2008年成人高考高起点数学理工类试题及答案.doc

第 10卷第 29期2010年 10月科学技术与工程V o l 10 N o 29 O ct 201016711815( 2010) 29- 7118- 05Sc ience T echnology and Eng ineer ing2010Sci T ech Engng物理学基于米勒矩阵的水下成像技术叶志杰柳逢春安鹏莉李代林*(中国石油大学物理科学与技术学院, 青岛 266555 )摘要探究在浑浊 介质中利用物体的米勒矩阵进行目标识别的技术。米勒矩阵的 16个矩阵元可以完整地描述物体的偏振信息, 基于各物体不同的偏振特性, 不同物体有不同的米勒矩阵。可以以物体退偏特性因子或其中一米 勒矩阵元作 为灰度值得到一幅图像, 利用图像的均值、标 准差、信息 熵和 方差 对图 像进 行评 价。实验 结 果表 明这 种方 法能 够较 大地 提高 成像质量。关键词米勒矩阵水下物体偏振特性因子中图法分类号O 436. 4;文献标志码A水下成像技术在很多方面都有重要的应用, 但可以用 stokes参量表示, 其定义如下 4:由于水体的强吸收与散射效应, 直接进行水下视频IS 0IX + IY成像会有很大噪声, 目标特征不明显。如何提高水下成像的清晰度是人们研究的重点。S =QU=S 1S 2=IX - IY2I45 - IX - IY( 1)传统方法是利用强光源获得物体的光强图像,VS 32Ir - IX - IY这样就忽略了目标与背景的偏振信息, 而物体的偏振特性与其材料、表面粗糙度和几何形状都有密切关系。通过搭建一个 可以获取物体偏 振图像的实式中 IX 、IY、I45 分别表示放置在光波传播 路径上一理想偏振片透光轴与参考方向成水平、垂直、45 方向上的线偏振光光强, Ir 表示右旋圆偏振光光强。验系统, 能够很好地抑制后向散色散射光13, 去除S 包含四个参 量, S 0 代表总 光强, S 1 代表 线偏杂乱背景光。通过获取的 16幅偏振图像计算出物体的米勒矩阵, 并以物体的米勒矩阵来获取其偏振特性因子图像。结果 证明这种方法能 够较好地获得目标物体的表面特征信息。1 原理振光水平或垂直的程度, S 2 代表线偏振光与水平成45 的程度, S 3 代表光束中圆偏振光的 左旋或右旋的程度。1. 2 米勒矩阵米勒矩阵 可以 完整 的描 述物 体的 偏振 特性。当一个物体的入射与反射光的 S tokes参量已知时便可以求得相对应的米勒矩阵。表示如下1. 1 光束 Stokes参量的测量s0M 11 M 12 M 13 M 14s0光波本身是一种矢量波, 而一束光的偏振信息sout =s1s2=M 21 M 22 M 23 M 24M 31 M 32 M 33 M 34s1s22010 年 7月 12日收到国家自然科学基金 ( 40704021)和山东省自然科学基金 ( Y2008A34)资助s3outM 41 M 42 M 43 M 44samp les3in第一作者简介: 叶志杰 ( 1989), 男, 安徽省合肥市 人, 中国石 油大( 2)学物理科学与技术学院学生, 研究方向: 水下偏振光成像。式 ( 2)中 M samp le表示物体的米勒矩阵, S in、S out表示对*通信作者简介: 李代林 ( 1973), 男, 山 东省济宁 人, 中国石 油大此物体入射光和反射光的 Stokes参量。学物理科学与技术学院副教授, 研究方向: 光学测井和光学检测。这里的米勒矩阵是相对于 M 11进行归一化的矩29期叶志杰, 等: 基于米勒矩阵的水下成像技术7119阵, 归一化之后 M 11必 是 1, 而其他矩阵元都是 - 1来计算 5。至 1的数。一个米勒矩阵可以通过 16幅偏振图像0. 5 IH + IV0. 5 IH - IVIP - M 11IR - M 11M samp le =0. 5 QH + QV0. 5 UH + UV0. 5 VH + VV0. 5 Q H - Q V0. 5 UH - UV0. 5 VH - VVQ P - M 21UP - M 31VP - M 41QR - M 21UR - M 31VR - M 41( 3)式 ( 3)中 I、Q、U、V代表经过测量计算的出射光束的四个 Stokes参量, H、V、P、R 代 表水平线偏振光、垂直线偏振光、45 线偏振光和右旋圆偏振光等入射光偏振态。米勒矩阵共有 16个矩阵元, 其中可以确定 M 11表征物体对光的传输、散射、反射能力, M 12、 13、 14表征物体对入射光的衰减能力, M 44表征物体对入射光相位的延迟能, M 21、M 31、M 41表征物体改变入射光的偏振态的能力, 剩下的 8个矩阵元只表征物体对入射光的相位延迟与退偏能力。