光学 精密工程  2018, Vol.26 Issue (4): 816-824   PDF    
天空实时全偏振成像探测器设计与搭建
陈永台, 张然, 林威, 褚金奎     
大连理工大学 机械工程学院, 辽宁 大连 116023
摘要: 生物利用天空偏振光进行导航的方式给科研人员很大的启发,越来越多的学者正在进行这方面的研究。精确的天空偏振场图是进行偏振导航的前提条件,为了获取更加准确的天空偏振场图,许多成像式偏振探测装置被开发出来。本文提出了一种新型的实时全偏振一体式成像探测传感器,可以获取全参数Stokes矢量,进而解算出目标的AOP、DOP、LDOP和CDOP等信息。基于C++语言和OpenCV库,采用MFC架构开发了上位机程序,实现了目标偏振信息的实时显示。在最大分辨率下,视频流的刷新率为3 frame/s,基本满足了实时探测的需要。对晴朗天气条件下天空偏振场图进行了实际探测,实验过程中探测器性能稳定,天空偏振场图与瑞利散射模型具有较高的一致性,太阳子午线动态识别误差为0.01°~0.23°,初步证明了探测器的可靠性,为后续工作奠定了基础。
关键词: 偏振成像探测      偏振导航      天空偏振场图      图像处理     
Design and construction of real-time all-polarization imaging detector for skylight
CHEN Yong-tai , ZHANG Ran , LIN Wei , CHU Jin-kui     
School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116023, China
*Corresponding author: CHU Jin-kui, E-mail:chujk@dlut.edu.cn
Abstract: Researchers have been highly inspired by the bio-use of polarized light navigation, and increasing number of studies are being conducted at the same time. A precise sky polarization field map is one of the prerequisites for polarization navigation and many imaging polarization detectors have thus been developed for attaining a more accurate sky polarization field map. This study proposes a novel real-time all-polarization imaging detector that can obtain all the parameters of the Stokes vector, and can thereby calculate various attributes of Angle of Polarization (AOP), Degree of Polarization(DOP), Degree of Linear Polarization(LDOP), and Degree of Circular Polarization (CDOP). By incorporating the MFC architecture through C++ programming language and the OpenCV library, the host computer program was developed for implementing the real-time display function of a target's polarization information. Refresh rate of the video stream was 3 frame/s at maximum resolution, which primarily satisfies the need of real-time detection. Observation of the sky polarization field map was performed under clear weather conditions and the performance of the detector was found to be stable during the course of the proposed experiment. The obtained experimental results are in good agreement with the Rayleigh scattering model, and the dynamic recognition deviation of the solar meridian can range from 0.01° to 0.23°, which corroborates the reliability of the proposed detector and lays the foundation for future work.
Key words: polarization imaging detection     polarization navigation     sky polarization field map     image processing    
1 引言

太阳光经大气中粒子散射后在整个天宇范围内形成稳定的天空偏振模式,这个模式被称作天空偏振场图[1-2],天空偏振场图与太阳位置密切相关。太阳子午线是天空偏振场图的特征之一,它与太阳位置随时间同步变化,具有较高的稳定性和规律性。相比传统的导航方式,偏振导航的自主性和抗电磁干扰能力强,误差不随时间积累,有较高的鲁棒性[3],可以作为新的导航手段[4-5]。天空偏振场图的探测与分析对于构建偏振导航传感器系统环境的特征模型,明确偏振导航传感器的应用外场条件,具有非常重要的意义[6]

