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偏振成像探測技術(shù)導(dǎo)論

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出版社:科學(xué)出版社出版時間:2023-02-01
開本: B5 頁數(shù): 212
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偏振成像探測技術(shù)導(dǎo)論 版權(quán)信息

  • ISBN:9787030739223
  • 條形碼:9787030739223 ; 978-7-03-073922-3
  • 裝幀:一般膠版紙
  • 冊數(shù):暫無
  • 重量:暫無
  • 所屬分類:>

偏振成像探測技術(shù)導(dǎo)論 內(nèi)容簡介

光學(xué)偏振成像探測具有提高目標(biāo)與背景的對比度、增加渾濁介質(zhì)中的探測距離、辨識目標(biāo)真?zhèn)蔚葍?yōu)勢,有望破解特定情況下光學(xué)成像“認(rèn)不清”“看不遠(yuǎn)”“辨不出”的難題,成為近年探測識別、觀測診斷領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。越來越多的研發(fā)與應(yīng)用人員希望了解偏振成像探測的一些基本知識,為其解決自身面臨的問題提供一個新視野。本書系統(tǒng)介紹偏振成像探測的基礎(chǔ)概念、發(fā)展歷程、典型系統(tǒng)、關(guān)鍵技術(shù)、典型應(yīng)用、趨勢展望,旨在為讀者深入了解偏振成像探測技術(shù)有關(guān)具體內(nèi)容建立一個框架,形成對該技術(shù)的宏觀認(rèn)識。

偏振成像探測技術(shù)導(dǎo)論 目錄

目錄
“偏振成像探測技術(shù)學(xué)術(shù)叢書”序
前言
第1章 偏振概念與表征 1 
1.1 偏振光的概念與分類 1 
1.1.1 光偏振現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)與詮釋1 
1.1.2 偏振光的概念3 
1.1.3 偏振光的分類4 
1.2 光偏振態(tài)的表示方法 6 
1.2.1 三角函數(shù)法7 
1.2.2 瓊斯矢量法8 
1.2.3 斯托克斯矢量法與繆勒矩陣 17 
1.2.4 龐加萊球法 33 
1.3 本章小結(jié) 37
第2章 偏振成像探測 38 
2.1 偏振成像及其分類 38 
2.1.1 偏振成像概念 38 
2.1.2 偏振成像探測技術(shù)分類 39 
2.2 偏振成像探測的優(yōu)勢 42 
2.2.1 穿透煙霧 43 
2.2.2 凸顯目標(biāo) 44 
2.2.3 識別真?zhèn)巍?5 
2.3 偏振成像探測技術(shù)發(fā)展歷程 46 
2.4 本章小結(jié) 62
第3章 典型偏振成像探測系統(tǒng) 63 
3.1 分時型偏振成像探測系統(tǒng) 63 
3.1.1 偏光元件型偏振成像探測系統(tǒng) 63 
3.1.2 基于液晶可變相位延遲器的偏振成像系統(tǒng) 67 
3.2 同時型偏振成像探測系統(tǒng) 73 
3.2.1 分振幅偏振成像探測系統(tǒng) 73 
3.2.2 分孔徑偏振成像探測系統(tǒng) 75 
3.2.3 分焦平面偏振成像探測系統(tǒng) 77 
3.3 干涉型偏振成像系統(tǒng) 79 
3.3.1 雙折射棱鏡型干涉偏振成像儀 80 
3.3.2 薩瓦板平板型干涉偏振成像儀 81 
3.3.3 偏振光柵型干涉偏振成像儀 82 
3.3.4 Sagnac型干涉偏振成像系統(tǒng) 84 
3.4 Mueller矩陣偏振成像系統(tǒng) 86 
3.4.1 Mueller矩陣偏振成像原理 86 
3.4.2 基于雙波片旋轉(zhuǎn)的Mueller矩陣偏振顯微成像 87 
3.4.3 基于偏振CCD的Mueller矩陣顯微成像 89 
3.4.4 Mueller矩陣偏振內(nèi)窺成像 91
第4章 偏振成像探測科學(xué)問題與關(guān)鍵技術(shù) 93 
4.1 偏振成像探測科學(xué)問題 93 
4.2 目標(biāo)/背景偏振特性關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用 95 
4.2.1 目標(biāo) /背景偏振特性關(guān)鍵技術(shù) 95 
4.2.2 典型范例:目標(biāo)偏振特性高置信度模型構(gòu)建 96 
4.3 偏振傳輸演化特性(復(fù)雜環(huán)境干擾剝離)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用 105 
4.3.1 復(fù)雜環(huán)境干擾剝離關(guān)鍵技術(shù)105 
4.3.2 典型范例:大氣中偏振光傳輸演化模型構(gòu)建105 
4.4 偏振信息獲取關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用 111 
4.4.1 面向應(yīng)用的偏振信息獲取關(guān)鍵技術(shù)111 
4.4.2 典型范例:薩瓦板型寬波段干涉偏振成像技術(shù)112 
4.5 偏振圖像重構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用 119 
4.5.1 偏振圖像重構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)119 
4.5.2 基于偏振信息的目標(biāo)三維重建技術(shù)119
第5章 典型偏振成像探測技術(shù)應(yīng)用 127 
5.1 日常生活中的應(yīng)用 127 
5.1.1 偏光眼鏡127 
5.1.2 相機(jī)偏振鏡128 
5.2 遙感探測中的應(yīng)用 129 
5.2.1 大氣偏振遙感129 
5.2.2 地物偏振遙感134 
5.2.3 仿生偏振導(dǎo)航136 
5.3 生物醫(yī)學(xué)與疾病診斷中的應(yīng)用 139 
5.3.1 Mueller矩陣偏振顯微成像在病理診斷中的應(yīng)用 141 
5.3.2 Mueller矩陣偏振顯微成像在體成像中的應(yīng)用 144 
5.4海洋監(jiān)測中的應(yīng)用 147 
5.4.1 海洋溢油赤潮監(jiān)測147 
5.4.2 水下清晰化成像150 
5.5 軍事應(yīng)用 154 
5.5.1 目標(biāo)偏振特性分析及仿真155 
5.5.2 傳輸介質(zhì)對偏振探測效果的影響161 
5.5.3 目標(biāo)偏振探測163 
5.5.4 偏振信息處理167 
5.6 本章小結(jié) 168
第6章 偏振成像探測發(fā)展趨勢與展望 169 
6.1 目標(biāo)背景偏振特性 169 
6.2 偏振特性傳輸演化 171 
6.3 偏振成像技術(shù) 172 
6.4 偏振成像應(yīng)用技術(shù) 174 
6.5 偏振信息處理技術(shù) 176 
6.6 偏振核心器件技術(shù) 178 
6.7 偏振探測新興技術(shù) 181 
6.8 本章小結(jié) 183
參考文獻(xiàn) 184
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偏振成像探測技術(shù)導(dǎo)論 節(jié)選

