粗糙目标表面红外偏振特性研究

红外偏振成像可突显目标、识别真伪,准确掌握目标红外辐射偏振特性可有效提高目标的探测识别概率。针对现有目标红外辐射偏振特性模型未考虑粗糙表面导致的遮蔽效应的问题,本文基于微面元双向反射分布函数模型,利用穆勒矩阵构建出含有遮蔽函数的粗糙表面红外辐射偏振度的斯托克斯解析模型。针对光线表面粗糙度和入射角对金属和非金属目标红外辐射偏振度的影响进行定量分析。分析结果表明:无论是金属还是非金属,其红外自发辐射偏振度都随粗糙度的增大而减小,非金属自发辐射偏振度下降的幅度大于金属偏振度;当粗糙度及温度相同时,金属的红外辐射偏振度始终大于非金属;红外辐射偏振度先随入射角的增加而增加,而后在特定入射角下达到峰值,超过一定入射角后,偏振度大幅下降,金属和非金属的红外辐射偏振度间的差异在一定入射角度范围内将达到最大,这有助于区分金属与非金属。最后,利用长波红外微偏振成像系统和近红外偏振成像系统进行不同场景目标的图像采集,获取目标的红外辐射偏振特性,实验结果与理论分析结果基本吻合。本文对研究目标偏振特性、优化设计红外偏振系统以及后续偏振图像处理均具有重要意义。     

光学元件亚表面缺陷偏振双向反射分布函数

利用琼斯散射矩阵,借助右手正交基组来表示入射场和散射场,推导出光学元件亚表面缺陷或微粒在不同偏振状态下的双向反射分布函数的表达式。给出了亚表面缺陷在不同入射角条件下,不同偏振状态下的双向反射分布函数与散射方位角之间的关系,以及不同入射角下p偏振入射产生的p偏振双向反射分布函数的3维散射图。结果表明:p偏振入射产生的p偏振双向反射分布函数强烈依赖于入射角、散射角和方位角,且随着入射角的增加,其最小值点所对应的方位角逐渐减小。     

光学元件亚表面缺陷偏振双向反射分布函数

 利用琼斯散射矩阵,借助右手正交基组来表示入射场和散射场,推导出光学元件亚表面缺陷或微粒在不同偏振状态下的双向反射分布函数的表达式。给出了亚表面缺陷在不同入射角条件下,不同偏振状态下的双向反射分布函数与散射方位角之间的关系,以及不同入射角下p偏振入射产生的p偏振双向反射分布函数的3维散射图。结果表明:p偏振入射产生的p偏振双向反射分布函数强烈依赖于入射角、散射角和方位角,且随着入射角的增加,其最小值点所对应的方位角逐渐减小。     

粗糙水面环境溢油目标多角度可见光偏振特性

为了更加准确地表征粗糙水面环境下溢油的偏振反射特性,建立了改进型溢油偏振二向反射分布函数（pBRDF）模型。该模型基于Priest-Germer (P-G)理论,引入遮蔽函数、漫反射和体散射分量,并结合水面微小平面的概率分布函数,更加适合检测粗糙水面背景的溢油偏振反射特性。在粗糙水面环境下对5种不同溢油（机油、原油、柴油、煤油、汽油）目标进行多角度可见光波段偏振特性测试实验。结果表明：若相对方位角为180°,线偏振度随观测天顶角的增大先增大后减小,随入射天顶角的增大也先增大后减小;线偏振度随相对方位角的增大先增大后减小,在相对方位角为180°时达到最大,且受波长影响较小。该模型的置信精度可达到80%以上,证明了该模型的准确性,为研究粗糙海面溢油的偏振特性提供了一种新的途径。     

基于Mueller矩阵的目标偏振特性分析

目标Mueller矩阵反映了光波在传播过程中偏振态的变化,其包含与目标自身有关的起偏、退偏等偏振特性。为进一步研究目标Mueller矩阵特性,通过将光波传播过程转化为相关半正定二次型函数实现偏振态变化线性运算的方法,定义目标净退偏特性和可以综合评价目标起偏特性和退偏特性的偏振度PΔ,并证明了其在偏振探测目标识别和偏振特性分析中的有效性。最后利用实验测量了不同入射角、粗糙度铝板的Mueller矩阵,通过定义粗糙度对目标偏振特性的影响因子Q和目标偏振特性随入射角变化的稳定性S,分析了入射角和粗糙度对目标Mueller矩阵特性的影响。     