相比点源式偏振探测器,成像式偏振探测传感器由于其较好的直观性、交互性以及较大的视场和分辨率受到越来越多的关注和研究。2002年,国外学者Craig A. Farlow等人研制了一种全偏振参量成像探测装置,但该装置体积庞大,只能固定在室内平台上,无法应用于室外实验[7]。2010年,Xiaojin Zhao和Amine Bermak等人发明了一种应用于可见光范围内的全Stokes矢量微偏振阵列[8]。我国在该领域的研究起步较晚。2001年,安徽光机所的乔延利等设计了一种航空光谱偏振CCD相机,并进行了相关实验研究[9]。2005至今,大连理工大学褚金奎课题组对不同天气条件下的天空偏振模式进行了一系列研究,并应用于实际导航[10-17]。2009年~2011年,北京大学晏磊等研究了利用天空偏振模式进行导航的方法[18-19]。2013年,清华大学的赵开春等搭建了一套天空光偏振模式自动探测装置,并进行了相关实验研究[6]。2014年,合肥工业大学高隽等提出了多次散射因素下天空偏振模式解析模型并进行了实验验证[20]。2015年,国防科技大学曹毓等学者研制了一种集成化的天空偏振模式探测装置,并进行了相关实验研究[21-22]。国内还有许多相关研究,但目前能够实现全偏振实时探测的一体式成像系统鲜有报道。

为了更高效地获取目标的偏振信息,需要提高成像式偏振探测器的实时性和偏振全参性,为多信息偏振融合提供支撑。本文根据天空光偏振模式的形成机理[23-24]和偏振光探测方法[25-27],充分参考了国内外偏振探测仪器的设计方案[28],构建了一种可以获取全参数Stokes矢量的全偏振实时成像探测器,并对其性能进行了初步测试,以及天空偏振场图探测的动态实验研究。

2 天空偏振场图形成机理及探测方法 2.1 Rayleigh散射

太阳光在大气层传播过程中会发生散射,根据产生散射的微粒的大小,散射可分为Rayleigh散射和Mie′s散射[6, 25]。Rayleigh散射是由直径比光线波长小得多的微粒引起的,而Mie′s散射是由等于或大于光线波长的微粒引起的。天空在晴朗条件下主要存在由大气分子和少量气溶胶引起的Rayleigh散射。

Rayleigh散射的过程如图 1所示,光线入射到粒子后发生θ角度的散射。定义Er0E10分别为太阳光发出自然光的垂直分量和水平分量,光线经过粒子散射后激发出散射电场分量ErSE1SEr0ErS互相平行,而E10E1Sθ角,因此,E1SE10cos θ成正比。光强可以由I=E2表示,因此有:

图 1 Rayleigh散射示意图 Fig.1 Schematic diagram of Rayleigh scattering
(1)

由式(1)可知,Rayleigh散射改变了光的偏振状态。偏振度(Degree of Polarization, DOP)定义为:

(2)

将式(1)代入式(2)得:

(3)

由式(3)可知,当θ为0°和180°时,偏振度等于0,此时无偏振状态,散射光为自然光;当θ为90°时,偏振度为1,此时散射光为完全偏振光;当θ取其它值时,偏振度位于0和1之间,此时散射光为部分偏振光。但在实际中,由于大气中微粒的多次散射以及地表反射,散射光的偏振度会降低,这种现象被称作退偏作用。在地球上的固定观测点观察天空某一时刻的散射光时,由于不同天球点散射角度不同,其偏振度也有很大的差别,且整个天球上的偏振度分布满足一定的规律,这种规律可以用天空偏振场图来描述[6, 15],如图 2所示。

图 2 天空偏振场原理图 Fig.2 Schematic map of sky light polarization pattern
2.2 偏振描述与计算

Stokes矢量模型是描述偏振光的一种常用方法[29],其优点在于宏观可测量性。Stokes矢量是具有强度的量,拥有4个参数,分别是:IQUV,即S=[I  Q  U  V]T,每个参数的定义如下:

(4)

其中:I表示光的总强度,Q表示0°方向偏振分量和90°方向偏振分量的强度差,U表示45°方向偏振分量和135°方向偏振分量的强度差,V表示右旋圆偏振分量和左旋圆偏振分量的强度差。根据定义,DOP是完全偏振光强占整个光强的比例,它可以表示如下[30]

(5)

V=0时,求得线偏振度为:

(6)

