Degree of polarization based on the three-component pBRDF model for metallic materials

An expression of degree of polarization（DOP） for metallic material is presented based on the three-component polarized bidirectional reflectance distribution function（p BRDF） model with considering specular reflection, directional diffuse reflection and ideal diffuse reflection. The three-component p BRDF model with a detailed reflection assumption is validated by comparing simulations with measurements. The DOP expression presented in this paper is related to surface roughness, which makes it more reasonable in physics. Test results for two metallic samples show that the DOP based on the three-component p BRDF model accords well with the measurement and the error of existing DOP expression is significantly reduced by introducing the diffuse reflection. It indicates that our DOP expression describes the polarized reflection properties of metallic surfaces more accurately.

辐射耦合效应对目标红外偏振特性的影响

红外偏振成像技术具有探测距离远,目标识别率高等多种优势,但在复杂环境下目标偏振特性易受背景辐射影响,使得红外偏振设备的探测能力大幅降低。本文基于偏振双向反射分布函数,综合考虑目标和背景间的辐射耦合效应,建立了目标偏振度计算模型。对比研究了有强辐射背板和无强辐射背板两种情况下目标偏振度的变化情况,并针对陆基和机载探测等小角度探测情况,仿真研究了目标和背板的温度、夹角等参数对目标偏振度的影响规律。研究结果表明:目标和背板温度相同时,辐射耦合效应会显著降低目标的偏振度,但不会改变目标偏振度随温度升高而增大的趋势。当目标和背板温度为30℃、40℃和50℃时,目标偏振度的最大值分别为无强辐射背板时的63.7%、44.9%和42.2%。可见温度越高,目标和背板间的辐射耦合效应越强,目标偏振度降低的比例越大。此外,辐射耦合效应的强弱不仅与温度有关,还与目标和背板的夹角有关。随着夹角的增大,目标偏振度先增大后减小,且在夹角约为105°处取得极大值。因此,辐射耦合效应会在一定程度上改变目标偏振度,从而影响红外偏振设备的探测能力。最后,通过搭建的长波红外偏振成像系统,对建立的目标偏振度计算模型进行了实验验证,实验结果与仿真分析结果基本一致。本文研究成果对提升陆基和机载红外偏振设备的探测和识别能力具有一定的指导意义。

目标粗糙表面偏振二向反射分布函数实验研究方法改进

由于利用传统pBRDF(polarimetric Bidirectional Reflectance Directional Function,偏振二向反射分布函数)的测试方法效率较低,精度不高,难以满足研究需要,因此基于自主研发制造的二维转台系统,设计了散射光Stokes参量及pBRDF矩阵的新的测试方法,以提高测试效率和精度。该方法将单点测试次数由传统方法的16次降低到4次,测试效率更高,根据Muller矩阵的对称性进行数据处理,反演精度更高。设计了实验验证方法。验证实验的实验对象包括标准反射板、绿色功能涂层。实验结果验证了所提测试方法的准确性及有效性,为今后目标粗糙表面pBRDF模型的改进提供了高精度的实验支撑。此外,分析实验数据可知,反射光的强度曲线与偏振分量曲线区别较大,因此使用偏振成像探测技术可有效提高目标探测和识别的能力。

海面油膜的偏振反射特性仿真实验

为了给海面溢油污染识别检测提供理论基础,根据菲涅尔反射公式的偏振反射系数,结合偏振双向反射率因子和粗糙海面的概率密度分布函数,建立了完善的pBRDF模型,仿真在不同太阳入射角度、不同探测器观测角度以及不同海面风速风向等条件下海水和油膜的偏振反射分布函数。结果表明:海水和油膜太阳天顶角为53°和56°时P偏振反射率分别为1.0×10^-5和2.5×10^-5,S偏振反射率随着太阳天顶角的增加而增加;海面风速越大偏振反射率峰值越小;海面风向只改变pBRDF的空间位置;海水和油膜线偏振度空间分布有明显差异。搭建实验平台相机以40°拍摄时,得出海水和油膜的线偏振度分别在0.2~0.4, 0.5~0.7之间,同时表明利用偏振探测获取目标场景的偏振度和偏振角图可提高图像质量。

红外偏振成像探测技术进展

不同物体不同状态存在明显的红外偏振差异,可以构成目标探测信息。简述了利用红外偏振成像技术进行目标探测的物理本质,重点阐述了偏振双向反射分布函数原理,列举了红外偏振成像探测模型,介绍了红外偏振成像技术的应用优势,归纳总结了偏振成像系统结构分类及其特点,叙述了红外偏振成像技术在目标探测与识别领域的进展,详细叙述了红外偏振成像技术的理论、实验基础研究和在目标探测中的应用。最后,总结分析了中/长波红外偏振成像技术特点,并对发展国内红外偏振成像技术提出了建议。

