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一种基于偏振菲涅尔反射比的主动偏振成像目标辨别方法.pdf

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一种 基于 偏振 菲涅尔 反射 主动 成像 目标 辨别 方法
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摘要
申请专利号:

CN201510532933.X

申请日:

2015.08.26

公开号:

CN106483075A

公开日:

2017.03.08

当前法律状态:

实审

?#34892;?#24615;:

审中

法?#19978;?#24773;: 实质审查的生效IPC(主分类):G01N 21/21申请日:20150826|||公开
IPC分类号: G01N21/21 主分类号: G01N21/21
申请人: 南京理工大学
发明人: 潘佳惠; 陈钱; 吕芳; 俞晓东
地址: 210094 江苏省南京?#34892;?#27494;区孝陵卫200号
优?#28909;ǎ?/td>
专利代理机构: 南京理工大学专利中心 32203 代理人: 唐代盛;孟睿
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法律状态
申请(专利)号:

CN201510532933.X

授权公告号:

|||

法律状态公告日:

2017.04.05|||2017.03.08

法律状态类型:

实质审查的生效|||公开

摘要

本发明提出一种基于偏振菲涅尔反射比的主动偏振成像目标辨别方法,通过改变入射方向与探测方向的天顶角获得多组理论和实际的偏振菲涅耳系数比,并且从中恢复得到目标物体的相关光学常数,然后通过物体的光学常数对不同材料进行区分以实现目标辨别。本发明方便?#34892;?#30340;实现目标的辨别,同时提高了偏振在目标辨别工程应用中的鲁棒性和普适性。

权利要求书

1.一种基于偏振菲涅尔反射比的主动偏振成像目标辨别方法,其特征在于,包括
下述步骤:
步骤一,使光源产生的入射光经物体表面反射,再透过偏振片到达探测器,探测器
探测反射光强,且使入射方向与探测方向的方位角夹角为180°,根据已知的入射方向
与探测方向的天顶角计算获得入射方向或探测方向与微面元法线之间的夹角β;
步骤二,计算实际偏振菲涅尔系数比和理论偏振菲涅尔系数比:
计算实际偏振菲涅尔系数比的方法为:改变光源的偏振态,使入射光分别以垂直于
物体反射面的线偏振光s光和平行于物体反射面的线偏振光p光入射到物体表面,同时
旋转偏振片,用探测器在偏振角ω分别位于0°和90°时,探测获得一组s光和p光所对
应的反射光强然后根据下式计算获得物体表面的实际偏振菲涅
尔系数比q:
<mrow> <mi>q</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msubsup> <mi>I</mi> <mi>p</mi> <mn>0</mn> </msubsup> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>I</mi> <mi>p</mi> <mn>90</mn> </msubsup> </mrow> <mrow> <msubsup> <mi>I</mi> <mi>s</mi> <mn>0</mn> </msubsup> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>I</mi> <mi>s</mi> <mn>90</mn> </msubsup> </mrow> </mfrac> </mrow>
物体表面的理论偏振菲涅尔系数比Q的方法如下式所示:
<mrow> <mi>Q</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>F</mi> <mi>p</mi> </msub> <msub> <mi>F</mi> <mi>s</mi> </msub> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>A</mi> <mo>-</mo> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mo>(</mo> <mi>&beta;</mi> <mo>)</mo> <mi>t</mi> <mi>a</mi> <mi>n</mi> <mo>(</mo> <mi>&beta;</mi> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mi>B</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>A</mi> <mo>+</mo> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mo>(</mo> <mi>&beta;</mi> <mo>)</mo> <mi>t</mi> <mi>a</mi> <mi>n</mi> <mo>(</mo> <mi>&beta;</mi> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mi>B</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中,β是步骤一获得的入射方向或探测方向与微面元法线之间的夹角,Fs和Fp分
别表示s光和p光入射于物体反射面时的反射?#21097;珹和B是自定义参数,n表示折射?#21097;?br />k为衰减系数,且有
<mrow> <mn>2</mn> <msup> <mi>A</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>=</mo> <msqrt> <mrow> <mn>4</mn> <msup> <mi>n</mi> <mn>2</mn> </msup> <msup> <mi>k</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msup> <mi>n</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <msup> <mi>k</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <mi>s</mi> <msup> <mi>in</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>(</mo> <mi>&beta;</mi> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> <mo>+</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msup> <mi>n</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <msup> <mi>k</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <msup> <mi>sin</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>(</mo> <mi>&beta;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo> </mrow>
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步骤三,改变入射方向或探测方向的天顶角,重复步骤一和步骤二,直至获得在m
个不同天顶角角度下的m组实际偏振菲涅尔系数比和理论偏振菲涅尔系数比;
步骤四,根据目标函数G(n,k),采用非线性最小二?#22235;?#21512;方法,反演获得物体的最
优光学常数n和k,然后通过物体的光学常数对不同材料进行区分以实现目标辨别,所
述目标函数G(n,k)为,
<mrow> <mi>G</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>m</mi> </munderover> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>Q</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>q</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow>
其中,m表示m个不同的天顶角角度,Qi表?#38236;趇次测量对应角度下的理论偏振菲
涅尔系数比,qi表?#38236;趇次测量对应角度下的实际偏振菲涅尔系数比。
2.如权利要求1所述基于偏振菲涅尔反射比的主动偏振成像目标辨别方法,其特
征在于,其中,θi为入射方向的天顶角,θr为探测方向的天顶角。