Q=0,U=0时,求得圆偏振度为:

(7)

进一步地,AOP可以通过下式计算:

(8)

只要求得Stokes参量的4个参数,就可以计算出天空偏振场图信息DOP、LDOP、CDOP和AOP。经过进一步解算,可以从天空偏振场图中获取需要的导航信息[6, 27, 31]

3 偏振成像探测器设计 3.1 探测器硬件系统

为了获取天空偏振场图,本文搭建了一种实时全偏振成像探测器,光路原理和实物图如图 3所示。传感器光路主要由非偏振分光棱镜、中继透镜、四分之一波片和偏振片组成,其放置位置如图 3所示。光路的入口安装有大广角鱼眼镜头,出口有4个工业相机接收偏振调制后的图像。安装角度0°,45°,90°和135°为偏振片极化方向在系统坐标系投影与X轴正向的夹角,且四分之一波片快轴在系统坐标系投影与X轴平行。目标表面反射光进入系统后,由非偏振分光棱镜分为4路光束,每路光束再经偏振器件调制得到相应偏振态的出射光,对4种不同偏振态的图像进行反演解算出目标的全偏振信息。

图 3 探测器光路原理图及实物图 Fig.3 Principle diagram of light path and photo of sensor

将本系统中4个光路的穆勒矩阵分别记为Mpath0°, Mpath45°, Mpath90°Mpath135°,它们分别表述为:

(9)
(10)
(11)
(12)

分别取Mpath0°Mpath45°Mpath90°Mpath135°的首行向量并自上而下组成系统穆勒矩阵, 记为A

(13)

将4个光路得到的光强度值分别用i0, i45, i90, i135表示,自上而下组成列向量I,则有:

(14)

I=A·S的两边同时乘以A-1则有:

(15)

对式(15)进行整理后有:

(16)

通过式(16)中的4个参数I, Q, U, V,就可以计算出天空偏振场图信息DOP、LDOP、CDOP和AOP。

3.2 探测器上位机程序开发

基于C++语言和OpenCV,采用MFC架构开发了上位机程序,其流程图如图 4所示。

图 4 实时全偏振成像探测器的程序流程图 Fig.4 Program flow chart of real-time all-polariztion imaging detector

本程序主要包括相机参数设置模块、图像预处理模块、图像配准模块、视频流偏振处理模块和采集模块等5个部分。其中,图像配准模块可实现亚像素水平的配准。视频流偏振处理模块可通过灰度、Red、Green和Blue 4个通道的选择来适应不同的目标颜色背景,获取最优目标偏振特征。通过偏振视频流伪彩色处理,将目标从灰度空间映射到伪彩色空间,实现目标偏振特征分布的直观化,其中,通过设置不同的阈值可以突出显示感兴趣区域的偏振特征。

这里提到的探测器具有实时偏振探测的功能。图像配准后,分别提取4台工业相机视频流中同时刻的一帧图像,对此4帧图像进行偏振处理。根据目标探测需要,通过设置预览视场获得不同的分辨率。采用最大分辨率进行视频流偏振处理时,由于数据量大,处理速度会降低,但也能实现偏振视频流3 frame/s的刷新率,基本实现了实时偏振探测。由于大气结构的宏观性,在1 s内可以认为天空的几何、物理特性没有显著改变,所以天空偏振场图在此短时间内是稳定一致的。最低3 frame/s的刷新率能够基本满足应用要求。

探测器所使用的偏振片的消光比为1 000:1,波段为450~675 nm;四分之一波片的波段为400~800 nm。探测器的主要性能指标如表 1所示。

表 1 全偏振成像探测器的主要性能指标 Tab. 1 Main performance indicators of all-polarization imaging detector

