基于偏振特性对石英玻璃和绿漆涂层的反演

物质的偏振特性与其复折射率、表面粗糙度以及观测几何条件有关,为了应用偏振探测技术实现对目标的定量反演,本文首先对两种典型目标(绿漆涂层和石英玻璃)的偏振特性进行了实验测定,并对偏振度与探测天顶角的关系进行了分析。利用实验数据并基于描述目标偏振特性的PG模型首次在考虑了粗糙度的影响下,对目标的折射率、消光系数进行了定量反演,最后将反演结果与参考结果进行比较。结果表明,石英玻璃的折射率相对误差为4.944 9%,绿漆涂层的折射率与消光系数的相对误差分别为11%和21.558 9%。该方法在考虑表面粗糙度的条件下能够更精确地测定物质的复折射率,同时也为偏振技术应用于目标定量反演提供了依据。     

基于Kubelka-Munk理论的涂层表面多参量偏振双向反射分布函数模型

为了表征涂层的表面散射偏振特性,基于Kubelka-Munk理论,综合考虑表面散射和体散射,建立了一种多参量偏振双向反射分布函数(BRDF)模型;该模型通过引入镜向系数来表征表面散射的贡献程度,以改进传统的偏振BRDF模型,使得含5个参量(复折射率的实部和虚部、表面粗糙度、相对漫反射率系数、镜向系数)的新偏振BRDF模型更符合实际的涂层表面散射偏振特性;通过开展户外实验获得黑漆和绿漆涂层表面在不同观测几何时的偏振度,利用遗传算法从实测数据中反演关键参量。结果表明:对于不同的涂层表面,该多参量偏振BRDF模型的仿真结果与实测数据均能较好地吻合,引入镜向系数能够提高模型的准确性,可为涂层目标偏振特征的提取和有效识别提供依据。     

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.     

基于Kramers-Kronig关系建立金属太赫兹色散模型

提出了一种基于测量反射率谱、使用Kramers-Kronig(KK)关系建立金属太赫兹色散模型的方法.结合合金铝和合金铜4—40 THz的测量反射率谱,通过反射系数振幅和相位的KK关系,采用高频端指数外推,低频端常数外推的方法,反演金属复折射率.以KK反演的复折射率作为实验值,以拟合复折射率和实验值误差最小为准则,使用遗传优化算法,拟合了合金铝和合金铜的Drude色散参数(等离子频率和碰撞频率).基于优化的Drude模型计算了0.1—40 THz材料的复折射率,与椭偏仪的实测结果符合,验证了模型的准确性.该方法理论与实验相互验证,以测量的复折射率作为实验定标,将远红外频段的色散信息拓展到太赫兹频域,确定了太赫兹频段金属的微观物理参数,提供了太赫兹频段色散和散射机理的研究依据.     

微粗糙基底上多层涂层光散射偏振建模与特性研究

为满足多层涂层目标的偏振探测需求,基于一阶矢量扰动理论,结合偏振传输矩阵,建立微粗糙基底上多层涂层的光散射偏振双向反射分布函数模型,研究多因素影响下两种典型涂层目标,单层减反射涂层和多层高反射涂层的光散射偏振特性,结果表明单层减反射涂层目标的偏振度受观测位置影响,峰值左侧的偏振度较之裸基底增大,右侧反之,探测不同观测角下的偏振度可区分无涂层和涂层目标。不同观测角和入射波长下,多层高反射涂层目标的偏振度与涂层层数和涂层光学厚度显著相关,层数增加,多层涂层在镜反射附近具有去偏作用。仿真结果符合测量数据,验证了多涂层目标散射偏振模型的正确性与合理性,为实现多涂层目标偏振探测和反射隐身技术提供理论依据。     

反演高温均-粒子系光学常数理论建模

本文提出等效透射能量比的概念,在此基础上建立反演高温均-粒子系光学常数(复折射率)的理论模型,该模型基于完整的辐射传递方程,采用Mie理论结合K-K关系式反演高温粒子的复折射率.以燃烧火焰中常见的煤灰粒子为例,通过将已知文献中煤灰粒子复折射率数据作为"真实"数据,采用MC方法进行正问题计算所得的等效透射比作为"实验测量僧",然后利用本文模型进行反演,得到较好的反演结果,充分说明了本文所建反演模型的可行性,同时分析了 测量误差对实验结果的影响,对于反演高温粒子复折射率的实验研究具有一定的理论指导意义.     

