Propagation of polarized light through turbid media: application of LiDAR technology in foggy environments

Abstract

(English) In recent times, there has been a growing interest in LiDAR imaging systems for outdoor applications involving computer vision, such as automotive systems, surveillance, and robotics. LiDAR sensors have the ability to capture 3D data, that is, the geometry (volume, distances) of the scenes involved, complementing the 2D projections of scenes available in conventional cameras. However, their limited tolerance to adverse weather conditions, particularly fog, stays as one of the obstacles that hinders their complete settlement. This Thesis aims to evaluate the potential of utilizing the polarization properties of light and the digitization of the signal to improve the system’s imaging capabilities in such challenging conditions. Additionally, our research offers valuable insights in the domain of imaging through fog. Understanding the interaction of polarized light with turbid media and recognizing the importance of the targets’ polarimetric properties within the imaged scene is essential for optimizing the performance of polarimetric imaging systems.To achieve our goal, a preliminary investigation to examine the characteristics of polarimetric imaging through fog is undertaken. Our findings indicate that polarimetric imaging modes provide higher contrast compared to intensity-based imaging modes, facilitating the identification and segmentation of different targets. Additionally, experimental characterization of the depolarizing behavior of light through fog is conducted for both reflection and transmission imaging modes. The results suggest that, in this scenario, light behavior falls within the scattering regime of the polarization memory effect, with a significantly reduced depolarization in circularly polarized beams when compared to linearly polarized ones. To the best of our knowledge, this Thesis quantifies for the first time the differences between the performance of both polarization modes in fog conditions. Next, a Monte Carlo-based model is developed to meet the requirements of our LiDAR prototype. Considering the resource-intensive nature of experiments conducted in fog conditions and the dynamic nature of fog, the model’s ability to accurately simulate the physics of the problem, including a realistic fog environment, helps to guide the definition of the future experimental actions. Subsequently, the model is utilized to simulate and analyze various aspects relevant to the design of the system, including polarization configurations, interactions with targets, and irregularities in the media (in practice, generalizing the scattering media beyond fog to e.g. sand or smog), together with the characteristics of the acquired signal. Finally, this Thesis presents a novel polarized LiDAR imager prototype and evaluates its performance in fog conditions. It conclusively shows that using circularly polarized light and a cross-configuration detection setup significantly improves system performance in such scenarios. This system effectively tackles challenges induced by scattered light, reducing saturation effects from backscattering, mitigating scattering noise in point clouds, and enhancing target detection, especially for highly reflective surfaces like metallic targets. This approach offers an innovative, straightforward, and efficient method for signal stabilization and enhancement of the point cloud quality by relying on the inherent physics of the problem.

(Català) En els últims temps, hi ha hagut un interès creixent en els sistemes d'imatge LiDAR per a aplicacions exteriors que impliquen visió per ordinador, com ara sistemes d'automoció, vigilància i robòtica. Els sensors LiDAR tenen la capacitat de capturar dades en 3D, és a dir, la geometria (volum, distàncies) de les escenes implicades, complementant les projeccions 2D d'escenes disponibles a les càmeres convencionals. No obstant això, la seva limitada tolerància a condicions meteorològiques adverses, especialment a la boira, es manté com un dels obstacles que dificulten la seva consolidació definitiva. Aquesta Tesi té com a objectiu avaluar el potencial d'utilitzar les propietats de polarització de la llum i la digitalització del senyal per millorar les capacitats d'imatge dels sistemes LiDAR en condicions adverses. A més, la nostra investigació ofereix aportacions valuoses en el domini de la imatge a través de la boira. Entendre la interacció de la llum polaritzada amb els mitjans tèrbols i reconèixer la importància de les propietats polarimètriques dels objectes dins de l'escena de la imatge és essencial per optimitzar el rendiment dels sistemes d'imatge polarimètrica.Per aconseguir el nostre objectiu, es realitza una investigació preliminar per examinar les característiques de la imatge polarimètrica a través de la boira. Els nostres resultats indiquen que els modes d'imatge polarimètrics proporcionen un contrast més elevat en comparació amb els modes d'imatge basats en la intensitat, facilitant la identificació i la segmentació de diferents tipus d’objectes. A més, es realitza una caracterització experimental del comportament de despolarització de la llum a través de la boira tant per als modes d'imatge de reflexió com de transmissió. Els resultats suggereixen que, en aquest escenari, el comportament de la llum es troba dins d’un règim de dispersió que té en compte l'efecte memòria de polarització, amb una despolarització significativament reduïda en feixos polaritzats circularment en comparació amb els polaritzats linealment. Des del nostre coneixement, aquesta Tesi quantifica per primera vegada les diferències entre el rendiment d'ambdós modes de polarització en boira.A continuació, es desenvolupa un model basat en Monte Carlo que compleix els requisits físics de funcionament del nostre prototip LiDAR. Tenint en compte la naturalesa intensiva de recursos necessaris per a realitzar experiments en condicions de boira i la naturalesa variable i dinàmica de la boira, la capacitat del model de simular amb precisió la física del problema, inclòs un entorn de boira realista, ajuda a guiar la definició de futures accions experimentals. Posteriorment, el model s'utilitza per simular i analitzar diversos aspectes rellevants per al disseny del sistema, incloses les configuracions de polarització, les interaccions amb els objectius i les irregularitats en els mitjans (a la pràctica, generalitzant els mitjans de dispersió més enllà de la boira a, per exemple, sorra o boirum), juntament amb les característiques del senyal adquirit.Finalment, aquesta Tesi presenta un nou prototip de sistema d’imatge LiDAR polaritzat i avalua el seu rendiment en condicions de boira. Mostra de manera concloent que l'ús de llum polaritzada circularment i una configuració de detecció de configuració creuada millora significativament el rendiment del sistema en aquests escenaris. Aquest sistema aborda amb eficàcia els reptes induïts per la llum dispersa, reduint els efectes de probabilitat de saturació de la primera retro-dispersió, mitigant el soroll de dispersió en núvols de punts i millorant la detecció d'objectes, especialment per a superfícies altament reflectants com en els objectes metàl·lics. Aquest enfocament ofereix un mètode innovador, senzill i eficient per a l'estabilització del senyal i la millora de la qualitat del núvol de punts basant-se en la física del problema.