说明书

一种基于偏振菲涅尔反射比的主动偏振成像目标辨别方法

?#38469;?#39046;域

本发明属于目标成像?#38469;?#39046;域,涉及一种主动偏振成像目标辨别方法,尤其涉及一
种基于偏振菲涅尔反射比的主动偏振成像目标辨别方法。

背景?#38469;?br />

对于成像目标识别系统而言,偏振信息作为目标新的一维信息,是目标表面的一种
基本的光学特性,目标的偏振特性与目标的材料、目标表面形态、目标表面粗糙度等都
有关系。由于偏振特性其本身的机理较为复杂,以及对探测识别的器件和系统都有较高
的要求,尤其是在粗糙的目标表面,物体的偏振特性的建模就是一个难题,目前对物体
表面散射光分?#20339;?#31350;较为流行的是偏振双向分布反射函数。

双向反射是指地物的反射率随入射方向和反射方向而变化的特性,微面元双向反射
模型是假设物体的粗糙表面是一系列微面元的集合,每一个微面元?#38469;薔得媯?#25506;测到的
辐射亮度是由一系列微面元的分布的宏观反映。为了表征物体表面光散射的空间分布,
如图1所示,在物体表面建立笛卡尔三维坐标系,定义物体表面法线方向定义为Z方向,
与Z轴垂直的物体表面为X轴和Y轴,θi为入射方向的天顶角,θr为探测方向的天顶
角,φi为入射方向的方位角,φr为探测方向的方位角,θ表示微面元法线与物体表面法
线之间的夹角,β表示入射方向或探测方向与微面元法线之间的夹角。

目前无论是物体表面的偏振特性的理论研究或者目标识别方面的工程应用,被动偏
振成像仍然占主导地位。但是,被动偏振成像由于受到外界环境?#30001;?#20809;的不稳定性以及
其他诸多干扰,因而在实际应用中受到一定的限制。而主动偏振成像的优点在于发射的
光的偏振态以及其他光学调制信息已知,所以在接收到的偏振图像后能够更准确的反推
出目标的表面特性。

发明内容

本发明要解决的?#38469;?#38382;题是提出一种既能方便?#34892;?#30340;实现目标的辨别,同时又能提
高偏振在目标辨别工程应用中的鲁棒性和普适性的目标辨别方法。

为了解决上述?#38469;?#38382;题,本发明提供一种基于偏振菲涅尔反射比的主动偏振成像目
标辨别方法,包括下述步骤:

步骤一,使光源产生的入射光经物体表面反射,再透过偏振片到达探测器,探测器
探测反射光强,且使入射方向与探测方向的方位角夹角为180°,根据已知的入射方向
与探测方向的天顶角计算获得入射方向或探测方向与微面元法线之间的夹角β,其中
θi为入射方向的天顶角,θr为探测方向的天顶角;

步骤二,计算实际偏振菲涅尔系数比和理论偏振菲涅尔系数比:

2.1计算实际偏振菲涅尔系数比的方法为:改变光源的偏振态,使入射光分别以垂
直于物体反射面的线偏振光s光和平行于物体反射面的线偏振光p光入射到物体表面,
同时旋转偏振片,用探测器在偏振角ω分别位于0°和90°时,分别探测获得一组s光和p
光所对应的反射光强则物体表面的实际偏振菲涅尔系数比q
为:


