李大林，唐　軍，王　飛，張　楠，王晨光，任建斌，薛晨陽，劉　俊，劉麗雙

（中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051）

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偏振成像及其優(yōu)化技術(shù)研究*

李大林，唐軍，王飛，張楠，王晨光，任建斌，薛晨陽，劉俊，劉麗雙*

（中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051）

摘要：偏振成像技術(shù)中成像器件所接受到的曝光量以及成像器件的靈敏度都對(duì)圖像的質(zhì)量以及偏振信息的獲取產(chǎn)生了關(guān)鍵性的影響。從成像器件所接受到的曝光量以及成像器件的靈敏度兩個(gè)方面分別分析其對(duì)天空偏振信息獲取的影響。在日照充足的晴朗天氣下，器件很容易發(fā)生過曝，所以首先要采取減小曝光量的方法來進(jìn)行成像。實(shí)驗(yàn)表明，將曝光量減小5倍，偏振信息的精確度可提高48%。其次通過控制靈敏度來控制器件對(duì)于光線的敏感程度。實(shí)驗(yàn)表明，靈敏度每降低一個(gè)等級(jí)，相似度就可以提高5%，并且在感光度為100時(shí)相似度可達(dá)到最大值，這時(shí)的測(cè)量精度最高可達(dá)70%左右。

關(guān)鍵詞：偏振成像；感光元件；曝光量調(diào)節(jié)；靈敏度調(diào)節(jié)

項(xiàng)目來源：國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2012CB723404）；國家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目（51225504）；國家自然科學(xué)基金培養(yǎng)項(xiàng)目、面上項(xiàng)目、青年基金項(xiàng)目（91123016，61171056，51105345）；山西省高等學(xué)校優(yōu)秀青年學(xué)術(shù)帶頭人支持計(jì)劃項(xiàng)目

對(duì)于地球表面和大氣中的任何目標(biāo)，在反射、散射和透射太陽輻射的過程中，都會(huì)產(chǎn)生其自身性質(zhì)決定的偏振光譜特征。通過獲取目標(biāo)的偏振光特征可以為被觀測(cè)目標(biāo)提供傳統(tǒng)方法無法獲取的信息［1］。所以，通過一定技術(shù)手段獲取高質(zhì)量的偏振信息圖像對(duì)于今后偏振光檢測(cè)在各領(lǐng)域的應(yīng)用至關(guān)重要。

美國的Kenneth J Voss教授［2］等在1996年設(shè)計(jì)了一種包含CCD相機(jī)和魚眼鏡頭的天空偏振測(cè)試系統(tǒng)?？茖W(xué)家Gabor Horvath等在2002年設(shè)計(jì)出由3臺(tái)相機(jī)和3個(gè)透鏡組成的偏振測(cè)試儀。Kreuter A， Emdeh C，Blumthaler M等［3］設(shè)計(jì)了可自動(dòng)旋轉(zhuǎn)偏振片的魚眼照相系統(tǒng)。國內(nèi)在偏振成像方面的研究較晚，但也取得了一定成果。中科院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所研制了可調(diào)波段CCD相機(jī)機(jī)載原理樣機(jī)，解決了機(jī)載平臺(tái)多波段成像的偏振信息獲取的關(guān)鍵技術(shù)［4］；劉俊課題組的研究人員通過設(shè)計(jì)仿生偏振傳感器，成功獲取了天空光的偏振分布信息［5］。

在獲取偏振信息時(shí)，通常采用的是斯托克斯矢量偏振成像原理，利用光電成像器件，將偏振信息轉(zhuǎn)化為二維圖像信息，用灰度值分布來表示光強(qiáng)的分布，進(jìn)一步得到偏振度和偏振方位角分布規(guī)律［6］。但是成像器件的成像過程只能感受光線的強(qiáng)弱，并不能分辨顏色，并且也不能完全將入射的光子轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。另外，在光強(qiáng)很大或很小時(shí)，超過了成像器件的動(dòng)態(tài)范圍，偏振信息就不能準(zhǔn)確地由光強(qiáng)來表示了。