第1章偏振概念與表征 偏振是光的固有特性之一,是光波橫波性的一種外在表現(xiàn)。它獨(dú)立于光波的強(qiáng)度、光譜,是光波在垂直于傳播方向的平面內(nèi)電矢量在不同方向上表現(xiàn)出的不相等現(xiàn)象。 太陽光本身是無偏光,但由菲涅耳反射定律及基爾霍夫定律可知,它與大氣和物體表面作用后會起偏。也就是說,地表和大氣中的任何物體在折射、反射和輻射光的過程中由于表面形貌、紋理、含水量、介電系數(shù)以及入射光角度的不同都會產(chǎn)生由其自身性質(zhì)所決定的特征偏振。這表明偏振具有信息載體作用,若能有效獲取偏振信息,則可獲得大量的、以往強(qiáng)度與光譜不能反映的目標(biāo)屬性(如形狀、結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、表面特征與輪廓等)信息。絕大多數(shù)自然目標(biāo)的偏振遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于車輛、飛機(jī)等人造目標(biāo)的偏振。 1.1偏振光的概念與分類 本節(jié)首先介紹光偏振現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)過程及解釋,之后給出偏振光的概念、分類及光偏振態(tài)的表示方法。 1.1.1光偏振現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)與詮釋 丹麥科學(xué)家拉斯穆 巴多林(RasmusBartholin)于1669年發(fā)現(xiàn)了光束通過冰洲石(Iceland spar)時會出現(xiàn)雙折射現(xiàn)象:照射到冰洲石上的光束會被折射分為兩束,一束遵守普通折射定律,稱為“尋常光”;另一束不遵守普通折射定律,稱為“非常光”,如圖1-1所示,但他無法解釋這現(xiàn)象的物理機(jī)制。 克里斯蒂安 惠更斯也注意到這一奇特現(xiàn)象,并于1690年在其著作《光論》的后半部里進(jìn)行了詳細(xì)論述[1]。他認(rèn)為這是由于空間存在兩種不同物質(zhì),導(dǎo)致光被分為兩束,分別以不同的波前及速度在空間傳播,且這兩束光與原光束的性質(zhì)不同。將其中任一束光照射到繞光軸旋轉(zhuǎn)的第二塊冰洲石后,折射出來的兩束光輻照度不斷變化,有時甚至只留下一束光。由于他認(rèn)為光波是縱波,無法解釋這一現(xiàn)象。 艾薩克 牛頓看到這一現(xiàn)象,提出猜想:組成光束的粒子可能具有垂直于移動方向振動的性質(zhì)。 雙折射現(xiàn)象引起了法蘭西學(xué)術(shù)院的注意,該學(xué)院于1808年提議將1810年物理獎比賽的題目定為“給出雙折射現(xiàn)象的數(shù)學(xué)解釋,并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”。 馬呂斯(Malus,1775—1812)(圖1-2)決定參賽。他觀察日光照到盧森堡宮玻璃窗的反射光束,發(fā)現(xiàn)特定入射角照射時,反射光的行為與惠更斯觀察到的折射光性質(zhì)類似,并稱其為“偏振”性質(zhì),并提出猜想:組成光束的每一光線具有自身特定的不對稱性;當(dāng)所有光線具有相同的不對稱性時,光束呈現(xiàn)偏振性;當(dāng)光線不對稱性隨機(jī)指向不同方向時,光束具有非偏振性;處于以上兩種情況之間時,光束具有部分偏振性。不單是玻璃,任何透明的固體或液體都會產(chǎn)生這種現(xiàn)象。