植被背景仿生材料研制及其光谱特征形成机制研究

发布时间：2018-02-20 07:38

本文关键词： 高光谱成像植物叶片太阳光谱反射特征红外热特征仿生材料　出处：《中国科学技术大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：高光谱成像可分辨目标与背景反射光谱特征的细微差异,已成为一种重要的探测手段。同时,红外探测技术也在迅速发展。目前,传统的伪装材料已难以对抗上述探测技术。考虑到植被是最常见的背景之一,我们采用溶液铸膜法研制了一种能模拟植物叶片太阳光谱反射特征和红外热特征的仿生材料,重点研究了其太阳光谱反射特征形成机制,并基于四光流模型对其光学仿生性能进行了优化。为了解植物叶片的反射特征,我们测试了多种植物绿色叶片的反射率,结果表明,它们的反射谱均呈现四个基本特征:可见光区域的反射率较低,且在550nm附近出现"绿峰";在680～780nm区域,反射率急剧上升,形成"红边";在780～1300nm范围内,反射率维持在40%～60%之间,形成"近红外高原";1300 nm后,反射率显著降低,且在1450和1930nm附近呈现水吸收带。绿色叶片反射谱特征高度相似,但强度差异显著。为阐明植物叶片反射光谱特征的关键影响因素,我们以不同颜色(绿色和黄色)和不同含水量(新鲜和烘干)的桂花树叶片为研究对象,测试其反射率及组分含量,并基于PROSPECT模型反演叶片结构参数N(表示叶片由N层致密层堆叠而成,致密层之间以气体空间隔开)。结果表明,与新鲜绿色叶片相比,由于黄色叶片的叶绿素发生降解,导致其在可见光区域的反射率显著增大,且"绿峰"向长波偏移;烘干后的叶片在400～2400nm波长范围内的反射率显著增大,这可归因于叶片结构参数增大与含水量降低。综上所述,叶绿素含量、水含量和结构参数的改变会显著影响植物叶片反射谱的特征与强度。基于植物叶片太阳光谱反射特征的关键影响因素,同时考虑前人指出的蒸腾作用蒸发潜热对植物叶片热特征的重要影响,我们研制了一种以聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)为主体,以氯化锂(LiCl)和氧化铬绿(Cr_2O_3)为添加剂的仿生材料。PVA和LiCl使仿生材料在夜间高湿度条件下吸附空气中的水蒸气,在日间低湿度条件下脱水,脱水过程可模拟植物叶片的蒸腾作用,进而模拟其热特征;吸湿材料具有保水性,其内部储存的水与绿色颜料Cr_2O_3有助于仿生材料模拟植物叶片太阳光谱反射特征。测试结果表明,LiCl含量为12.66 wt%的仿生材料与桂花树叶片在一天中的最大辐射温差仅为0.55℃,且两者反射谱的相关系数达0.953。考虑在户外应用时PVA膜遇水易溶胀甚至溶解,我们以L-苹果酸为交联剂对其行了改性。为确定合适的交联工艺,我们研究了热处理温度(100、110和120℃)和交联剂添加量(10.00wt%、18.18wt%、25.00wt%和 30.77 wt%)对 PVA膜溶胀度和吸湿量的影响。结果表明,提高热处理温度时,PVA膜的溶胀度和吸湿量均降低,增大交联剂添加量时,前者降低但后者提高;热处理温度为100℃、交联剂添加量为30.77 wt%时,PVA膜的吸湿量达0.163 g/g,且在水中仅溶胀而不溶解。为阐明仿生材料太阳光谱反射特征的形成机制,我们研制了 Cr_2O_3含量不同的仿生材料,并采用四光流模型计算了其干态下的吸收系数和散射系数。结果表明,Cr_2O_3在460～600nm范围内的吸收谷使仿生材料的反射峰与植物叶片的"绿峰"相似。在近红外区域,仿生材料的弱吸收和高散射特性使其能模拟植物叶片的"红边"和"近红外高原"。此外,我们利用光线追踪模型计算了湿态PVA膜的吸收系数,发现其吸收谱在1450和1930nm附近均呈现强吸收峰,这有助于仿生材料的反射谱呈现水吸收带。为优化材料的光学仿生性能,我们采用四光流模型计算了 Cr_2O_3含量不同的仿生材料反射率。结果表明,Cr_2O_3含量为1.61%(v/v)时,水含量处于9.75%(v/v)～51.92%(v/v)(仿生材料随日间湿度变化的含水量范围)之间的仿生材料(0.3mm)的反射谱均处于美军光谱通道内,且与桂花树叶片反射谱的相关系数达0.945以上。
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【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB391

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