針對(duì)以上問題，本文在偏振成像原理的基礎(chǔ)上，通過研究獲取二維偏振圖像時(shí)影響器件成像的因素，結(jié)合實(shí)驗(yàn)，比較分析了優(yōu)化前后偏振圖像的精度，得到最佳圖像獲取參數(shù)。

1　原理及實(shí)驗(yàn)

1.1偏振成像原理

偏振信息的表示方法有很多種，在描述大氣偏振時(shí)常采用斯托克斯矢量［7］。斯托克斯矢量包含4個(gè)有強(qiáng)度量綱的參量，可以表示為：

其中I為總光強(qiáng)；Q表示水平和垂直兩個(gè)方向的強(qiáng)度差；U則表示兩個(gè)對(duì)角線方向的強(qiáng)度差；V表示圓偏振分量的強(qiáng)度。如圖1所示，當(dāng)偏振片的透光軸與x軸的夾角為θ時(shí)，可以將探測(cè)到的光強(qiáng)I0表示為：

由于圓偏振的分量極少，一般假設(shè)V=0，因此，只需3組獨(dú)立的I0值就可確定I、Q、U。得到了斯托克斯矢量以后，偏振度和偏振角就可由式（3）計(jì)算得到［8］：

圖1　偏振片成像系統(tǒng)

1.2實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖2是實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)示意圖，系統(tǒng)由魚眼鏡頭、偏振片、CCD相機(jī)及云臺(tái)構(gòu)成。在實(shí)驗(yàn)過程中保持整個(gè)系統(tǒng)水平，在設(shè)置CCD相應(yīng)參數(shù)后選取偏振片透光軸方向?yàn)?°、45°、90°（以0°為參考）時(shí)的3個(gè)狀態(tài)來實(shí)時(shí)獲取天空偏振信息。

圖2　實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)示意圖

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1曝光量對(duì)偏振信息的影響

圖3、圖4分別是曝光時(shí)間為1/125 s，感光度為100和曝光時(shí)間為1/250 s，感光度為100時(shí)得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖中由上到下分別是光圈F值為18、13、10、8和7.1時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖3　曝光時(shí)間：1/125 s；ISO：100

圖4　曝光時(shí)間：1/250 s；ISO：100

其中（a）為相機(jī)實(shí)拍的照片、（b）為實(shí)測(cè)得到的偏振度分布圖、（c）為實(shí)測(cè)得到的偏振角分布圖、（d）為理論仿真的偏振度分布圖和（e）為理論仿真的偏振角分布圖。

從圖3（a）、4（a）中可以發(fā)現(xiàn)相同的曝光時(shí)間下，當(dāng)感光元件的照度變大時(shí)，曝光量也在增大，而偏振度分布圖3（b）、4（b）中顯示隨著照度的變大偏振度在減小。接下來對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行相似度比較，結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)光圈值在增大時(shí)，即曝光量減小的過程，相似度都會(huì)呈現(xiàn)出一種上升的趨勢(shì)。數(shù)據(jù)顯示，將曝光量減小5倍，偏振信息的精確度可提高48%。

圖5　不同F(xiàn)值下偏振度、偏振角相似度變化曲線

針對(duì)這種變化，我們從感光器件的工作原理上進(jìn)行了分析。對(duì)于實(shí)驗(yàn)中的成像器件CCD來說，感光單元只能感受光信號(hào)的強(qiáng)弱，其像素位置通過圖像傳感器輸出的顏色分量，事實(shí)上是對(duì)可見光波長范圍內(nèi)的光強(qiáng)按不同的加權(quán)求和得到的［9］?；叶戎礑則是用來衡量圖像的明暗程度，它與器件接受的曝光量H有很大關(guān)系［10］，曝光量的定義如式（4）所示：