他又實(shí)驗(yàn)總結(jié)出馬呂斯定律[2]:一束光強(qiáng)為I0的線偏振光,透過檢偏器以后,透射光的光強(qiáng)II0cos2.,式中.是線偏振光的光振動方向與檢偏器透振方向間的夾角。馬呂斯因其創(chuàng)意實(shí)驗(yàn)及豐碩成果,摘下1810年物理獎比賽桂冠,也被后人尊稱為“偏振之父”。 后來,奧古斯丁 菲涅耳與弗朗索瓦 阿拉戈合作研究偏振對于托馬斯 楊干涉實(shí)驗(yàn)的影響,但他們認(rèn)為光波是縱波,無法給出合理解釋。1817年,他們采納了托馬斯 楊的建議:假設(shè)光波是橫向振動的橫波,將其分解為兩個相互正交的分量,有效解釋了全偏振光的物理性質(zhì),但無法解釋非偏振光或部分偏振光。 1852年,喬治 斯托克斯提出任何偏振態(tài)的偏振光(不僅包括全偏光,而且包括非偏振光與部分偏振光)都可以通過四個量化的測量值完整描述,這就是斯托克斯參數(shù)(Stokes parameters)。 1928年,美國的埃德溫 赫伯特 蘭德做出了J型偏光片[3],1938年發(fā)明了H型偏光片,從此,人們開始了對偏振光的認(rèn)識、控制與探測等系列探索與應(yīng)用。 1.1.2偏振光的概念 光具有波粒二象性,其本質(zhì)是橫向電磁波,其電場矢量E和磁場矢量H彼此正交[4],且均與波傳播方向垂直,如圖1-3所示。因此要完全描述光波還必須指明光場中任一點(diǎn)、任一時刻光矢量的方向,即光波的矢量特性。光的偏振現(xiàn)象就是光矢量性質(zhì)的表現(xiàn)。 光波的固有特性包括振幅、波長、位相、偏振[5]。 目前已知的光的作用效應(yīng)一般都與其電場強(qiáng)度有關(guān)[6]。光在傳播的過程中,其電場強(qiáng)度矢量以確定的頻率在垂直于光傳播方向的平面內(nèi)發(fā)生周期性變化,矢端軌跡一般會形成一個橢圓,并且可以按照其繞光傳播方向旋轉(zhuǎn)的方式分為左旋和右旋兩種。偏振就是表征光傳播過程中電場矢量振動方向以一定頻率周期性規(guī)則變化特征的一個物理量,它反映了在光傳播過程中電磁場的振動形式。 光的偏振是普遍存在的,自然界中任何一個光子都是偏振的,但不同光子的偏振方式一般不同。光波在介質(zhì)中傳播或與介質(zhì)界面作用時,其偏振狀態(tài)會發(fā)生一定的變化,原因在于光與介質(zhì)分子或各種雜質(zhì)微粒的相互作用導(dǎo)致電磁場振動方式改變。光波偏振狀態(tài)變化的情況與介質(zhì)或界面的特點(diǎn)有關(guān),于是,偏振狀態(tài)自然也就攜帶了與光的輻射及傳輸過程有關(guān)的介質(zhì)信息。這就為我們通過偏振測量來解釋和利用目標(biāo)及傳輸路徑的光學(xué)特性提供了物理依據(jù)。 偏振光主要涉及近紫外、可見光和紅外波段,圖1-4為電磁波譜的示意圖。作為特定波段的電磁波,光的傳播符合麥克斯韋方程。光的偏振與微波波段的極化在物理本質(zhì)上是一致的,只是由于歷史的原因有了不同的稱謂。 光的偏振狀態(tài)需要兩個獨(dú)立的參數(shù)來確定。這兩個參數(shù)可以選為橢圓長軸的 方向以及短軸與長軸之比。通過光學(xué)測量掌握光波的偏振狀態(tài),就可以準(zhǔn)確獲得描述偏振的物理參數(shù)并提取出其所攜帶的有關(guān)目標(biāo)和傳輸過程的信息。 雖然每一個光子都是偏振的,但不同光子的偏振狀態(tài)卻不一致。因此,通常條件下接收到的光往往包含各種不同的偏振成分,測量結(jié)果反映的是大量不同偏振狀態(tài)光子的統(tǒng)計(jì)行為,所以并不能對應(yīng)于某一個特定的偏振狀態(tài)。