土壤偏振光谱二向反射影响研究

实验测量了土壤在400～720nm内的光谱二向反射分布函数(BRDF),并分析了偏振BRDF强度分量与实验观测角及波长的关系。由于Hapke模型能很好地描述入射辐射与地物之间的相互作用过程,利用Hapke二向反射模型实现土壤在可见光波段的BRDF强度分量建模。通过比较模型预测值与实验观测值可以看出,所采用的强度模型能准确地描述土壤的f00特性,并能达到较好的精度要求,因此,可以根据所建立的模型来分析土壤模型参数变化趋势,在一定条件下反映出土壤本身的部分特性。同时,分析了土壤偏振度与探测角、波长及土壤强度分量的关系,对土壤偏振性质的研究具有一定的理论意义。

粗糙表面反射辐射偏振特性研究

为分析和研究粗糙表面反射辐射偏振特性及在目标表面二维空间的分布状况,基于偏振双向反射分布函数模型,推导出了粗糙表面反射辐射偏振度的一般表达式.针对不同材料涂层表面,综合考虑了表面漫反射和镜面反射,对偏振度进行了计算,分析了不同材料折射率及粗糙度下偏振度的分布.计算结果与实际测量数据基本吻合,为实际测量提供一定的理论指导.

表面粗糙材质的复折射率反演

由于目标偏振特性研究中表面粗糙材质的复折射率很难准确反演,本文对常用的Vimal-Milo反演法进行了改进。分析了粗糙表面的偏振二向反射特性,指出了Vimal-Milo法采用的"偏振度-角度相关"反演模式的不足。然后,提出了基于"相对偏振分量-角度相关"的反演方法 ,推导出复折射率的反演公式,并设计了对应的全局搜索算法。最后,利用绿漆及铝板的偏振特性测试数据,对提出的复折射率反演算法进行了验证,并基于此对偏振二向反射特性进行了正向推演验证。反演数据表明:使用本文提出的复折射率反演方法,表面粗糙铝板的复折射率的反演精度较Vimal-Milo法有了显著提高,实部和虚部与真值的误差均在±0.01以内,且评价因子小于0.07;推演数据表明:表面相对光滑的绿漆的偏振二向反射亮度的推演结果为Vimal-Milo法得到的均方根误差的1/5,与测试数据的误差在0.01以内。得到的结果证明本文所提复折射率反演方法可用于光滑及粗糙表面材质的复折射率反演。

利用光散射特性研究光学表面中瑞利缺陷粒子的方位诊断

基于偏振双向反射分布函数,从理论上推导了瑞利缺陷粒子分别位于光学表面上方和基底内部的散射场,研究了光学表面瑞利缺陷粒子的方位诊断问题.通过对不同波长下冗余缺陷粒子位于不同方位时双向反射分布函数pp项的分析与讨论实现对缺陷位置的初步判断.结果表明,SiO2瑞利缺陷粒子位于裸基底上方时,双向反射分布函数pp项受波长影响的敏感程度远大于位于SiO2涂覆上方时,可以通过测量缺陷粒子对波长变化的敏感程度判断缺陷粒子的大致方位;当缺陷粒子在Si基底下方时,方位角的凹痕出现在85°到90°之间,当缺陷粒子在SiO2涂层下方时,方位角的凹痕出现在70°左右,因此,可以根据方位角凹痕位置的不同实现对缺陷粒子方位的进一步诊断.

一种适用于涂层的双高斯偏振BRDF模型

为了更精确地描述涂层类材料的偏振双向反射分布函数,在微面元模型的基础上建立了双高斯偏振BRDF模型并对模型进行了仿真。相对于以往模型,其耦合了强度分布非朗伯的且包含偏振成分的以Rahman-Pinty-Verstraete函数为基础的漫反射。利用基于LCVR的全偏振多谱段成像仪在476 nm波段对白色、哑光白和珍珠白的自喷漆以及普通光盘背面的漆进行了多组面内偏振BRDF测量实验。之后从部分实验数据出发利用最小二乘法对模型参数进行了分步反演,反演结果在多组初值条件下都一致,证明反演得到的参数为全局最小值。最后对获得的模型参数进行仿真,结果表明模型对强度值和偏振度值符合都很好,尤其是能够符合漫反射的偏振。该模型对物质分类及识别以及场景仿真具有一定的实用意义。