其中E代表光敏器件表面的照度，它是反映光照強(qiáng)度的一種單位，其物理意義是照射到單位面積的上的光通量。其中照度可以通過調(diào)節(jié)光圈來控制［11］，兩者滿足關(guān)系式：

q是物鏡的特性參數(shù)，B表示亮度，實(shí)驗(yàn)中不關(guān)注這兩個(gè)量的影響。F值是鏡頭焦距與光圈直徑的比值，通常用來表示光圈的大小。由式（5）得知，照度與光圈F值得平方存在反比關(guān)系，所以一般通過改變F值的大小來控制感光元件表面的照度。曝光時(shí)間T可以理解為積分時(shí)間，在此期間光生電子存在一個(gè)積累過程。曝光時(shí)間越長，曝光量就越大。事實(shí)上，感光器件輸出的灰度值D與其曝光量H在一定范圍內(nèi)存在線性關(guān)系，這個(gè)范圍就定義為感光器件的動(dòng)態(tài)范圍［12］，動(dòng)態(tài)范圍越大，它能適應(yīng)的光線強(qiáng)度變化范圍就越大。

偏振度是一個(gè)計(jì)算結(jié)果，實(shí)測(cè)得到的是偏振片偏振極性方向在0°、45°、90°狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的的光強(qiáng)值。當(dāng)感光器件工作在線性區(qū)測(cè)得的光強(qiáng)值與實(shí)際光強(qiáng)值保持線性關(guān)系，而當(dāng)曝光量變大時(shí)，感光器件工作在非線性區(qū)，這3個(gè)強(qiáng)度值的誤差就會(huì)變大，所以計(jì)算得到的偏振度就會(huì)減小，相似度也就會(huì)降低。而圖5中1/250 s時(shí)偏振度和偏振角的相似度在光圈F值為18時(shí)較低，與1/125 s時(shí)曝光時(shí)間又減小了一倍，根據(jù)式（4），這時(shí)的曝光量就減小了一倍，超出了動(dòng)態(tài)范圍的下限，相似度也呈現(xiàn)出了減小的趨勢(shì)。

根據(jù)以上分析可知，在晴朗的白天由于外界光強(qiáng)很強(qiáng)，所以要盡量減小感光元件的曝光量，保證其工作在動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，這樣既可以得到較高的偏振度，又可以得到良好的相似度。

2.2靈敏度對(duì)偏振信息的影響

圖6、圖7是在曝光時(shí)間1/125秒，光圈F值為13時(shí)，使ISO值從F、100、125、160、200、250、320、400、500、640依次改變得到的。

圖6　曝光時(shí)間：1/125 s；F=13

圖7　曝光時(shí)間：1/125 s；F=13

其中（a）為相機(jī)實(shí)拍的照片、（b）為實(shí)測(cè)得到的偏振度分布圖、（c）為實(shí)測(cè)得到的偏振角分布圖、（d）為理論仿真的偏振度分布圖和（e）為理論仿真的偏振角分布圖。從圖6、圖7可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)感光度不斷增大時(shí)不僅實(shí)測(cè)的偏振度分布會(huì)發(fā)生變形，而且在不斷減小。同樣，我們也進(jìn)行了相似度的比較，如圖8所示。

觀察圖8發(fā)現(xiàn)，在晴朗的白天，當(dāng)感光度設(shè)為最低檔L時(shí)，實(shí)測(cè)偏振度和偏振角的相似度并不高，而當(dāng)感光度為100時(shí)相似度達(dá)到了最大值，之后，再增加感光度時(shí)，相似度就呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而靈敏度每升高一個(gè)等級(jí)，相似度就將降低5%左右。并且在感光度為100時(shí)相似度可達(dá)到最大值，這時(shí)的測(cè)量精度最高可達(dá)70%左右。從另一方面講，感光度也反映了正常曝光所需要的曝光量，感光度越高，所需曝光量就越少。當(dāng)感光度最低時(shí)，按器件設(shè)置的參量，接受的曝光量不足，就會(huì)導(dǎo)致相似度較低。當(dāng)感光度達(dá)100以上，其接受的曝光量已滿足，效果達(dá)到最好。