基于微面元理论的“猫眼”目标回波散射偏振特性研究

为了研究"猫眼"目标表面回波散射偏振特性,基于微面元理论建立了偏振双向反射分布函数模型,指出线偏振光在"猫眼"目标表面回波散射的偏振度与目标表面粗糙度、复折射率以及入射角、探测角有关。主要研究"猫眼"目标表面粗糙度对其回波散射偏振度的影响,利用Matlab仿真得到"猫眼"目标回波偏振度与目标表面粗糙度参数σ的关系曲线。选择经过不同砂纸打磨的硅片作为"猫眼"目标进行实验,当硅片表面均方根高度分别为0.067μm、0.554μm、0.726μm、1.651μm、1.893μm时,其表面回波散射偏振度的测量值依次为98.83%、98.16%、96.08%、94.91%、94.6%,表明"猫眼"目标回波散射的偏振度随其表面粗糙度的增大而减小。     

基于微面斜率法的粗糙表面半透明介质层光谱散射特性分析

对具有一维高斯分布粗糙表面的半透明介质层光谱散射,基于微面斜率法建立了考虑遮蔽效应的粗糙表面光谱辐射传递概率模型,采用蒙特卡罗法模拟光谱辐射能束在粗糙表面、半透明介质层介质与镜反射基底之间的多次反射、折射和吸收等传递过程。通过数值模拟,分析了介质层表面粗糙度、光谱光学厚度、折射率和基底反射率对介质层双向反射分布函数(BRDF)的影响。结果表明,表面粗糙程度不同时,反射峰值随入射角度呈现不同的变化趋势;表面粗糙度增加或折射率增大都将导致漫反射份额增大;介质层光谱光学厚度和基底反射率主要影响BRDF的数值大小,而对BRDF的分布形态影响很小。     

空间相机常用金属材料表面的BRDF特性

为保证空间相机热设计中表面辐射换热计算准确可靠,基于两种金属材料的光学常数,结合Monte Carlo射线跟踪法应用几何光学近似对其粗糙表面的双向反射分布函数(BRDF)进行了研究。分析了不同入射光波长、不同入射角度及不同表面粗糙度对金属铝和钛材料粗糙表面的BRDF的影响。结果表明,金属铝和钛材料粗糙表面的BRDF分布具有明显的镜反射特征,入射平面内的BRDF峰值随入射光波长增加而增大,在本文研究的波长范围内,钛表面的BRDF随入射光波长增大的增幅最高达到41.0%,远高于铝表面的8.7%。当表面粗糙度较大时,光子在粗糙表面内会经历多次散射,粗糙表面内多次散射光子数比例随着表面粗糙度的增大而增加,并且随着入射角度的增大具有增加的趋势。     

涂层表面偏振双向反射分布函数的模型研究

为了表征复杂涂层表面的光学散射特性,基于微面元理论的偏振双向反射分布函数模型,利用遗传算法从实验数据中反演出模型的关键参量。采用C 语言对偏振双向反射分布函数模型进行了数值模拟,分析了模型参量对偏振双向反射分布函数的影响。数值模拟结果与实验数据的对比表明,该模型算法有较高的模拟精度,可以为后续的目标特征提取与识别工作提供参考。     

基于不同粗糙度表面反射的液晶屏显示 信息泄漏研究

针对不同粗糙度表面反射光泄漏问题,对Torrance-Sparrow模型进行修正,建立了双向反射分布函数数学模型,数值计算了影响双向反射分布函数的各个因素,通过实验对建立的数学模型和数值计算结果进行了验证.结果表明:影响反射信息的主要因素有镜面反射,漫反射和介质的吸收,镜面反射包括反射面反射率、反射面上微面元倾斜角概率分布函数、入射光入射到反射面的微面元入射角和反射角引起的遮蔽因子,其中,主要影响因素是镜面反射;若选定入射角和粗糙度,随着反射角从0到π/2变化,反射面双向反射分布函数是以镜面反射角为均值的高斯分布,当反射角大于1.4rad,反射面双向反射分布函数值急剧增加,高斯分布发生变形;若选定镜面反射角方向接收反射信息,随着反射面粗糙度的增加,反射面双向反射分布函数值单调下降,且变化较快;当粗糙度大于0.3时,双向反射分布函数接近0.     

