钛合金粗糙表面的偏振光及变温BRDF特性

基于红外光谱椭偏仪测得钛合金TC4在298~773 K范围的光学常数,结合Monte Carlo射线跟踪法对钛合金随机粗糙表面的双向反射分布函数(BRDF)进行了研究.分析了不同表面粗糙度、入射光偏振态及温度对钛合金表面BRDF分布的影响.结果表明:偏振光入射下钛合金的BRDF分布随入射角度及表面粗糙度的变化趋势与非偏振光相同;入射平面内粗糙钛合金表面的BRDF随光源偏振态变化与光滑平板具有相同趋势;TE波入射时的BRDF反射峰值大于TM波入射;钛合金粗糙表面的BRDF镜反射峰值随温度升高有下降趋势;在所研究的温度范围内(298~773 K),峰值变化在10.2%以内,温度变化对TM波下钛合金BRDF分布特性的影响大于TE波,且在入射角度增大时影响增大.     

太阳能电池板表面偏振双向反射分布函数

太阳能电池片是光伏发电系统的核心部件,其光学反射特性对光伏组件的发电效率和缺陷检测的研究有着重要的理论意义,但实际应用中难以对其直接观察与测量。本文依据菲涅尔定律与多层介质模型研究了光伏组件的光学传输过程。首先基于微面元理论建立太阳能电池片表面的双向反射传输模型;然后借助多层介质模型推导了太阳能电池板偏振双向反射分布函数(bidirectional reflectance distribution function,BRDF) ,通过偏振相机搭建光伏组件光学偏振特性观测平台并开展偏振实验。在此基础上,利用遗传算法从实验测量数据中反演模型的参量数值,并得出偏振度信息随观测角变化的仿真曲线。通过实验表明,本文提出的光学传输模型仿真值与实验观测数据能够较好的吻合。该模型为太阳能电池板表面缺陷检测提供新的理论参考。     

典型卫星表面材料近红外偏振特性分析

为了表征典型卫星表面材料的近红外偏振特性,基于微面元模型并综合考虑镜面散射及漫散射来描述目标表面的反射特性,引入镜面系数及漫反射率来明确两种反射对偏振度的影响,并考虑实际粗糙材料表面存在的遮蔽效应,建立一种更完善的多参量偏振双向反射分布函数模型,进而推导出适用于粗糙材料表面的光学反射偏振度表达式.对典型卫星表面材料进行近红外偏振实验,采用遗传算法从实验数据中反演卫星表面材料的多参量数值,进而得到偏振信息仿真曲线.结果 表明,该多参量偏振双向反射分布函数的仿真值与实验测试值能够较好的吻合,不同卫星表面材料的近红外偏振特性有较大分布差异.     

不同粗糙度表面双向反射分布函数的实验研究

为了研究目标表面的激光散射特性,利用双向反射分布函数的方法,采用自行设计的双向反射分布函数测量装置对样品表面双向反射分布函数进行了实验测量研究。以BaSO4粉压制板作为漫反射标准板,通过样本比值法进行对比研究,得到了样品在不同粗糙度和不同入射角下反射光的空间分布。结果表明,粗糙度越小,样品表面镜像反射的双向反射分布函数峰值就越大,镜反射现象越明显;入射角度越小,样品表面镜像反射的双向反射分布函数峰值就越小,呈现出一定的漫反射特征;反之亦然。反映出不同粗糙度表面对激光散射程度不同。     

基于混合遗传算法的偏振双向反射分布函数优化建模

为了表征复杂涂层表面的光学散射特性,在微面元理论的基础上,建立了典型涂层样片的偏振双向反射分布函数模型.由于实验数据与模型参数之间存在复杂的非线性关系,采用了遗传算法对模型参数进行反演.针对遗传算法收敛速度慢及易限于局部极小的特点,在传统遗传算法参数反演的基础上,在适应度计算中引入了模拟退火算法对偏振双向反射分布函数模型进行优化建模.实验结果表明:模型的计算结果与实验结果吻合较好.从误差收敛曲线来看,这种混合遗传算法优化方法不仅可以有效避免目标函数陷入局部极小,而且可以有效缩短目标函数的收敛时间.这可以为后续的目标特征提取与识别工作提供参考.     

粗糙表面光散射特性研究与光学常数反演

测量了特殊的镀金聚酯薄膜、镀铝绝热材料和硅化合物材料表面的激光(1.06μm)双向反射分布函数、光镜反射率谱、总体反射率谱以及等效光学常数,利用多参数优化的遗传算法,建立了材料表面的BRDF统计模型。并采用Powell算法反演了铝基绝热材料在不同波段上、某一波长的光学常数。     

单层二氧化钛薄膜的偏振散射特性

为了用散射法研究单层薄膜表面粗糙度的变化规律,以光学薄膜矢量光散射理论为基础,分析了单层二氧化钛薄膜分别在完全相关和完全非相关模型下的偏振双向反射分布函数,以及P偏振入射光引起的P偏振的BRDFpp随散射方位角的变化关系。理论研究结果表明:随着散射方位角的变化,P偏振入射光引起的P偏振的BRDFpp强烈依赖于膜层界面粗糙度的相关特性。在完全相关模型下,随着入射角的增加,BRDFpp随着散射方位角变化时所出现的谷值会随着入射角的增加而减小。     

遗传算法在双向反射分布函数模型参数优化中的应用

对以大理石为代表的材料进行了双向反射分布函数测量实验,得出了样品的半球反射率,并研究了其随入射、反射天顶角等参数变化的规律.采用遗传算法建立了金刚砂和大理石材料的双向反射分布函数的参数模型,对模型进行参数反演时,通过遗传算法进行优化.拟合后的实验数据曲线表明,利用遗传算法得到的结果具有较好的一致性.     