1. 3 米勒矩阵的分解由于浑浊介质的强散射性和强吸收性, 普通的物体光强图像将丢失大量的表面信息, 其可视效果比较差。但是物体表 面的偏振特性并 不会因此而丢失, 用米勒矩阵所恢复的偏振特性图像将更好地反应物体的表面特性。利用四种不同入射偏振光下所获得的 16幅图像计算出物体各像素点 所对应的米勒 矩阵。可以利环境的影响, 相对普通的偏振图像将有更好的可视效果。2 实验2. 1 实验设计实验系统如图 1所示, 主要功能是获得四种入射偏振光: 水平线偏振光、垂直线偏振光、45 线偏振光、右旋圆偏振光和获取 16幅偏振图像。将米勒矩阵分解为三个子矩阵 6, 7 图 1 实验装置图M = M D M R M( 4)式 ( 4)中 M D 是物体的延迟矩阵, M R 是物体的衰减矩阵, M 是物体的退偏 矩阵。通过这 三个子矩阵就可以有效地描述物体的偏振特性。从物体的退偏矩 阵中可以得到描 述物体退偏整个装置包括光源、起偏系统、检偏系统、水槽(目标物体置于水槽中 )、探测器等; 其中 起偏系统和检偏系统分别由偏振片和 1 /4波片组成。光源采用高亮度的 LED 灯, 探测器包含 CCD 和成像镜头特性的参量: 退偏特性因子。两部分。光源发出一普通自然光, 通过起偏系统可= 1-tr M3( 5)获得任意形式的 偏振光。之后 偏振光入射到 处于浑浊介质中的样 品上并被样品反 射。物体反 射光用米勒矩阵元或退偏特 性因子作为灰度值通过检偏系统后被探测器探测到, 从而得到物体的来恢复图像就可以完整地反映物体的 表面偏振特偏振图像。性 8, 9, 这些偏振特性图像可以 有效地消除水下不M M7120科学技术与工程10卷2. 2 实验过程和结果实验装置如图 1所示, 实验中采用反射率较好的一角硬币作为目标物体, 水体为 2 400 mL的清水兑 4. 5 mL的牛奶溶液。由于牛奶溶液具有高散射与吸收的特点, 且容 易获得, 可 作为较理想的 实验水体。光束从光源射出, 调节起偏系统的偏振片、1 /4波片与水平轴的角度, 可得到 0 至 180 的线偏光和圆偏振光。图 3 米勒矩阵元图像测量目标物体的米勒矩阵时, 入射光分别调节为 0 、90 、45 的线偏振光和右旋圆偏振光, 对应每种入射光调整检偏系统为四种状态: 0 、90 、45 的线偏振和右旋圆偏振。这样就可以得到目标的 16幅偏振图像。根据这 16幅图像并依 Stokes参量测图 2 拍摄所获偏振图像29期叶志杰, 等: 基于米勒矩阵的水下成像技术7121量方法可 测 得四 种 不同 入 射光 下 物体 反 射 光的S tokes参量。由式 ( 3)来推导出物体的米勒矩阵。在上述方法下获得的 16幅偏振图像如图 2所示 (H、V、P、R分别代表起偏系统和检偏系统处于水平偏振、垂直偏振、45 线偏振、右旋圆偏振状态, 如HR表示入射光为水平偏振光, 检偏系统为右旋圆偏振状态 )。在这里我们利用 MATLAB 软 件平台编制了一套程序来以所获得的 16 幅图像为基础计算物体的米勒矩阵 (根据式 ( 3) ), 并分解米勒矩阵利用退偏特性因子去恢复图像。在程序中, 将图像先转变为灰度图像以进行各幅图像间的计算。图 3是以物体的每个像素点所对应的米勒矩阵元作为灰度值所得图像, 图 4是以物体每个像素点图 5 普通光强图像与偏振图像信息熵和标准差比较图 5是比较普通光强与所恢复偏振特性图像的信息所对应的退偏特性因子作为灰度值所得图像。熵和标准差的函数图 (图像类别的序号从 1至 16分别代表 HH、VV、PV、PR、RH、RP、RR、退偏特性因子图像、 22、 24、 31、 32、 33、 34、 41、 44图像, 折线一表示归一化信息熵的比较, 折线二表示归一化标准差的比较 )。从表 1和图 5的比较结果可以看出退偏特性因子图像和米勒矩阵元图像相对普通偏 振图像的可视效果更好, 具有 更高的信息熵和 方差, 包 含更多的物体表面特性。图 4 退偏 特性因子图像米勒矩阵元 图像同样具有 很高的信息熵 与方(注: 图 2 图 4与实际处理图像的大小比例为 4 1)2. 3 结果分析实验过程中偏振图像中 HH、VV、PV、PR、RH、RP、RR 图像的可视效果较好, 所恢复的图像中 M 22、差。M 22、M 24、M 31、M 32、M 33、M 34、M 41、M 44矩阵元 图像的可视效果较好, 而剩下的矩阵元图像可视效果非常差。这就表明一角硬币的 16个米勒矩阵元中有 8个可以很好地反应物体的偏振特性, 而剩下的M 24、 31、 32、 33、 34、 41、 44、退偏特性因子像的可视效果较好。表 1 典型图像品质比较图8个矩阵元改变入射光状态的能力不强, 其表征的偏振特性不明显。