粗糙表面偏振二向反射分布函数的影响参数及其反演

针对目标偏振二向反射特性研究中模型参数难以准确确定的问题,分析了粗糙表面偏振二向反射分布函数的影响参数,并通过理论推导和仿真计算,研究了各参数对粗糙表面散射特性的作用机理。总结分析了现有参数反演方法,针对现有方法存在的理论缺陷,在P-G(Preist-Germer)模型的基础上,提出了利用"相对偏振分量-角度"的相关关系进行参数反演的方法,设计了参数反演算法,进行了标准反射板和绿漆表面的偏振二向反射特性测试实验,并根据实验数据进行了参数反演和模型验证。实验结果表明,改进的参数反演方法可准确反演所有模型参数。利用反演参数进行模型验证,结果显示模型预测数据与实验数据具有较好的吻合度,验证了模型的准确性。

基于偏振度的目标微观表面偏振特性分析

为获得与反演空间目标材料相关的理论基础,对偏振的特性展开研究。使用基于微面元理论的T-S双向反射分布函数模型,与菲涅耳反射穆勒矩阵共同作用,得到偏振双向反射分布函数模型,并推导得出偏振度的表达式。通过仿真分析得出电介质材料绿漆的偏振度在一定角度范围内,入射角与布儒斯特角、极大值、方位角等的对应关系,进而得到偏振度随入射角的变化规律;同时也对导体铝、铜的偏振度随入射角的变化规律以及极大值的出现条件做出分析与总结。

双向反射分布函数模型的对比分析研究

在双向反射分布函数基本概念的基础上对比分析了三种常用模型:各项异性Phong模型、T-S模型和Davis模型。通过使用MATLAB仿真,指出各模型的优缺点及适用领域,为建立光度曲线选择模型提供依据。将各向异性Phong模型解析为镜面反射和漫反射两类分量,并将反射率分解成漫反射率和镜面反射率两部分,以应用于较高精度的视星等计算。由T-S模型中的粗糙度参数可以快速鉴别出材料的镜面反射和漫反射分量,模型简练,适用于快速计算目标视星等以及建立偏振双向反射分布函数模型。探查Davis模型中所含有的波长参数,可用以分析目标的光谱特性。

偏振双向反射分布函数模型研究进展

对国内外偏振双向反射分布函数模型进行了归纳总结,认为:目前各个模型都依赖基于实验测量的任意角度下的穆勒矩阵,导致偏振双向反射分布函数缺乏按照电磁理论推导的物理来源。从物理本质出发,提出了未来偏振双向反射分布函数模型的发展趋势,通过理论推导研究所有影响目标偏振特性的内部本质属性和外界环境因素,找出他们对偏振特性产生影响的规律,进而揭示产生目标偏振特性的最本质原因。

基于改进型Blinn遮蔽函数的目标材料表面可见光偏振反射研究

为了研究典型目标材料表面的可见光偏振反射特性,本文针对传统“V”型表面结构缺陷,引入改进Blinn型阴影遮蔽函数,综合考虑镜面反射、漫反射和体散射的影响,建立了典型目标材料表面偏振六参量双向反射分布函数模型。对不同材料(聚丙烯塑料板、99氧化铝陶瓷板、铁板、绿漆铝板)目标样板进行可见光600 nm波段的偏振特性测试实验,并采用遗传算法进行参数反演。实验与仿真结果表明:与传统“V”型遮蔽模型相比,在入射角为50°,相对方位角为180°,0°~60°观测角对目标材料表面偏振特性的影响中,聚丙烯塑料板模型精度提升最大,RMSE百分比提升了70.61%;在入射角为50°,观测角为50°,DoLP随90°~270°相对方位角变化的过程中,与另两种参考模型相比,本模型精度至少提升了24.73%,线偏振度最小均方根误差值仅为1.29%。对于本文使用材料而言,偏振特性取决于其复折射率的值,当入射角确定,观测角为0°~60°,相对方位角在0°~360°内时,n/k的比值越大,线偏振度峰值越大。在可见光波段,波长对线偏振度的影响不大。

基于偏振双向反射分布函数的粗糙表面偏振特性

为了研究高斯粗糙表面偏振特性,基于微面元理论,综合考虑微面元的漫反射和镜面反射,建立偏振双向反射分布函数模型。对由偏振双向反射分布函数得到的穆勒矩阵进行分解、变换等处理,推导出表征粗糙表面二向色性、相位延迟和退偏的3个子矩阵及其对应的偏振特性表达式。针对典型的粗糙目标,对偏振特性进行理论计算。分析入射角、方位角,以及粗糙度对粗糙表面偏振特性的影响。结果表明:粗糙表面二向色性在入射角变化范围内有极大值,且随方位角的增大而增大;相位延迟随入射角的增大而减小,且在方位角变化范围内有极大值;退偏能力在入射角范围内有极小值,且随方位角的增大而减小;粗糙度对除退偏能力以外的偏振特性影响较小。