水下全偏振信息成像技术研究

Underwater polarization imaging plays a pivotal role in underwater detection, with which underwater images can be obtained by illuminating the target scene with polarized light and imaging the scene with polarization camera. In order to further improve the contrast and resolution of underwater images, this project will investigate a full polarization underwater imaging technology. The underwater propagation of polarized light is first modeled. By the model, we can determine the scattering light contributes the most to the image degradation. Then to deal with the scattering light, the imaging system will be improved by coupling a wave plate and a polarizer after the illumination and before the camera. By this way, the Muller matrix images of the scene will be available, making the extraction of full polarization information possible. Finally, the full polarization information will be used to reconstruct high-quality images. In addition, the circularly polarized light will also be employed to keep the good performance of the system since it’s polarization signature survives a longer propagation than linearly polarized light does. Above all, this project, if approved, will contribute substantially to developing underwater detection and open up wide applications of this technique in many different fields.

水下偏振成像技术主要是一种采用主动光源照明，利用偏振探测装置对目标场景信息进行捕捉的新型光电成像技术，其在水下探测领域扮演着关键角色。为了获得高质量水下图像，提高图像对比度和分辨率，本项目的研究重点为全偏振水下成像技术。首先，拟建立光在水中传播过程的散射光全偏振分析物理模型，通过计算确定研究的关键为散射光的处理；然后，在传统偏振成像系统的基础上提出改进方案，通过在发射端和接收端分别耦合偏振片和波片，获取目标场景的Muller矩阵图像，从而提取目标的全偏振信息；最后，利用散射光的全偏振信息设计水下图像重建算法，获得高质量的清晰水下图像。此外，本项目还将通过调节光源的偏振特性产生在水下具有良好保偏效果的圆偏振光，来提高系统的水下成像性能。本项目将为水下探测技术的发展提供坚实的理论和技术基础

为满足水下光电成像技术更远的作用距离及更高的成像对比度的迫切需求，针对水下成像中强后向散射光大幅影响目标信息获取和解译这一难题，为了获得高质量水下图像，提高图像对比度和分辨率，本项目通过Mueller矩阵的偏振表征特性建立全偏振水下成像技术。首先，拟建立光在水中传播过程的散射光全偏振分析物理模型，通过计算确定研究的关键为散射光的处理；然后，在传统偏振成像系统的基础上提出改进方案，通过在发射端和接收端分别耦合偏振片和波片，获取目标场景的Muller矩阵图像，从而提取目标的全偏振信息；最后，利用散射光的全偏振信息设计水下图像重建算法，获得高质量的清晰水下图像。本项目的主要在多尺度水下偏振成像、水下被动高保真成像方面及透高浑浊度水体清晰化成像等几方面取得了相应突破，结果表明成像距离得到1.5~2倍的提升，对比度得到不小于2倍提升。此外，本项目还将通过调节光源的偏振特性产生在水下具有良好保偏效果的圆偏振光，来提高系统的水下成像性能。本项目中在散射介质中对偏振特性的分析及解译，奠定了远距离高精度被动式偏振三维成像技术领域的研究基础，为偏振成像技术的发展提供坚实的理论。