其中 M 22、M 24、M 32、M 32、M 33、M 34表征的是物体改变入射光的相位和偏振态的能力,图像类别信息熵标准差方差M 31、 41表征的是物体改变入射光的偏振态的能力,退偏特性因子图像3. 674 181. 773 76 686M 44表征的是物体对入射光相位的延迟能力。M 114. 166 288. 486 57 829退偏特性因子图像表明的是物体 将入射光M 44HHVV4. 153 42. 229 82. 267 165. 684 717. 525 618. 304 04 314307335的偏振态转化成 更低等次的偏振 光的能力。由于硬币的表面粗糙度、几何形状的差异, 它的各 个部分对入射光偏振态的 改变能力不同。退偏因子图像中的兰花部位相对其他 部分具有更高的 像素M M M M M MM MM M M M MMM7122科学技术与工程10卷值, 这是因为兰花部分的几 何形状比较复 杂, 与其他部位相比可以更好地改变入射光的偏振态。参考文献由以上分析可以 看出物体偏振特 性因子图像1 李代林 基于 图 像融 合 的水 下成 像 技术. 中国 石 油大 学 学报,可以在浑浊介质中更好地反映目标的偏振特性, 具2008; 32 ( 4): 157160有很好的可视效果。2 曹念文. 水 下目 标 自 然 光偏 振 成 像 的 研究. 量 子 电 子学 报,1999; 16 ( 2): 110 1153 张绪国. 偏 振成 像 在目 标 探 测中 的 应 用. 光 电工 程, 2008; 353 结果与讨论( 12): 59624 程敏熙. 偏振 光斯托克斯参量的测量和应用. 红外与激光工程,在浑浊介质中由 于物体的表面偏 振特性并不2006; 35: 109115会因为介质的强散射而丢失, 利用物体的米勒矩阵来表示它的表面偏振特性, 并以米勒矩阵的分解矩5Ghosh N, W ood M F G. M uellerm atrix decompos ition for extraction ofind iv idual polarization param eters from com plex turb id m ed ia exh ib-iting mu ltiple scattering, op tical activity, and linear b irefringence.阵为基础来获得可视化的偏振特性图 像具有很好Journal of B iom ed ical Optics, 2008; 13 ( 4): 214的可视性。6Chung Jungrae, Jung W oonggyu. U se of polar d ecom position for th e实验结果表明, 所恢复的偏振特性图像能够有d iagnosis of oralP recancer. App lied Op tics, 2007; ( 46): 3845效地消除水粒子散射对成像的影响, 提高可视效果7Collet C. C lustering ofMu ellerm atrix im ages for skeleton ized stru cture和增大图 像信息 量, 可以应 用于 水下浑 浊介 质中成像。detection. Optics Exp ress, 2004; 12 ( 7): 1271 12808 仇英辉. 浑浊介质中利用后向散射光偏振进行目标 识别的研究.量子电子学报, 2003; 20( 1): 80 839 徐兰青. 手性介质中后向 散射米勒矩 阵特性及 其在血糖 无创检测中的应用初探. 物理学报, 2008; 57( 9 )Subm arine Im age Form ation Technology Based on M ueller M atrix*( C ollege of Physics S cience and Techn ology, Un iversity of Petroleum ofC h ina, Dongying 25706, P. R. Ch in a) AbstractThe technique of target identification in the opacitas m ed ium by using the M ueller m atrix o f the ob-ject w as researched. Based on the d ifferent ob ject has the differentM uellerm atrix and different polarization charac-teristics, the M ue ller m atrix s 16 m atrix e lem