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《国防科学技术大学》 2016年
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光场成像技术在天空偏振模式测量和湍流图像清晰化中的应用研究

张文静  
【摘要】:由于光场成像系统可记录被摄目标丰富的信息,因而具有许多传统成像方式不具备的功能。有鉴于此,近年来光场成像技术发展迅速,如何提取和利用光场中所包含的丰富信息,已成为光学成像领域新的研究热点。本文围绕“光场成像”这一概念,探索其在天空偏振模式探测和湍流图像清晰化方面的新型应用。首先,提出并实现了一种可以实时测量大视场天空偏振模式的方法和系统。使用“手持式光场相机+广角镜头+三象限偏振片”的系统结构,来模拟昆虫复眼感知天空偏振信息进而实现导航的功能。在此基础上,分析了两种不同的偏振计算公式对天空偏振模式测量结果精度的差别,认为系统中使用三象限偏振片要优于四象限偏振片。实际的实验结果表明,利用所搭建的偏振模式测量系统可得到与理论预测一致的天空偏振模式分布结果。为了从所探测到的天空偏振模式分布图中提取出太阳的方向信息,将偏振化方向角分布结果在新的参考系下进行了重绘,使其关于太阳子午线对称的特征显著体现出来。在此基础上通过提取图像对称轴的方法获取了太阳子午线,进而计算出了航向角的数值。为了验证该方法的稳健性和航向角计算精度,在不同天气状况下实施了多组实验。结果表明:晴朗天气下所得航向角精度较高,多云以及强烈日光的干扰对结果精度有所影响,而且云层的高度和厚度不同时,影响程度不同。总的来说,基于论文中所设计的成像系统和图像处理方法,不同天气情况下的所获图像的对称性特征都比较明显,均可较为准确的提取出航向信息。针对多云及强烈日光干扰的问题,进一步探索了提升偏振模式探测稳健性的方法。通过将实验系统中的三象限偏振片更换为径向偏振片,完全采用图像处理的方法得到了偏振模式分布信息,从而将方法对图像灰度绝对值的依赖中解脱出来。实验结果表明,该方法在一定程度上改善了云层遮挡的影响,具有一定的发展潜力和应用前景。在湍流图像清晰化应用方面,提出了基于对称离焦光场差值的幸运区域成像方法。数值模拟了不同湍流条件下点目标的对称离焦图像,并证明两离焦图像的差值可作为在焦图像清晰程度的判断依据。在此基础上,将点目标的判断方法用于扩展目标中,并提出了幸运区域的概念。实验结果表明,无论是点目标还是扩展目标,其前后离焦图像差值都可以很好的反映出图像受大气湍流干扰的强度且灵敏度很高。实验初步验证了基于离焦光场差值的幸运区域成像方法用于实现湍流图像清晰化的可行性。
【学位授予单位】:国防科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TP391.41

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