一种分时成像偏振图像的偏振角度误差校正方法与流程

本发明涉及基于分时成像偏振图像的偏振片角度误差校正方法，尤其涉及一种针对旋转偏振片角度误差进行偏振信息校正。

背景技术：

与强度成像相比，偏振图像在其基础上增加了目标表面偏振信息的维度(如偏振度、偏振角)，偏振特性可以表达目标表面状态、材质等丰富的信息，并且可以减弱复杂背景及环境对图像的影响，在目标识别，遥感，仿生学导航等领域受到广泛关注。

根据偏振成像系统结构不同，其主要分为分时成像和同时成像两类。分时成像偏振系统通过不同时刻对相同目标进行偏振成像，适用于静止目标；同时成像偏振系统通过一次曝光而得到目标不同偏振角度图像，对静止目标及运动目标皆适用。由于同时成像偏振系统造价高昂，而分时成像系统相对低廉，目前研究中多采用分时偏振成像系统。

分时偏振成像系统采集偏振图像的关键是偏振片在不同角度对目标进行成像进而得到偏振图像。现阶段分时成像系统中一般采取电机驱动偏振片旋转进而分别采集0°、45°、90°、135°这4个方向偏振角度下的偏振图像。然而，在采取该方法采集图像的过程中由于电机初始位置未归0，电机旋转精度等影响下，所采集的4个偏振角度跟理想值势必有一定的误差，这对计算偏振信息的准确性带来了较大影响。

综上所述，对于分时成像偏振系统，对获得的偏振角度误差进行校正过程十分重要，必不可少。如何对偏振角度误差进行校正，以增加偏振信息准确性是一个亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明提供一种分时成像偏振图像的偏振角度误差校正方法，旨在解决对分时偏振成像系统因偏振角度误差所导致的偏振信息不准确的问题进行校正，有效校正分时偏振成像系统及其获取的偏振图像，提高了偏振系统的精度和偏振信息的准确性

本发明公开的一种分时成像偏振图像的偏振角度误差校正方法，首先，测量偏振系统0°、45°、90°、135°这4个方向与理论值的角度误差δ0、δ45、δ90、δ135；然后，根据角度误差及偏振图像中的偏振角信息应用斯托克斯参量对偏振角进行校正；最后根据偏振图像斯托克斯参量对偏振图像偏振度进行校正。

本发明公开的一种分时成像偏振图像的偏振角度误差校正方法，具体包括一下步骤：

步骤1，对未校正偏振系统偏振片角度误差进行测量。

具体步骤为：

步骤1.1，将光源放置于待校正偏振系统前，保证光源充满整个视场；调节光源光强度，使偏振系统灰度值低于最大值；

步骤1.2，在光源与偏振系统中加入精确标定角度的偏振片，将偏振系统的偏振角度分别调整到0°、45°、90°、135°，将标定的偏振片分别旋转至与其消光的角度-90°、-45°、0°、45°，并统计其误差，得到0°、45°、90°、135°这4个方向的误差分别为δ0、δ45、δ90、δ135。为减小随机误差的影响，角度误差的测量至少为4次，然后取平均值。

步骤2，利用偏振角度误差校正偏振图像。

目标及背景光可以分解成自然光和偏振光，表示为：

itotal＝ip+iup(1)

其中itotal表示总光强，ip表示偏振光，iup表示非偏光或自然光。

根据马吕斯定律，计算得到偏振系统在各个偏振角度得到的光强表示如下：

其中，i0、i45、i90、i135分别表示偏振片在0°、45°、90°、135°所得到的光强，偏振光与偏振片偏振化方向夹角α。

偏振图像的斯托克斯参量可以表示为：

其中i、q、u、v分别代表偏振图像的强度、水平/垂直分量、+45°/-45°分量以及圆偏振分量，通常将圆偏振分量忽略不计。

步骤2.1，校正偏振图像中的偏振角误差，图像偏振角方程表示为：

其中，有误差偏振角表示为α′，实际偏振角表示为α。

将q、u分量带入方程，可以得到有误差偏振角α′与偏振角度误差δ0、δ45、δ90、δ135及实际偏振角α的关系式可以表示为：

已知δ0、δ45、δ90、δ135、α′，可以解得实际偏振角α。

步骤2.2，校正偏振图像中的偏振度误差，图像偏振度方程表示为：

其中，有误差偏振度表示为β′，实际偏振度表示为β。

将i、q、u分量带入方程，可以得到有误差偏振度β′与偏振角度误差δ0、δ45、δ90、δ135，实际偏振角α及实际偏振度β的关系式可以表示为：

已知δ0、δ45、δ90、δ135、β′，并根据步骤1解得偏振角α，可以计算得到实际偏振度β。

有益效果：

根据所测量的偏振角度误差对分时偏振系统进行校正，有效提高偏振系统获取的偏振信息精度，与此同时，能够对由于偏振片角度误差导致的偏振度、偏振角不准确的已获取偏振图像进行校正，提高已获取偏振图像偏振信息的准确性。

附图说明

图1是分时成像偏振图像的偏振角度误差校正方法流程图。

图2是可见光偏振图像偏振角度校正原理图。

图3是红外偏振图像偏振角度校正原理图。

具体实施方式

为让本发明的目的、方法和有益效果更加清楚，在此结合具体实施实例对本发明进行进一步说明。以下所描述实例是为了详细阐述发明的目的、方法，方便对发明的理解，对其不起任何限定作用。本发明提供的方法既可以在可见光偏振系统中使用，也可以在红外偏振系统中使用。

