Acquisition et extraction d'information des images polarimétriques actives

Acquisition and processing of active polarimetric images

• Auteur / Autrice : Arnaud Bénière
• Direction : François Goudail, Mehdi Alouini
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Télédétection

Polarisation (lumière)

Mots clés libres

Système d'imagerie

Estimation

Bruit dans les systèmes d'imagerie

Résumé

L'imagerie d'OSC ("Orthogonal State Contrast") est un mode d'imagerie polarimétrique active qui consiste à illuminer la scène avec une lumière polarisée et à analyser le signal rétro-diffusé dans deux états de polarisation orthogonaux. Elle permet de mettre en évidence des contrastes qui ne sont pas présents dans les images d'intensité classiques. Les applications sont très nombreuses en télédétection, dans le domaine biomédical ou pour la vision à travers les milieux diffusants. L'objectif de cette thèse était de concevoir un instrument et de caractériser ses capacités en terme d'acquisition et de traitement de l'information. Nous avons réalisé et validé un système d'acquisition simple et robuste permettant de faire l'image simultanée des deux états de polarisation. Cette architecture permet d'atteindre des limites fondamentales fixées par le bruit de détecteur, le bruit de photons ou la non-uniformité spatiale et temporelle de l'illumination. Nous avons montré expérimentalement ses capacités pour l'imagerie de cibles mobiles ou à travers un milieu turbulent. Pour évaluer les capacités de ce mode d'imagerie, nous avons déterminé les algorithmes d'estimation et caractérisé leurs précisions en fonction du type de bruit prédominant grâce à la borne de Cramer-Rao. Dans un deuxième temps, nous avons étudié les performances de détection de cible en fonction de la non-uniformité de l'illumination. Enfin, d'une manière plus générale, nous nous sommes intéressés à la maximisation du contraste dans une image polarimétrique scalaire. Nous avons proposé une méthode d'optimisation conjointe des états de polarisation d'illumination et d'analyse qui présente des perspectives prometteuses pour l'amélioration des imageurs de Mueller.

Orthogonal State Contrast (OSC) imaging is an active polarimetric imaging mode which consists in illuminating the scene with a totally polarized light beam and analysing the backscattered light in two orthogonal states of polarization. This type of imaging provides additional contrast compared to classic intensity imaging systems. It arises a great interest in several domains such as remote sensing, biomedical imaging or vision through scattering medium. The goal of this thesis was to design a system and to characterize its performance in terms of acquisition capabilities and signal processing. We designed and tested a simple robust setup, which is able to acquire simultaneously both states of polarization. Thanks to this architecture the noise reaches fundamental limits set by detector noise, photon shot noise or spatial/temporal non-uniformity of the illumination. We demonstrated experimentally its benefit for imaging through turbulent medium. Ln order to investigate the capabilities of the imaging mode, we proposed estimation algorithms depending on the predominant type of noise and characterized their performances thanks the Cramer-Rao lower bound. Then we addressed the performances of the system for target detection taking into account the non-uniformity of the illumination. Finally, we studied the maximization of the contrast in a polarimetric scalar imaging system. We proposed a method to optimize simultaneously the state of polarization of the illumination and the state of polarization of the analysis. It presents promising perspectives for the optimization of Mueller imaging systems.