随着信息化时代的快速发展,对呈现目标信息的图像质量要求日益提高,相应的成像技术也越来越多。常用的光学成像探测技术主要是通过目标的强度、光谱及空间状态等信息来实现成像,进而获取目标的性质参数。这些技术对环境的依赖性较强,若出现低能见度状况、目标伪装/遮蔽/隐藏于复杂背景等情况时,由于散射介质(如烟雾颗粒、灰尘等)的强散射作用,目标反射光会随着传输距离的增加变得越来越弱,而散射噪声光会变得越来越强,导致信噪比不断降低、目标信息被淹没在背景噪声之中。偏振光学成像探测技术是一种基于对目标反射光偏振特性探测的新型光学成像探测技术,通过获取同一目标的几幅不同偏振方向的图像,基于斯托克斯(Stokes)矢量进行像元对像元的偏振计算,得到目标的偏振图像。偏振成像反映的是目标的偏振信息,可以达到抑制背景噪声、提高探测距离(视距)、获取目标细节特征,实现识别目标的目的。主动偏振成像因其适用于全天候探测识别,尤其是暗/弱/小目标,可以有效地提高探测距离的优势,成为偏振成像很重要的一个研究方向。本论文主要针对穆勒(Mueller)矩阵偏振成像、目标偏振去散射增强成像以及三维偏振成像进行了深入的理论和实验研究。论文的主要研究内容和创新性成果可概述如下:(1)提出了一种基于分孔径同时偏振成像技术的Mueller矩阵快速测量方法。该方法可克服采用机械旋转偏振片或波片的传统Mueller矩阵测量方法存在的操作步骤多、耗时长等缺点。其创新性在于:利用液晶相位延迟器(LCVR)作为偏振态起偏模块,利用分孔径全Stokes矢量同时探测偏振成像相机作为偏振态检偏模块和成像探测模块。该分孔径相机可一次同时获得4幅偏振图像(包含三幅线偏振图像和一幅圆偏振图像),因此只需调节4次加载在LCVR上的电压,便可获得16幅偏振图像,从中解算出Mueller矩阵的16个元素。相比于需要至少16次甚至更多次独立测量过程的传统方法,该方法计算简单,测量效率高。开展了相应的Mueller矩阵测量实验研究,实验结果与理论结果相比,平均相对误差小于0.033。(2)提出了一种基于频域低通滤波的Stokes矢量偏振去散射成像算法。对现行基于Stokes矢量的偏振去散射算法进行了深入分析,发现受量子噪声的影响,需要设置偏置参数以获得高质量的去散射图像,而这些偏置参数随着外部环境变化或在RGB不同颜色通道中需要实时手动调整,导致算法不稳定。该方法的创新性在于:对图像进行傅里叶变换,在频域内用一个5×5的低通滤波器进行滤波,由于目标直接透射光和噪声信号是高频信号,因此通过低频滤波后的图像中是散射光信号,再以此来自动精确估算散射光的偏振特性和光强度参量,而不需要调整偏置参数,实现了图像退化模型中的参数固定;开展了相应的水下偏振去散射实验,实验结果证明采用该方法图像对比度能够提升1倍以上,且同样适用于大气中的雾霾图像去雾处理;该算法的运行时间短,计算效率提升70%以上。(3)提出了一种基于结构光条纹投影的三维偏振成像技术。三维成像可以得到物体的外形轮廓信息,而偏振成像往往能反映物体表面的结构、粗糙度、材料等特征。本文提出了一种基于结构光条纹投影的三维偏振成像技术。首先采用四步相移法将正弦条纹投影在目标上,接着采用洪水填充法解包裹相位,最后利用偏振度和偏振角信息对目标进行三维重构,得到目标的三维偏振图像。分别开展了黑白和彩色三维偏振成像实验研究,结果证明三维偏振成像不但可以得到目标物体的三维信息,还能够得到物体的偏振特征,并且RGB三个颜色通道包含的偏振信息不同。该技术同时结合了三维成像技术和偏振成像技术的优点,可获得物体更多维度的信息,从而物体的特征更加突出。