2.2物体表面的理论偏振菲涅尔系数比Q为:


其中,β是步骤一获得的入射方向或探测方向与微面元法线之间的夹角,Fs和Fp分别
表示s光和p光入射于物体反射面时的反射?#21097;珹和B是自定义参数,n表示折射?#21097;琸
为衰减系数,且有



步骤三,改变入射方向或探测方向的天顶角,重复步骤一和步骤二,直至得到在m
个不同天顶角角度下的m组实际偏振菲涅尔系数比和理论偏振菲涅尔系数比。

步骤四,根据目标函数G(n,k),采用非线性最小二?#22235;?#21512;方法,反演获得物体的最
优光学常数n和k,然后通过物体的光学常数对不同材料进行区分以实现目标辨别,所
述目标函数G(n,k)为,


其中,m表示m个不同的天顶角角度,Qi表?#38236;趇次测量对应角度下的理论偏振菲涅尔
系数比,qi表?#38236;趇次测量对应角度下的实际偏振菲涅尔系数比。

本发明与现有?#38469;?#30456;比,其显著优点在于,本发明所提出的方法实施简单,通过改
变入射方向与探测方向的天顶角获得多组理论和实际的偏振菲涅耳系数比,并且从中恢
复得到目标物体的相关光学常数,再通过物体的光学常数即可对不同材料进行区分,本
发明方便?#34892;?#30340;实现目标的辨别,同时提高了偏振在目标辨别工程应用中的鲁棒性和普
适性。

附图说明

图1是微面元双向反射函数坐标系统示意图。

图2是本发明基于偏振菲涅尔反射比的主动偏振成像目标辨别方法的流程图。

具体实施方式

容易理解,依据本发明的?#38469;?#26041;案,在不变更本发明的实质精神的情况下,本领域
的一般?#38469;?#20154;员可以想象出本发明基于偏振菲涅尔反射比的主动偏振成像目标辨别方
法的多种实施方式。因此,以下具体实施方式和附图仅是对本发明的?#38469;?#26041;案的示例性
说明,而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明?#38469;?#26041;案的限制或限定。

如图2所示,本发明包括下述步骤:

步骤一,构造光路,使光源产生的入射光经物体表面反射,再透过偏振片到达探测
器,探测器探测反射光强,且使入射方向与探测方向的方位角夹角φ=|φi-φr|=180°,
根据已知的入射方向与探测方向的天顶角得到入射方向或探测方向与微面元法线之间
的夹角其中,φi为入射方向的方位角,φr为探测方向的方位角,θi为入射
方向的天顶角,θr为探测方向的天顶角。

步骤二,计算实际偏振菲涅尔系数比和理论偏振菲涅尔系数比。

2.1改变光源的偏振态,使入射光分别以垂直于物体反射面的线偏振光s光和平行
于物体反射面的线偏振光p光间隔入射到物体表面,同时旋转探测器前的偏振片,使偏
振片的偏振角ω分别位于0°和90°,用探测器在偏振角ω分别位于0°和90°时,分别探测
获得一组s光和p光所对应的反射光强其中,下标表示入射光
的偏振方向,上标表示偏振片的偏振角。则物体表面的实际偏振菲涅尔系数比PFR1如
下式的q所示:


2.2物体表面的理论偏振菲涅尔系数比PFR2如下式的Q所示:




其中,β是步骤一中所得的参数,Fs和Fp分别表示s光和p光入射到物体反射面
时的反射?#21097;珹和B是自定义参数,n表示折射?#21097;琸为衰减系数。

步骤三,改变入射方向或探测方向的天顶角,重复步骤一和步骤二,直至得到在m
个不同天顶角角度下的m组实际偏振菲涅尔系数比和理论偏振菲涅尔系数比。

步骤四,构造目标函数G(n,k):


式中:m表示m个不同的天顶角角度,Qi表?#38236;趇次测量对应角度下的理论偏振菲
涅尔系数比,qi表?#38236;趇次测量对应角度下的实际偏振菲涅尔系数比。

结合构造函数G(n,k),采用非线性最小二?#22235;?#21512;算法,反演出物体的最优光学常数
n和k:

[n,k]=argminG(n,k)

最后通过物体的光学常数对不同材料进行区分以实现辨别目标的目的。

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