不過,自然光受環(huán)境影響通常都有一定的統(tǒng)計(jì)特異性,表現(xiàn)為“部分偏振光”。在很多情況下,需要對這些統(tǒng)計(jì)上的特異性有所了解。“偏振度”反映了不同偏振成分的比例,而“偏振化方向”描述電場強(qiáng)度矢量振動占優(yōu)的方向。 粒子對光的散射作用,以及介質(zhì)表面的反射和折射作用等都會影響光的偏振特性。太陽光在進(jìn)入大氣之前偏振很弱。進(jìn)入大氣層之后,由于大氣和水圈中的空氣分子、氣溶膠粒子等對光的散射作用,以及水面、泥土、巖石、植被等的表面對光的反射作用,都會改變光的偏振特性,在天空中形成相對穩(wěn)定的偏振特征分布。圖1-5為大氣中光的輻射傳輸示意圖。 1.1.3偏振光的分類 根據(jù)偏振狀態(tài)的不同,自然界中的光可分為三類(五種)。 1.非偏光(即自然光) 日常可見光的大多數(shù)光源,包括黑體輻射、熒光、太陽光等,發(fā)射出非相干光,意味著光源中處于激發(fā)態(tài)的原子或分子會獨(dú)立、毫無關(guān)聯(lián)地發(fā)射出隨機(jī)偏振的電磁輻射波列,每個波列持續(xù)不到10.8s,所以,光波的偏振只能保持不超過10.8s,也就是說這種光由大量彼此無關(guān)的光子構(gòu)成,它們各自具有自己的偏振狀態(tài),偏振方式隨機(jī)變化,宏觀統(tǒng)計(jì)平均在空間所有可能的方向上,沒有哪個方向更有優(yōu)勢,所以經(jīng)過時間積累而獲得的觀測結(jié)果通常不會表現(xiàn)出光波在振動方向或振動模式上的特異性,即光矢量具有軸對稱性、均勻分布、各方向振動的振幅相同,我們稱這種光波為“非偏振光”,也叫自然光,如圖1-6所示。 2.完全偏振光 完全偏振光就是光傳播的過程中大量粒子均具有相同振動方向的光,包含橢圓偏振光、圓偏振光、線偏振光。 1)橢圓偏振光 光在傳播的過程中,光波電場強(qiáng)度矢量以確定的頻率在垂直于光傳播方向的平面內(nèi)發(fā)生周期性變化,其矢端軌跡一般會形成一個橢圓,稱為橢圓偏振光,如圖1-7所示。迎著光傳播方向看,若繞光傳播方向順時針方向旋轉(zhuǎn),則稱右旋光;若逆時針方向旋轉(zhuǎn),則稱左旋光。 2)圓偏振光圓偏振光是傳播過程中電場強(qiáng)度矢端軌跡與傳播方向垂直的平面內(nèi)投影為圓的光,如圖1-8所示。 圓偏振光是橢圓偏振光的特殊情形。在我們的觀察時間段中平均后,圓偏振光看上去是與自然光一樣的。但是圓偏振光的偏振方向是按一定規(guī)律變化的,而自然光的偏振方向變化是隨機(jī)的、沒有規(guī)律的。 3)線偏振光 光矢量端點(diǎn)的軌跡為直線,即光矢量只沿著一個確定的方向振動,其大小隨相位變化,方向不變,這樣的光稱為線偏振光,如圖1-9所示。 線偏振也是橢圓偏振的特殊情況。 自然界中出現(xiàn)嚴(yán)格意義下的線偏振或圓偏振光的概率為零,但在橢圓非常狹長或非常飽滿時可以分別近似視為線偏振或圓偏振。 3.部分偏振光 光波包含一切可能方向的振動,但不同方向上的振幅不等,在兩個互相垂直的方向上振幅具有*大值和*小值的光稱為部分偏振光,如圖1-10所示。 部分偏振光是自然光與完全偏振光的混合體。 1.2光偏振態(tài)的表示方法 光的偏振態(tài)通常用四種方法表示,分別是:三角函數(shù)法、瓊斯(Jones)矢量法,斯托克斯(Stokes)矢量法和龐加萊(Poincaré)球法[7]。

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