表面纳米粒子缺陷的偏振散射特性区分

为了区分纳米量级的表面上方颗粒物灰尘与表面下方气泡粒子这两种表面缺陷,且获得该方法的适用环境与最佳观测条件,根据瑞利散射理论结合偏振双向反射分布函数,建立了两种表面缺陷的偏振散射模型并进行了验证。在此基础上,通过仿真分析得到不同缺陷环境、不同观测条件对两种表面缺陷粒子偏振散射特性的影响。结果表明:利用p偏振光入射表面,而后探测p偏振光的双向反射分布函数值随散射方位角的变化趋势可区分两种表面缺陷;无论表面下方气泡粒子位置如何改变,均不影响该趋势的变化情况;不同光学元件表面材料、缺陷粒子种类、缺陷粒子大小对两种表面缺陷的偏振散射模型有一定影响,但整体趋势不变。实验中,针对本文所述两种表面缺陷进行区分时,可选取入射角度和探测散射角度均为45°,采用较小波长入射光进行实验。     

基于穆勒矩阵的模拟溢油样品荧光偏振特性研究

为了对模拟溢油样品在不同偏振态激发下诱导荧光的偏振特性进行研究,借鉴了穆勒矩阵椭偏仪的原理和结构,搭建了基于旋转波片原理的模拟溢油样品激光诱导荧光椭偏实验装置。通过特征值校准方法对该装置进行校准,获得了宽波段下偏振状态调制矩阵W(λ)和偏振状态分析矩阵A(λ)的确切调制状态,并基于荧光光谱强度矩阵Flu(λ)分别建立了轻、中、重质原油样品和柴油样品的荧光穆勒矩阵。通过极化分解方法对荧光穆勒矩阵进行分解后发现,不同样品荧光光谱的退偏振性质差异十分显著。柴油样品荧光穆勒矩阵的退偏振系数Δ(λ)没有明显的波长响应性,在荧光光谱范围内始终保持较高的退偏值,而三种原油样品的退偏系数Δ(λ)则随波长增大逐渐上升,其中,中质原油样品退偏系数随波长的变化幅度小于重质样品,超过轻质样品;就不同样品的退偏值来看,轻质原油样品最高,重质样品最低,中质原油样品介于二者之间,柴油样品的荧光退偏值略低于轻质原油样品,介于轻质和中质原油样品之间。将基于荧光穆勒矩阵极化分解后的结果与线偏振激发下样品荧光光谱的正交偏振实验结果进行对比,发现两种实验方法获得的退偏系数具有较高的吻合程度。实验还发现,四种模拟溢油样品荧光穆勒矩阵所包含的双向衰减和相位延迟性质都很微弱,不具有明显的差异。     

材料表面偏振双向反射分布函数模型修正

为表征物体表面偏振散射特性对目标偏振信息提取的影响,基于微面元散射模型结合KubelMunk理论,综合考虑镜面散射和漫散射,构建一种改进的偏振双向反射分布函数(pBRDF)模型,得到物体表面散射光的偏振度与材料复折射率、方位角、探测角和入射波长等因素的数学模型,并利用该模型对基础材料的复折射率进行反演.结合实际应用利用FD-1665偏振成像仪在不同影响因子条件下对目标表面进行了一系列偏振探测实验.最后将数值模拟结果和实测数据进行比较,其材料偏振特性曲线与实测数据吻合,表明修正后的模型有较高的精确度,该模型可以为后续的偏振监测和目标识别工作提供理论支持.     