球形雾霾粒子的紫外光散射偏振特性研究

在我国经济社会快速发展的同时,雾霾天气成为了突出的环境问题,雾霾粒子的测量非常重要。偏振紫外光与大气雾霾粒子发生散射后,散射光偏振状态(Stokes矢量以及偏振度)的改变能反映雾霾粒子的相关物理特性(粒径、复杂折射率等)。基于Mie散射理论建立了紫外光雾霾球形粒子直视和非直视单次散射模型,研究了单个球形粒子和链状结构球形粒子物理特性的改变对散射光偏振状态的影响,并用蒙特卡洛仿真分析已知粒径分布的雾霾粒子浓度对散射光偏振状态的影响。结果表明：针对单个球形粒子,随着粒子粒径的增大Stokes矢量中散射光光强(I_s)随之增强,粒子复折射率虚部为先增大后较小,偏振度也是在不断增大,且复折射率虚部较小时,偏振度增加趋势快;对于粒径分布不变的雾霾粒子,随着粒子的浓度增加,雾霾粒子的散射系数、消光系数和吸收系数均呈线性增加,但是I_s先增大后减小。针对链状球形粒子,随着粒子个数的增加,I_s均呈现增大的趋势,且偏振度可用于区分链状球形粒子是否由相同球形粒子组成; 相同球形粒子组成链状结构中,I_s随着粒子数量的增加而线性增大,偏振度不改变;不同球形粒子组成的链状结构,I_s以及偏振度的变化趋势可以区分粒子物理特性。     

延迟线位置偏差对太赫兹时域光谱系统的测量不确定度影响分析

太赫兹时域光谱技术可以快速准确地提取材料在太赫兹波段的光学常数。然而,其各组成部分在控制精度、响应误差、系统噪音以及实验操作、数据处理等方面的误差,将影响系统对材料光学常数提取的准确性。基于透射式太赫兹时域光谱系统的测量原理,分析了系统延迟线位置偏差对提取材料复折射率准确度的影响,建立了误差在样品测量过程中的传递模型,并利用MATLAB仿真了误差对提取样品复折射率影响。结果表明,样品折射率和消光系数的不确定度受到了系统延迟线位置偏差的影响,且系统延迟线位置偏差越大,样品的复折射率提取的不确定度也就越大。同时,相比消光系数,延迟线位置的偏差对样品折射率的不确定度具有更大的影响。该模型具有一定的实际意义和理论参考价值,可分析系统延迟线位置偏差对太赫兹时域光谱系统提取材料光学常数不确定度的影响,为优化太赫兹时域光谱系统提供理论指导。     

基于蒙特卡罗法研究海水中矿物质的光传输特性

为了研究多次散射效应下偏振光在含矿物质粒子海水中的传输特性,建立了一种基于蒙特卡罗法的矢量辐射传输模型.验证了模型准确性,并利用该模型研究了矿物质粒子复折射率、粒子群平均半径和入射光偏振状态对传输特性的影响.模拟仿真结果表明,不同类型矿物质粒子中,较小复折射率实部的粒子,传输特性对复折射率实部变化的敏感性较大;较大复折射率实部的粒子,传输特性对复折射率实部变化敏感性较小.粒子复折射率的虚部是影响光波传输特性的另一重要因素,粒子的吸收性越大,其传输效果越差.随着海水矿物质粒子群平均半径变大,光波透射率降低,反射率增大.圆偏振光与自然光在含矿物质粒子海水中的传输特性相对接近,在海水中,透射率最高的是垂直偏振光,最差的是圆偏振光;反射率最大的是自然光,最小的是水平偏振光.其中水平偏振光传输特性受入射光入射角影响较大.     

