浑浊介质中主动偏振成像技术

“偏振成像探测技术学术丛书”序

前言

第1章 绪论

 1.1 浑浊介质定义及分类

 1.2 为什么要研究浑浊介质中的偏振成像

 1.3 浑浊介质中偏振成像方法研究现状

 1.3.1 基于光散射模型的偏振成像方法

 1.3.2 Mueller矩阵成像

 1.3.3 基于光偏振特性差异的偏振成像方法

 1.3.4 偏振光传输与探测Monte Carlo模拟

 1.4 本章小结

第2章 偏振光及其在浑浊介质中的传输特性

 2.1 光的偏振及表示

 2.1.1 偏振现象

 2.1.2 光偏振态的表示方法

 2.2 偏振光与浑浊介质的相互作用

 2.2.1 偏振光在浑浊介质中的电磁散射

 2.2.2 光在浑浊介质中的散射过程

 2.3 偏振光在浑浊介质中的传输特性

 2.3.1 浑浊介质中典型光学特征参量测量

 2.3.2 偏振光在散射介质中的前向传输特性

 2.3.3 偏振光在散射介质中的后向传输特性研究

 2.4 浑浊介质中光传输的Monte Carlo模拟

 2.4.1 随机变量抽样

 2.4.2 Monte Carlo模拟坐标系统

 2.4.3 光子传输过程实现

 2.5 本章小结

第3章 基于光传输模型的偏振成像

 3.1 基于Treibitz模型的偏振成像

 3.1.1 基于传统Treibitz模型的偏振成像

 3.1.2 基于Treibitz改进模型的偏振成像

 3.2 基于Schechner光散射模型的浑浊介质中的偏振成像

 3.2.1 Schechner光散射模型简介

 3.2.2 考虑目标偏振特性的光散射偏振成像

 3.2.3 基于非均匀光模型理论基础的水下偏振成像方法

 3.3 本章小结

第4章 高时效性偏振差分成像

 4.1 普通偏振差分成像

 4.2 快速偏振差分成像

 4.2.1 快速偏振差分成像原理

 4.2.2 背景光偏振方向角的计算

 4.2.3 快速偏振差分成像实验测量系统

 4.2.4 快速偏振差分成像实验结果

 4.3 光矢量方向调控的偏振差分成像

 4.3.1 光矢量方向调控的偏振差分成像模型

 4.3.2 光矢量方向调控的偏振差分成像系统

 4.3.3 光矢量方向调控的偏振差分成像实验验证

 4.3.4 光矢量方向调控的偏振差分成像实验结果

 4.4 本章小结

第5章 距离选通偏振差分成像

 5.1 距离选通偏振差分成像简述

 5.1.1 偏振光照明均匀性分析

 5.1.2 距离选通成像技术原理

 5.1.3 距离选通偏振差分成像方法

 5.2 基于距离选通偏振差分成像的伪装目标的探测与识别

 5.3 基于距离选通偏振差分成像提高目标成像质量

 5.4 快速距离选通偏振差分成像

 5.5 本章小结

第6章 浑浊介质中偏振成像Monte Carlo模拟分析

 6.1 偏振差分成像的MonteCarlo模拟分析

 6.1.1 普通介质中偏振差分成像模拟

 6.1.2 双折射介质中偏振差分成像模拟

 6.1.3 介质特性对偏振差分成像的影响规律

 6.2 距离选通偏振差分成像的MonteCarlo模拟分析

 6.2.1 距离选通偏振差分成像原理

 6.2.2 普通介质中距离选通偏振差分成像模拟分析

 6.2.3 双折射介质中的距离选通偏振差分成像模拟分析

 6.2.4 介质特性对距离选通偏振差分成像的影响规律

 6.3 本章小结

参考文献

第1章　绪论　　1.1浑浊介质定义及分类　　光在一种介质中传播时，若介质中不存在异质体，即介质均匀，那么光线将遵循光的直线传播规律。但是，在大气、湖水等其他存在微小颗粒的介质中，光线将不再沿直线传播，而是向周边发散传播。这类能导致光散射现象的折射率非均匀性介质常被定义为浑浊介质，也称散射介质。　　浑浊介质包括多种不同的存在形式，主要可以分为以下4类。　　①气体中混有微小液滴，如雾。　　②气体中混有固体微粒，如霾。　　③液体中混有固体微粒，称为悬浊液。　　④液体中混有另一种液体的微小液滴，称为乳剂。我们将前两类气态浑浊介质统称为雾霾或气溶胶。后两类液态浑浊介质的典型代表分别为海水和生物组织。　　雾是由大量悬浮在近地面空气中的微小水滴或冰晶组成的气溶胶系统，多出现于秋冬季节，是近地面层空气中水汽凝结 (或凝华)的产物，会降低能见度。目标物水平能见度降低到1000米以内的称为雾，1000～10000米的称为轻雾或霭。由于液态水或冰晶组成的雾散射的光与波长关系不大，因此雾看起来呈乳白色、青白色、灰色。霾也称灰霾 (烟雾)，是空气中混有灰尘、硫酸、硝酸、有机碳氢化合物等固体粒子造成的大气浑浊现象。频发的雾霾会对民众的身体健康、正常生活和社会的经济发展等造成严重影响。　　海洋覆盖超过70%的地球表面，一方面，海洋具有丰富的资源；另一方面，海洋是我国对外贸易，特别是石油等重要战略资源进口的主要通道。因此，海洋维系着我国诸多重大安全和发展利益。保卫国家海洋安全、维护海洋权益、保障海洋通道及重大海外利益，都离不开精准的海洋监测。对海洋目标进行实时追踪定位，以及对海洋矿物石油等资源进行勘探时，水下视觉能见度会随海水深度的增加而不断下降，严重影响追踪定位目标的精度和资源探勘的效率。　　生物组织是由不同大小、不同成分的细胞和细胞间质组成的浑浊介质。生物组织中的病变，特别是肿瘤等重大疾病对人民生命安全造成了重大威胁。以食管癌为例，若早期得到诊断，则手术切除率100%、5年存活率高达90%，而中晚期手术治疗远期疗效都很差，5年存活率<30%。光学成像法具有非接触、无辐射等优势，是生物组织内病变区域影像检测的重要手段，但成像时散射光与反射光叠加到一起会严重影响影像质量，导致诊断准确率难以满足要求。　　可见，研究光在浑浊介质中的传播特性，提高浑浊介质中的光学成像质量，对于诊断重大疾病，保障人民的身体健康和生命安全；探测与开发海洋资源，促进海洋经济发展；探测识别目标，维护海洋权益与安全等国计民生和国家安全问题至关重要。　　1.2为什么要研究浑浊介质中的偏振成像　　当光在浑浊介质中传输时，会受到介质中粒子吸收和散射等作用的影响。　　光吸收是光通过浑浊介质时与其发生相互作用，光能量被部分地转化为其他能量形式的物理过程。吸收作用使光能量降低，图像亮度减弱，同时，不同波长的光吸收不同，还会引起颜色畸变。若浑浊介质对光仅存在吸收作用，则通过增加光源强度或者选择感光度和敏感度较高的探测器，根据吸收谱线进行颜色校正提高图像质量。