地球上海洋面积约占70%, 海面之下蕴含着大量的资源待人类探索、开发和利用。但由于水下环境复杂多变, 想要对水下世界进行探索和发现并不简单。偏振成像技术因其与传统光学成像技术相比具有多维偏振矢量信息, 一经提出便广受学术界关注, 这也促成了水下偏振探测及处理技术的蓬勃发展。在对水下目标物进行成像时, 因为水体中大量微粒和一些可溶性物质会对光产生吸收和散射作用, 导致进入接收器的光能量发生严重衰减, 致使水下图像模糊不清、质量不佳很难达到实际应用需求。文章通过研究不同类型光照条件下水下目标的偏振成像特性, 使用CMOS相机在不同类型光源的照射下对目标物分别进行水下偏振成像; 再对采集到的不同角度的偏振图像运用Stokes矢量法计算得到其偏振度、偏振角和反射光总光强等偏振分量图像; 通过图像融合的方式对获取到的偏振信息图像进行融合以结合不同偏振矢量图像的优势信息; 最后使用拉普拉斯边缘增强技术对融合图像进行增强进而实现退化图像的复原。

针对浑浊水下成像环境, 提出了基于非均匀圆偏振光照射的浑浊水下偏振图像处理方法。首先对非均匀圆偏振光照明条件下目标成像和处理遇到的困难进行了分析, 并对圆偏振光作为光源的特点进行阐述; 其次设计成像环境对水下目标物的偏振图像和可见光图像进行采集。采用基于CLAHE和MSRCR的方法对可见光图像进行预处理, 大幅度消除非均匀光照对图像清晰度的影响; 依据水下成像的物理模型, 考虑到水下目标物反射光的偏振特性, 提出了一种基于偏振信息图像融合的图像去雾方法, 实验证明该方法能够对偏振信息图像进行优势融合并增强其边缘轮廓; 考虑到人眼视觉特性, 将偏振信息融合图像与优化后的可见光图像进行融合, 最终实现对水下模糊偏振图像的复原。结果表明, 该方法实现了偏振图像边缘轮廓及纹理的增强, 显著提高了水下图像的质量。

从光学多维信息获取器件的小、简洁、易集成化的设计角度出发,对超透镜偏振、相位调控的原理进行分析,基于传输相位和几何相位设计了硅基正交圆偏振光同时聚焦的超透镜(工作波长为800 nm),该器件可同时获取目标的两个正交圆偏振光强度信息。利用x偏振光矩形结构和y偏振光矩形结构的相似性简化设计流程,缩短了设计时间;选择深宽比较小和尺寸容差较大的基元结构,降低了加工工艺要求。使用有限时域差分(FDTD)软件仿真验证了器件的偏振分光和聚焦成像功能,超透镜在数值孔径为0.45时的聚焦效率为56.2%。

针对联合双边滤波修复深度图像时无法准确估计滤波邻域范围和权重参数、深度图像的空洞填充效果不佳等问题,提出一种自适应深度图像空洞填充与优化算法。该算法减少了输入参数,实现了对每个深度缺失值的修复,根据有效像素占比确定每个空洞像素点的滤波邻域范围,通过邻域大小计算空间距离权重项参数,引入结构相似度(SSIM)作为颜色相似权重项参数的计算指标。在Middlebury立体匹配数据集和经过配准的Kinect RGB-D数据集上检测所提算法的性能,并与其他方法进行定性比较和定量分析。实验结果表明,所提算法能够有效填充深度缺失空洞,抑制深度图像噪声,更加精细、准确地改善深度图像的质量。

针对利用彩色图像进行车辆检测时会受到路面阴影、车辆反光和光线不足等复杂情况影响的问题,提出一种基于卷积神经网络并融合彩色与深度图像的车辆检测算法。设计单通道RG-D融合网络和双通道RGB-D融合网络两种改进模型,分别用于提高检测速度和准确度。实验使用GTA(Grand Theft Auto)车辆数据集对该算法进行测试,并与基于RGB图像的其他流行算法进行对比和分析,结果表明:与基于彩色图像的Yolo v2算法相比,利用双通道RGB-D融合网络检测的准确率和召回率分别提升5.69%和6.31%,利用单通道RG-D融合网络对单一图像的最快检测速度达到24 ms。实验证明,基于RGB-D图像的改进网络模型能够实现实时检测,并有效提高车辆检测精度。

设计了基于时间波长交织技术的多通道连续型光子时间拉伸模数转换(PTS-ADC)系统。研究了互补型双马赫-曾德尔调制器(MZM)结构对多通道连续型PTS-ADC的性能影响。通过理论推导验证了互补型双MZM抑制PTS-ADC中二阶谐波产生的原理。设计了一种基于互补型双MZM的连续型PTS-ADC系统,利用Optisystem软件对该系统进行仿真研究,对频率为6 GHz的射频(RF)信号进行模数转换。仿真结果表明,基于互补调制的多通道连续型PTS-ADC系统可以对RF信号实现降频处理及连续采样,实现了4.69的有效量化位数。

研究了色散补偿光子晶体光纤(DC-PCF)对双通道光子时间拉伸模数转换器(PTS-ADC)的性能影响。通过理论推导验证了DC-PCF抑制PTS-ADC中三阶谐波产生的原理。设计了一种基于DC-PCF的双通道PTS-ADC系统,利用Optisystem软件对该系统进行仿真研究,分别对5组不同的输入射频(RF)信号(16.25,20.25,24.25,28.25,32.25 GHz)进行模数转换,对比DC-PCF和色散补偿光纤(DCF)作为色散介质时系统的有效量化位数等性能参数。仿真结果表明,DC-PCF能够有效抑制三阶谐波的产生,提高双通道PTS-ADC的量化精度。

研究了互补型双马赫-曾德尔调制器(MZM)结构对光子时间拉伸模数转换器(PTS-ADC)的性能影响。通过理论推导验证了互补型双MZM抑制PTS-ADC中二阶谐波产生的原理。设计了一种基于互补型双MZM的PTS-ADC系统, 利用Optisystem软件进行仿真研究, 分别对5组不同的输入射频(RF)信号进行模数转换(10, 15, 20, 25, 30 GHz), 对比互补型双MZM和单输出MZM作为电光调制器时, 各系统对RF信号采样恢复的频率值。仿真结果表明, 互补型双MZM结构可以有效抑制二阶谐波, 提高了PTS-ADC的量化精度。

为了研究液晶光谱偏振系统的透过率特性，在可见光波段下的对透射谱分布进行仿真分析。基于Berreman矩阵获得液晶旋光器透射光谱，同时结合Lyot型可调谐滤光片以及液晶相位延迟器，分析了不同偏振态入射光在垂直入射和斜入射两种条件下系统的透射光谱。结果表明，垂直入射情况下在540~680 nm出现谷值，斜入射情况下在520~640 nm出现谷值，斜入射情况相对垂直入射情况光谱发生一定蓝移。当不同入射光通过系统时，圆偏振光在谷值区域透过率接近0，而线偏振光在谷值区域透过率约为0.25。通过对液晶偏振光谱系统的透射谱研究，有利于分析入射光构成，为深入研究系统以及提高系统性能奠定理论基础。