气溶胶粒子散射和吸收特性对复折射率依赖性的数值研究

利用米散射理论数值计算分析了尺度参数为0.1~100时球形典型气溶胶粒子的散射和吸收特性对复折射率的依赖性关系。气溶胶粒子复折射率的实部和虚部是一个有机的整体,粒子复折射率的实部和虚部可以分别影响其散射和吸收特性。若实际大气气溶胶粒子大多是成核模态和积聚模态的小粒子,基于气溶胶的散射和吸收特性可以获得其复折射率的唯一解。但是,如果大气中存在大量的粗模态粒子时,气溶胶散射和吸收特性对其复折射率的依赖性较为复杂,只有选择有限的合适复折射率库区间,才有可能获得更合适的有效复折射率。     

基于洋面场景的MERSI偏振辐射特性反演及其分析方法

辐射传递链路的偏振灵敏度会影响中分辨率光谱成像仪(MERSI)遥感观测数据的精度及其后续应用,故需要对其偏振灵敏度进行反演、分析及定量去除以提高辐射定标的精度。针对在轨后的MERSI,选择洋面场景这一偏振度较大的区域,通过对卫星观测数据和环境数据进行预处理,基于海洋表面三维波浪斜坡的概率密度模型和菲涅耳反射定律来描述海表辐射状态,利用6SV辐射传输模拟工具来分析大气对偏振辐射状态的影响,将其与海表辐射状态耦合可得到大气顶偏振辐射状态,实现了对MERSI偏振辐射特性的反演。实验分析了MERSI在特定波段的偏振辐射特性,发现其偏振度随着卫星天顶角的变化呈现不对称分布,反射率误差随着卫星天顶角及偏振度的变化基本比较稳定;分析了MERSI在不同观测几何、风速风向下偏振敏感性的变化规律。     

水体悬浮泥沙的偏振光谱特性研究

基于离水辐射的湖泊水体遥感通过反演与光谱关系密切的悬浮泥沙、浮游植物和黄色物质等要素的浓度来实现对水质状况的评估,然而由于湖泊水体的复杂性以及不同要素间的相互干扰,现有的基于反射率光谱的分析方法难以准确反演这些要素。从悬浮泥沙水体离水辐射的反射率、偏振光谱特性出发,给出敏感波段处悬浮泥沙浓度与反射率、偏振度之间的关系,比对了基于反射率以及基于偏振度的两种反演方法在实验室水体、巢湖水体中的应用效果。研究结果表明,在湖泊复杂水体条件下,水体的偏振信息具有比反射率更加良好的抗干扰能力,显示偏振度信息在湖泊水质遥感上存在着重要的应用潜力。     

激光测振有限元反演优化方法测量黏弹材料动态力学参数

基于非接触式光学测振和有限元反演对黏弹材料复模量的测量进行了理论和实验研究。针对反演精度受测点选择影响显著的问题进行了误差分析,推导了灵敏度矩阵的计算公式;得到了反演误差的计算方法;找出了影响反演精度的主要误差来源;通过测点优化,提高了泊松比测试精度。利用温频等效原理,在常压、变温条件下对橡胶样品进行了温频等效测量,实验研究表明,该系统可以以较少的温度台阶获得材料主曲线,反演结果与动态机械分析仪(DMA)测试结果误差在10%以内,进一步印证了反演系统的有效性。      

利用偏振度研究混合目标的混合比

提出一种利用偏振度研究混合目标混合比的新方法。通过建立混合目标模型将混合目标散射光的偏振度与混合目标的混合比建立直接的关系,在理论上得到了混合目标混合比分别与混合目标偏振度和归一化偏振度之间的数值关系,并且进一步给出了混合目标混合比由归一化偏振度的反演结果,为研究混合目标提供了新的思路与方法,对偏振度探测混合目标的实验以及工程应用都有重要的理论意义。     

