典型目标近红外波段偏振特性建模及其影响因素研究

摘要

偏振是光的基本属性之一，物体表面反射太阳光后会产生部分偏振光。偏振特性是目标最为本质的属性，与目标自身属性有着密切的联系。不同性质物体之间的偏振特性差异较大，特别是目标与背景之间的差异更为明显。而目标偏振特性建模是研究不同目标偏振反射特性差异的前提，可以为自然环境背景下的目标准确识别提供理论支持。
　　偏振特性分析是目标特性研究领域的热点之一。在近红外波段利用偏振信息，对目标与背景进行偏振特性建模研究，是对可见光波段偏振模型的有益补充。然而，现有的大多数偏振双向反射分布函数(polarized bidirectional reflectance distribution function，pBRDF)模型主要针对可见光波段，并未对近红外波段偏振模型进行深入研究。本论文开展了涂层目标和自然地物背景的近红外波段偏振特性建模方法研究，主要内容包括:
　　研究了野外环境不同观测几何条件下，典型涂层目标与自然地物背景偏振信息的光谱特性及半球空间分布特征。为了获取目标的偏振反射信息，基于多角度偏振测量原理，搭建了全自动偏振探测系统。该系统包含:多角度测量装置、全自动偏振光谱仪、主控系统平台软件和目标样品等。同时，对实验使用的全自动偏振光谱仪进行了偏振定标。
　　研究了涂层表面的散射偏振特性建模方法。基于Kubelka-Munk(KM)理论，综合考虑表面散射和体散射，建立了一种多参量偏振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，使得含5个参量的新偏振BRDF模型更符合实际的涂层表面散射偏振特性。利用绿漆、黑漆和黄漆涂层表面的偏振度数据对模型中的5个关键参量进行了反演与验证，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。
　　研究了自然地物背景的偏振反射特性建模方法。在基于Kubelka-Munk理论的多参量偏振BRDF模型基础上，引入了呈高斯分布的后向散射分量，建立了一种新的六参量偏振BRDF模型，该模型更加符合自然地物背景的偏振反射特性。利用草地和土壤在865nm波段处不同观测几何下的偏振反射比因子数据，并结合遗传算法，拟合出了模型中的6个参量，将测量值与仿真值进行了对比。结果表明，所建立的六参量偏振BRDF模型的仿真结果与实测数据之间具有很好的吻合性，证实了该模型的准确性与有效性。
　　研究了气溶胶浓度较高天气条件下涂层目标偏振BRDF测量过程中的天空漫射光扣除方法。提出了一种基于Kubleka-Munk理论的多参量偏振BRDF模型与RT3模型相耦合的新天空漫射光消除方法，并结合绿漆和黄漆涂层目标的偏振度数据对本方法和传统的阴影遮挡法进行了定量对比与验证，结果表明，本方法计算出的涂层目标偏振度值与理论值更为接近，提高了测量精度。为野外特殊天气条件下的地面目标偏振信息测量提供了一种新的途径。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题的目的和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 目标偏振特性与探测研究现状

1．2．2 典型涂层目标偏振特性建模研究现状

1．2．3 自然地物背景偏振特性建模研究现状

1．3 研究方案及论文结构

第2章 地物目标的反射与偏振理论基础

2．1 地物目标的反射理论

2．1．1 双向反射分布函数(BRDF)

2．1．2 双向反射比因子(BRF)

2．2 偏振反射机理

2．3 偏振态测量

2．4 地物目标的偏振特性

2．4．1 偏振双向反射分布函数(pBRDF)

2．4．2 涂层目标和自然地物的偏振反射模型

2．5 偏振辐射传输方程

2．6 本章小结

第3章 目标偏振参数获取与偏振实验测量系统

3．1 反射偏振参数选取

3．2 全自动偏振探测系统

3．2．1 系统整体设计

3．2．2 多角度测量装置

3．2．3 全自动偏振光谱仪

3．2．4 主控系统平台设计

3．3 全自动偏振光谱仪偏振定标

3．4 本章小结

第4章 基于KM理论的涂层表面多参量偏振BRDF模型

4．1 典型涂层目标的反射特性分析

4．2 典型涂层表面的偏振特性分析

4．3 基于Kubelka-Munk理论的多参量偏振BRDF模型建立

4．3．1 偏振BRDF模型镜面反射分量

4．3．2 偏振BRDF模型体散射分量

4．4 模型参数反演及验证

4．4．1 遗传算法

4．4．2 模型参数反演

4．4．3 模型验证

4．4．4 镜向系数对仿真结果影响分析

4．5 本章小结

第5章 自然地物背景的六参量偏振BRDF模型

5．1 自然地物背景的反射特性分析

5．2 自然地物背景的偏振反射特性分析

5．3 自然地物背景的偏振反射模型介绍

5．4 基于六参量的自然地物背景偏振BRDF模型建立

5．5 仿真与测量结果对比

5．5．2 测量与模型结果对比

5．6 本章小结

第6章 目标偏振BRDF测量中天空漫射光扣除方法研究

6．1 改进的涂层目标偏振BRDF测量方法

6．1．1 传统的阴影遮挡法

6．1．2 改进的消除天空漫射光影响方法

6．2 RT3辐射传输模型

6．2．1 大气分层模式

6．2．2 气溶胶层散射信息及其参数化

6．2．3 模型输入参数

6．2．4 模型仿真验证

6．3 消除天空漫射光实验验证

6．3．1 野外偏振测量实验

6．3．2 实验结果分析

6．4 本章小结

第7章 总结与展望

7．1 总结

7．1．1 论文内容总结

7．1．2 论文创新点

7．2 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果