草原枯萎植物的热红外偏振特性研究

为了探究草原枯萎植物的热红外偏振特性,根据热红外偏振的探测机理,利用热红外辐射计对草原枯萎植物样品进行室内测量,发现其热红外偏振辐射亮度、亮温都有随探测角的增大而增大、随方位角和偏振态的增大先增大后减小的趋势,需要特别说明的是虎尾草在180°方位角的亮温是先减小后增大,实验所反映的热红外偏振特性与物质的粗糙程度、探测方向、物质的内部结构及其发射能力有关,该研究为定量研究奠定了基础。     

变温下材料表面近红外双向反射分布函数的测量研究

基于自行研制的双向反射分布函数(BRDF)测量装置,采用绝对测量方法在20～800℃的温度范围内测量了粗糙黄铜表面在近红外波段下的光谱偏振双向反射分布函数,分析了温度对BRDF的影响。结果表明,温度对黄铜表面的BRDF有明显的影响,随着温度的升高,BRDF整体呈现出稳定-增大-减小的变化趋势。对不同温度下材料表面的场扫描电镜、粗糙度和X射线衍射测试表明,温度对样品表面BRDF产生影响的主要原因是表面形貌和化学成分的改变。     

涂层表面偏振双向反射分布函数的多参量混合模型

为了表征不同涂层表面的偏振光学散射特性,在基于微面元理论的偏振双向反射分布函数模型的基础上,针对不同涂层样品提出了一种适用范围更广的多参量偏振双向反射分布函数模型.采用遗传算法对实验数据进行模型参量拟和.实验结果表明,对几种不同的涂层样品,这种多参量模型的模拟计算结果与测量结果均能较好吻合,可以为后续的目标偏振特征提取与识别工作提供参考.     

表面上方微粒及微粗糙度偏振光散射特性

为了区分由表面上方微粒和表面微粗糙度两种散射机理引起的散射光,利用偏振双向反射分布函数,并借助于由,■,■组成的正交右手基组表示了入射电场和散射电场。从理论上给出了两种不同散射机理在不同偏振状态下的双向反射分布函数与入射面外方位角之间的变化关系,并通过对这两种散射机理下的偏振双向反射分布函数的比较发现,利用p偏振入射产生的p偏振散射光(BRDFpp)可以将表面上方微粒和表面微粗糙度两种散射机理区分开来。     

小斜率近似在粗糙面激光散射BRDF计算中的应用

基于小斜率近似法建立了粗糙面激光散射双向反射分布函数的数学模型,采用该模型计算了粗糙度参量已知的合金铝样片的双向反射分布函数值,计算结果与实测结果吻合良好,验证了模型的正确性.研究了粗糙度参量和样片光学常量对双向反射分布函数的影响,结果表明,粗糙面激光散射的双向反射分布函数与表面高度起伏均方根、自相关长度及样片光学常量相关.当入射波长一定时,高度起伏均方根越大,或者自相关长度越小,粗糙面粗糙度越大,入射激光的漫反射特性越强,双向反射分布函数峰值越小且分布越分散;当粗糙度一定时,样片光学常量对双向反射分布函数影响较大,粗糙面对入射激光复折射率的虚部越大,样片双向反射分布函数的峰值越小,当粗糙度参量增大时,样片光学参量对双向反射分布函数的影响逐步减弱.     

偏振激光雷达中望远系统的偏振像差校正

采用遗传算法优化设计了宽波段低偏振高反膜,实现了反射式望远镜在不同波段的偏振像差校正。利用偏振像差函数分析了金属膜和低偏振膜对卡塞格林望远镜偏振像差的影响。仿真结果表明,镀低偏振膜的望远镜产生的二项衰减像差略小于镀铝膜的情况,而相位延迟像差下降明显,在355,532,1046 nm波长处分别降低了1.13°,1.00°,0.68°。最后,根据望远镜的Mueller矩阵与大气退偏参数的关系计算了不同波段和视场条件下所选膜对退偏参数误差的影响,结果表明,校正望远镜偏振像差后退偏参数的测量精度会提高。     

含负磁导率或双负材料的一维光子晶体的全方位带隙中波的反射相位特性

运用传输矩阵法研究了含负磁导率或双负材料的一维光子晶体结构在全方位光子禁带中波的反射相位谱.研究发现"负磁导率材料-正折射率材料"光子晶体和"双负材料-正折射率材料"光子晶体,在所述带隙中,对TE波而言,反射相位随入射角的增大而增大;对TM波而言,禁带频率范围内波的反射相位随入射角的增大而减小;TE波和TM波,两种结构的反射位相均随介质层的厚度缩放因子增大而增大,且都与周期数无关.