圖8　不同感光度下偏振度與偏振角的相似度

CCD的成像過程可以分為3個(gè)階段，第1階段是光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并存儲(chǔ)的過程；第2階段是電荷轉(zhuǎn)移輸出的過程；第3階段是信號(hào)讀出發(fā)放大的過程。在第3個(gè)階段中，CCD圖像傳感器內(nèi)部放大電路的放大倍數(shù)是可以調(diào)整的。改變放大倍數(shù)，相當(dāng)于改變了器件感受光線的靈敏度。而感光度就是衡量靈敏度的一個(gè)量。當(dāng)提高感光度時(shí)，傳感器存儲(chǔ)的電荷就會(huì)被放大，但放大有效信號(hào)的同時(shí)也放大了噪聲。另外，CCD的工作特性決定了藍(lán)通道噪聲的不可避免［13］。因?yàn)楦泄馄骷?duì)光線中紅、綠、藍(lán)3個(gè)分量的敏感程度并非完全一致，對(duì)綠光的敏感度最高，然后是紅光，對(duì)藍(lán)光的敏感度最差。因此，相對(duì)于紅光、綠光兩分量，在相機(jī)內(nèi)部的控制電路對(duì)藍(lán)光分量的增益更多。當(dāng)提高感光度值時(shí)，藍(lán)分量信號(hào)的增益系數(shù)就會(huì)相對(duì)較高，因此，真實(shí)信號(hào)放大的同時(shí)，噪聲信號(hào)也相應(yīng)地被放大了，圖像就出現(xiàn)了噪點(diǎn)和失真。在圖6和圖7中可以清楚地發(fā)現(xiàn)，當(dāng)感光度增大過程中，偏振度與偏振角分布圖的失真情況越來越嚴(yán)重，可見在光線充足的情況下要盡量采用低感光度，避免太大噪聲影響。

3　結(jié)論

結(jié)合理論和實(shí)驗(yàn)得知，在測(cè)量偏振信息時(shí)，影響測(cè)試結(jié)果的主要因素是感光元件的曝光量和靈敏度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在光線強(qiáng)度較大的晴天，通過適當(dāng)減小曝光量，使得感光器件能夠工作在動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，同時(shí)，由于光線情況足夠好，保持靈敏度參數(shù)感光度的值為100，就可以得到良好的偏振信息。由此我們可以進(jìn)一步得出，在黎明或傍晚光線強(qiáng)度較弱時(shí)，可以增大感光元件的曝光量來獲得較好的效果；在夜間光線強(qiáng)度極其微弱，可以通過增大器件的靈敏度，同時(shí)輔以增大曝光量來獲得高質(zhì)的偏振圖像。

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李大林（1989-），女，碩士研究生，主要從事偏振光導(dǎo)航信息處理方面的研究，lidalin8356@126.com；

劉麗雙（1968-），女，博士，教授，主要從事微米納米技術(shù)、慣性測(cè)試技術(shù)及仿生導(dǎo)航方面的研究，lls@nuc.edu.cn。

Design of Multi Channel High Precision Voltage Conversion Module Based on C51*

WANG Zhiwei*，LU Jinjun

（Department of Electrical Engineering，Jiangsu College of Information Technology，Wuxi Jiangsu 214153，China）

Abstract：We set up a multi channel high precision voltage conversion module in order to meet the requires of cali?bration thermocouple and after level controller in different industrial field，thus realizing high precision temperature measurement. This module generates the standard bipolar signal which is accordant with the after level measurement and control requirements. The hardware system of module uses C8051F064 as the control core，in which sets up lin?ear operational amplifier circuits with high performance chip such as AD8572 and the military level precision dis?crete device，in which achieves high resolution output with 16 DA converter MAX5541. According to test the physi?cal output by given 0~10 V input voltage point by point，the measured results show that the module has good stabili?ty，high conversion accuracy（up to±0.01%），fully meet the needs of different industrial field.

Key words：voltage conversion module；high-precision，SPI bus；physical test；linearity

doi：EEACC：1290B10.3969/j.issn.1005-9490.2016.01.008

收稿日期：2015-04-01修改日期：2015-04-26

中圖分類號(hào)：P401；O241.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-9490(2016)01-0032-04