本程序没有苛刻的硬件和运行环境限制,主流配置的电脑都可满足运行要求。

4 测量实验与结果

本文在室内积分球下验证了探测器的全偏振探测功能,基本满足设计要求。为了探究本探测器的外场性能,于2015年12月4日15:00至15:50在大连理工大学机械工程学院2号楼楼顶进行了时长近1 h的实验,实验过程中天气晴朗,每10 min采集一组图片,共采集6组, 获取了天空偏振场图的AOP、DOP、LDOP和CDOP图像,并进行了分析。

4.1 瑞利散射模型理论偏振角和偏振度

经查阅15:00时刻实验地点的太阳高度角为13.6°,太阳方位角为46.0°,带入模型中得到理论偏振角和偏振度如图 5所示。

图 5 瑞利散射模型的理论偏振角和偏振度 Fig.5 AOP and DOP diagrams of Rayleigh scattering

由理论模型的AOP图中可以看出过太阳和天顶点有一条直线存在,此直线就是太阳子午线,且AOP绕天顶点相对太阳子午线对称分布。DOP图中存在两个中性点,两个中性点的连线对应AOP图中的太阳子午线,且DOP在天空中呈对称的环状分布。

4.2 天空偏振场图的实验探测

首先对15:00采集到的图片进行偏振解算,得到对应的AOP、DOP、LDOP和CDOP图,如图 6所示。

图 6 AOP、DOP、LDOP和CDOP的实际测量结果 Fig.6 Results of actual measurement of AOP, DOP, LDOP and CDOP

从本组实验结果可以看到AOP图和DOP图的分布模式和理论模型一致,都存在规律的对称结构。其中, 实验DOP和理论DOP在数值上存在偏差,这是因为理论模型是以Rayleigh散射理论为前提的,而由于大气污染等原因,实际目视晴朗的天空中不仅存在着Rayleigh散射,还存在着Mie散射,产生退偏效应。在AOP和DOP基础上计算了LDOP和CDOP,LDOP的数值分布和DOP基本一致,而CDOP则拥有较小的数值区间,是由于在该时刻天空中线偏振光占主要地位。在CDOP图中存在着较明显的几何特征,该特征可能是Rayleigh散射和Mie散射共同作用的结果,有待进一步的研究。AOP、DOP、LDOP和CDOP的解算及获取说明本探测器初步具备了全偏振探测功能,为多场景应用打下了基础。

将其它5个时刻的实验结果进行分析后,得到相同的结论。各个时刻的实验结果与理论模型的对比如图 7所示(图 7中子图与图 6中子图拥有相同的横纵坐标定义)。

图 7 理论模型和实际测量的结果对比 Fig.7 Comparison of theoretical model and actual measurement results

图 7表 2表明,探测器实测结果中的AOP和DOP能较好地吻合瑞利散射模型,在不同时刻能够探测到天空偏振场图绕天顶的运动特征。在15:00至15:50的时间段内,太阳子午线的动态识别误差为0.01°~0.23°,该探测器具备一定的实时监测能力。

表 2 天空偏振场图AOP理论变化和实验变化对比 Tab. 2 Comparison of theoretical and experimental variation of AOP
5 结论

精确的天空偏振场图是进行偏振导航的前提条件。本文提出了一种实时全偏振成像探测器,该探测器拥有较高的集成度和高扩展性,可以实时获取天空偏振场图的AOP、DOP、LDOP和CDOP等信息,具有较高的信息量,为多信息偏振融合提供了支撑。软件方面,基于C++语言和OpenCV库,采用MFC架构开发了上位机程序,实现了目标偏振信息的实时显示,视频流刷新率为3 frame/s。在长达一个小时的实验中,对理论天空偏振场图和实测结果进行了分析,太阳子午线的动态识别误差为0.01°~0.23°,实测结果与理论模型具有较高的一致性,初步证明了本探测器的可行性。

本探测器的性能还有待进一步的开发和提升。后续工作主要包括:对探测器的灵敏度、分辨率、误差等性能参数进行分析研究;搭建高精度标定系统,标定探测器的精度参数;进行大时长、多天气下的天空偏振场图探测;优化程序算法,提高偏振视频流刷新率,提升探测效率。

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