本发明的技术方案提供一种对分时偏振成像系统校正及对已获取偏振图像校正的方法，包括对偏振系统中偏振片角度误差的测量，对偏振图像中斯托克斯参量、偏振度及偏振角信息校正。相比于未校正的偏振系统，采用本发明方法计算得到的斯托克斯参量、偏振度、偏振角信息更加准确。

实施例1：

本发明实施例1对可见光偏振系统偏振片角度误差进行校正，实验设施包括积分球，精确标定角度的偏振片，待校正可见光偏振系统。图1为可见光偏振系统偏振片角度误差原理图。

针对本实施例1中可见光偏振系统偏振片角度误差校正方法，具体实施步骤包括：

步骤1，对待校正偏振系统偏振片角度误差进行测量。

具体步骤为：

步骤1.1，将积分球放置于待校正偏振系统前，保证积分球产生光源充满整个视场；调节积分球光强度，使偏振系统灰度值低于最大值；

步骤1.2，在积分球与偏振系统中加入精确标定角度的偏振片，将偏振系统的偏振角度分别调整到0°、45°、90°、135°，将标定的偏振片分别旋转至与其消光的角度-90°、-45°、0°、45°，并统计其误差，得到0°、45°、90°、135°这4个方向的误差分别为δ0、δ45、δ90、δ135。为减小随机误差的影响，角度误差重复4次，取平均值。

步骤2，利用偏振角度误差校正偏振图像。目标及背景光可以分解成自然光和偏振光，表示为：

itotal＝ip+iup(11)

其中itotal表示总光强，ip表示偏振光，iup表示非偏光或自然光。

根据马吕斯定律，计算得到偏振系统在各个偏振角度得到的光强表示如下：

其中，i0、i45、i90、i135分别表示偏振片在0°、45°、90°、135°所得到的光强，偏振光与偏振片偏振化方向夹角α。

偏振图像的斯托克斯参量可以表示为：

其中i、q、u分别代表偏振图像的强度、水平/垂直分量、+45°/-45°分量。

步骤2.1，校正偏振图像中的偏振角误差，图像偏振角方程表示为：

其中，有误差偏振角表示为α′，实际偏振角表示为α。

将q、u分量带入方程，可以得到有误差偏振角α′与偏振角度误差δ0、δ45、δ90、δ135及实际偏振角α的关系式可以表示为：

已知δ0、δ45、δ90、δ135、α′，可以解得实际偏振角α。

步骤2.2，校正偏振图像中的偏振度误差，图像偏振度方程表示为：

其中，有误差偏振度表示为β′，实际偏振度表示为β。

将i、q、u分量带入方程，可以得到有误差偏振度β′与偏振角度误差δ0、δ45、δ90、δ135，实际偏振角α及实际偏振度β的关系式可以表示为：

已知δ0、δ45、δ90、δ135、β′，并根据步骤1解得偏振角α，可以计算得到实际偏振度β。

至此，完成对可见光偏振系统偏振片角度误差校正。

实施例2：

本发明实施例2对红外偏振系统偏振片角度误差进行校正，实验设施包括面元黑体，精确标定角度的偏振片，待校正红外偏振系统。图2为红外偏振系统偏振片角度误差原理图。

针对本实施例2中可见光偏振系统偏振片角度误差校正方法，具体实施步骤包括：

步骤1，对待校正偏振系统偏振片角度误差进行测量。

具体步骤为：

步骤1.1，将面元黑体放置于待校正偏振系统前，保证面元黑体辐射充满整个视场；调节黑体温度，使偏振系统灰度值低于最大值；

步骤1.2，在黑体与偏振系统中加入精确标定角度的偏振片，将偏振系统的偏振角度分别调整到0°、45°、90°、135°，将标定的偏振片分别旋转至与其消光的角度-90°、-45°、0°、45°，并统计其误差，得到0°、45°、90°、135°这4个方向的误差分别为δ0、δ45、δ90、δ135。为减小随机误差的影响，角度误差重复4次，取平均值。

步骤2，利用偏振角度误差校正偏振图像。目标及背景光可以分解成自然光和偏振光，表示为：

itotal＝ip+iup(21)

其中itotal表示总光强，ip表示偏振光，iup表示非偏光或自然光。

根据马吕斯定律，计算得到偏振系统在各个偏振角度得到的光强表示如下：

其中，i0、i45、i90、i135分别表示偏振片在0°、45°、90°、135°所得到的光强，偏振光与偏振片偏振化方向夹角α。

偏振图像的斯托克斯参量可以表示为：

其中i、q、u分别代表偏振图像的强度、水平/垂直分量、+45°/-45°分量。

步骤2.1，应用公布号cn106289542a方法对已获取的斯托克斯参量进行偏振红外系统辐射校正；

步骤2,2，校正偏振图像中的偏振角误差，图像偏振角方程表示为：

其中，有误差偏振角表示为α′，实际偏振角表示为α。

将q、u分量带入方程，可以得到有误差偏振角α′与偏振角度误差δ0、δ45、δ90、δ135及实际偏振角α的关系式可以表示为：

已知δ0、δ45、δ90、δ135、α′，可以解得实际偏振角α。

步骤2.3，校正偏振图像中的偏振度误差，图像偏振度方程表示为：

其中，有误差偏振度表示为β′，实际偏振度表示为β。

将i、q、u分量带入方程，可以得到有误差偏振度β′与偏振角度误差δ0、δ45、δ90、δ135，实际偏振角α及实际偏振度β的关系式可以表示为：

已知δ0、δ45、δ90、δ135、β′，并根据步骤1解得偏振角α，可以计算得到实际偏振度β。

至此，完成对红外偏振系统偏振片角度误差校正。