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。     

目标场景红外偏振成像仿真技术发展综述（特邀）

红外偏振成像技术是一种结合红外成像和偏振成像两个维度的新型探测技术。红外偏振成像仿真技术能够产生大量数据对红外偏振成像系统进行训练,能够有效地提升系统平台性能,缩短研发时间,降低投入成本。近年来,国内外学者开展了大量红外偏振成像仿真、双向反射分布函数模型以及目标材料红外偏振特性的研究工作。文中主要介绍了目标场景红外偏振成像仿真技术的研究背景、基本原理以及国内外发展历程,并展望了此项关键技术的应用价值和发展趋势。     

基于偏振微面元理论的红外偏振特性研究

针对基于金属线栅偏振片的红外偏振成像系统组成,需要考虑目标、大气、天空、偏振片的反射和自身辐射的影响,进而有效分析进入成像系统的红外偏振辐射组成。文章通过偏振微面元理论的散射函数模型,推导红外偏振辐射传输方程的Stokes表达式,得出红外偏振信息(偏振度、偏振角)与目标表面粗糙度、折射率、反射和观测角度等参数的数学模型,通过合理简化偏振信息表达式,仿真得出某材料的偏振度曲线与文献中实测数据基本一致,为进一步提高红外偏振成像系统的探测性提供理论依据和技术支持。     

高阶基尔霍夫法求解导体粗糙表面的散射特性

在分析粗糙表面电磁散射特性的基础上,提出了一种考虑粗糙表面协方差函数Taylor展开的高阶基尔霍夫近似(KA)法,解决了经典KA近似的大逼近误差问题.应用9阶高度的KA和传统的KA,对比研究了不同照射频率和均方根高度下的后向散射系数,并比较了遮挡函数的修正效应.同时应用高、低阶KA计算了典型粗糙面的后向散射系数,并分别与测量值和矩量法的数值解进行了比较.结果表明,9阶表面高度展开的切平面KA不仅拓宽了KA的适用条件,还具有更高的精度范围,从而证明了高阶均方根高度展开的KA近似的有效性.     

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。     

复杂环境背景下典型飞行器表面红外反射特性研究

飞机蒙皮对于背景辐射的反射可以作为红外目标识别的辐射源,但背景辐射通常来源于太阳辐射和地面背景辐射等辐射的综合作用,其复杂性和多变性也可能使飞机的红外反射辐射严重干扰红外制导的准确性,因此,研究复杂环境背景下的飞机蒙皮红外反射特性对于红外目标识别和红外导弹制导等应用具有重要意义.本文基于Schlick双向反射分布函数(...     

目标表面BRDF统计建模中的遗传模拟退火算法

结合基本遗传算法与模拟退火算法,构造出了新的具有全局搜索优化特性的遗传模拟退火算法.根据卫星表面BRDF实验数据和统计模型,引用遗传模拟退火算法,获得样片BRDF模型参数的优化估计,从而获得了三维空间的BRDF分布,其优化参数后的模型在另一部分数据上也得到了很好的吻合验证.     

目标表面BRDF统计建模中的遗传模拟退火算法

结合基本遗传算法与模拟退火算法,构造出了新的具有全局搜索优化特性的遗传模拟退火算法.根据卫星表面BRDF实验数据和统计模型,引用遗传模拟退火算法,获得样片BRDF模型参数的优化估计,从而获得了三维空间的BRDF分布,其优化参数后的模型在另一部分数据上也得到了很好的吻合验证.     

目标反射特性对激光测距的影响

针对非合作小目标激光测距系统,目标表面的反射特征对激光回波信号有很大的影响。建立测量表面双向反射分布函数(BRDF)的装置,对常用的两种热控材料——白漆涂层和F36多包层,测量了其在1064 nm波长下的双向反射分布函数。得出了白漆涂层镜面反射很小,散射角较大,利于各方向接收回波信号;而F36多包层镜面反射很强,散射角-2°~2°,不利于探测。通过由表面BRDF与由朗伯散射计算得到的最小接收功率的比较,得出了入射角大于45°入射白漆涂层时,回波信号较小;大于2°入射F36多包层时,没有回波信号。     

汗潜指纹紫外偏振反射特性研究(特约)

汗潜指纹是犯罪现场最常见的指印类型,具有特征消失快且不易被检测等特点。根据其特点,使用紫外偏振成像探测技术进行目标检测,相比传统强度图像,偏振参量图像可以提高目标对比度,有助于辨别不同背景中的目标。但紫外偏振成像探测技术对角度、波段及客体材料等较为敏感,所以通过设计合理的实验,分析了汗潜指纹紫外偏振反射特性随角度、波段及客体材料的变化特点。结果表明:汗潜指纹在不同角度下表现出规律的偏振特性;在系统提供的四个光谱偏振通道中,近紫外波段相比之下有很好的可重复性和区分性;不同客体材料偏振特性差异变化较大,对比分析样本的紫外偏振反射特性能有效提高潜指纹的探测和识别性能,为汗潜指纹紫外偏振成像探测技术提供依据。