψ’，sin2ψ’，0]T。步骤6、最后通过计算仪器矩阵的公式和最小二乘法可求得图像中每个像素点的仪器矩阵Mins，其中仪器矩阵第4列M14＝[0,0,0,0]T。最后应用双分离渥拉斯顿棱镜同时偏振成像系统分别在传统的分区仪器矩阵和标定得到的逐点仪器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种偏振成像系统逐点标定方法，其特征在于：包括如下步骤；步骤1、偏振角可调的线偏振光入射待标定四通道偏振成像系统，系统采集n组不同偏振角的呈矩阵分布的多个像素组成的四通道偏振图像，即每个通道得到n幅图像；所述n大于等于通道数量；步骤2、以成像面中心为原点建立像面坐标系oxyz，由于系统的像面上不同像素接收到的光具有不同入射角，像面上任意点A，在像面坐标系中的坐标为(x，y)，因此可得

【技术特征摘要】
1.一种偏振成像系统逐点标定方法，其特征在于：包括如下步骤；步骤1、偏振角可调的线偏振光入射待标定四通道偏振成像系统，系统采集n组不同偏振角的呈矩阵分布的多个像素组成的四通道偏振图像，即每个通道得到n幅图像；所述n大于等于通道数量；步骤2、以成像面中心为原点建立像面坐标系oxyz，由于系统的像面上不同像素接收到的光具有不同入射角，像面上任意点A，在像面坐标系中的坐标为(x，y)，因此可得其中θ为入射光方向和偏振片光轴夹角，f为系统焦距，d为相邻像素间距；步骤3、ψ’为偏振片透光轴与参考坐标系y轴的夹角，则得到其中ψ为入射光振动方向与偏振片透光方向夹角；步骤4、基于轴外斜光束入射偏振成像理论，即无偏自然光经过偏振片后变成偏振光，但是边缘视场与中心视场出射光的强度并不一致，自然光斜入...

【专利技术属性】
技术研发人员：金伟其，鲁啸天，王霞，杨洁，裘溯，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11