叶片多角度偏振光谱特性影响因素的实验研究

通过测量绿萝、银杏、苹果三种叶片的多角度偏振光谱,采用斯托克斯矢量法计算了叶片的多角度光谱偏振度,并通过PROSPECT模型反演得到叶片的叶绿素、水分含量,进而分析了叶绿素、水分含量对叶片多角度光谱偏振度的影响,探索了观测几何条件与不同波段叶片偏振度间的关系。结果表明,相对于近红外波段,红光波段的偏振度受叶绿素含量变化的影响较小,而水分含量对这两个波段的偏振度基本均无明显影响。在反映叶片偏振度随观测几何变化方面,近红外波段较另外两个波段有着更好的敏感性和稳定性,但其偏振度值较另外两个波段偏小。     

伪装涂层材料的二向偏振散射研究

目标的偏振散射特征研究是偏振遥感应用的基础。在不同的条件下测量了伪装涂层的偏振参数,研究了入射角、观测方位角对涂层偏振散射特征的影响。研究发现,伪装涂层的面散射会产生较大的偏振度,而体散射具有消偏振效应;深色涂层因为面散射起主要作用而具有较大的偏振度;涂层散射光的偏振度与入射角成正比,在观测方位角接近镜面反射方向时最大,随着方位角的增加而迅速减小;草地的偏振度很小,与伪装涂层形成鲜明对比。利用偏振遥感可以有效地识别草地背景中的伪装目标,偏振测量在遥感和目标识别方面具有重要意义。     

悬浊液光谱透射法测量烟尘粒子的复折射率

光谱复折射率是计算烟尘粒子散射特性的重要参数。该文在光谱透射法反演烟尘粒子复折射率理论的基础上,将烟尘粒子弥散于水中形成烟尘粒子悬浊液,通过可见光分光光度计测量该悬浊液的光谱透射率,通过激光粒度仪获得烟尘粒子的粒径分布,利用悬浊液光谱透射法对烟尘粒子的复折射率进行了反演。研究结果表明,烟尘粒子在可见光波长范围内没有明显吸收带,但随着波长的增加,透过率逐渐降低。烟尘粒子复折射率的反演结果与KBr样片法的反演结果吻合较好。利用悬浊液光谱透射法测量烟尘粒子的复折射率,实验过程简单,约束条件少,并可利用红外分光光度计测量透射率后,拓展至红外波段。     

基于可调偏振度源的PSIM偏振光谱仪线偏振度测量结果定标校正

提出了一种基于可调偏振度源的偏振定标方法,利用方法完成了基于偏振光谱强度调制(PSIM)技术偏振光谱仪的线偏振光偏振度测量结果定标校正。以可调偏振度源输出的不同偏振度的线偏振光作为待测光源,用PSIM偏振光谱仪测量待测光源输出得到原始数据。将原始数据解析处理得到的偏振度谱与待测光源输出的理论偏振度谱进行线性拟合,得到校正系数。利用该校正系数对PSIM偏振光谱仪的测量处理结果进行定标校正。结果表明:在有效测量波段内(500~650nm),定标校正后PSIM偏振光谱仪的线偏振度测量解析精度明显提高,与待测光源输出的标准偏振度值间的最大误差由0.017减小到约为0.003,基于可调偏振度源的偏振定标校正方法具有可行性。     

还原石墨烯光学波段复折射率及消光性能研究

在对氧化和还原石墨烯近紫外到近红外波段反射率谱测量的基础上,利用Kramers-Kronig关系计算其复折射率,并反推反射率与光谱分析确定误差水平;运用T矩阵法计算其在该波段的吸收和消光效率因子,分析其消光和吸收性能.结果表明,反推反射率值与实测值误差在10~(-6)量级,且其吸收谱线特征与复折射率虚部吻合;还原石墨烯的可见光-近红外消光和吸收较强,但紫外消光和吸收较弱;氧化石墨烯在紫外-可见光波段的消光和吸收较强,但在近红外波段迅速减弱.因此,该计算方法在两种材料上适用,且氧化和还原石墨烯均可用作宽波段的光吸收或消光材料,但还原石墨烯近紫外波段以及氧化石墨烯近红外波段的性能有待改善.     

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。