空间目标红外偏振特性研究

发布时间：2020-08-13 19:10

【摘要】：在信息化战争背景下,偏振成像技术作为一种新型军事探测手段,具有广阔的应用前景。本文在考虑粗糙表面微元面起伏,阴影,遮挡效果等因素的基础上,建立表面辐射偏振度计算模型;结合Kramers—Kronig关系,通过测量4种材料的光谱反射率,计算其光谱偏振度,与实验结果对比并验证模型的可靠性;基于偏振模型中Rs的数学描述,通过测量不同角度入射光的半球反射率,建立表面光学常数和粗糙度参数反演模型;在此基础上研发中段导弹红外偏振成像软件,研究空间目标红外偏振成像的特点,主要研究内容和结论如下:(1)综合考虑粗糙表面的自身辐射和对入射光的反射,建立粗糙表面反射光偏振度计算模型和自身辐射偏振度计算模型。基于该模型探究不同表面因素和环境因素对偏振度的影响规律,结果表明:入射角、反射角和表面光学常数通过不同振动方向的反射率进而影响偏振度,粗糙度参数通过影响概率密度分布函数进而影响偏振度。(2)基于K-K关系,反演得到玻璃、钢、塑料和铝4种材料的光谱光学常数,运用上述模型得到4种材料的红外光谱偏振度,并将理论结果和实验结果做对比,结果表明:理论结果和实验结果契合度较好,本文的偏振度计算模型能够较好地模拟粗糙表面辐射的偏振度。(3)针对K-K关系无法反映表面粗糙度的问题,基于偏振计算模型中对s波反射率的数学描述,建立表面光学常数和不同粗糙度参数的反演模型。运用该模型反演铝箔的表面参数,将光学常数与其他文献结果对比,将粗糙度与实际测量结果对比,结果表明:该模型能较为准确地反演表面光学常数和粗糙度参数。(4)模拟长方体和圆柱体在特定环境条件下的偏振成像,分析其光谱偏振成像的特点以及相关变化规律。结果显示:曲面和平面的偏振成像存在较大差异,曲面和平面的偏振成像对温度差异的表现也不同。(5)针对导弹中段目标,建立太空背景辐射,太阳辐射,地球自身辐射和地球反射太阳辐射的三入射光体系,探究不同表面材料,不同空间目标形状以及不同探测波段下导弹的偏振成像规律,对比相同条件下的红外热成像,结果表明;红外偏振特性会在导弹的空间位移过程中,随时间变化且变化明显;目标的曲面边缘偏振度明显高于其他部分,容易被探测;拥有较好光谱特性的目标,其偏振成像在不同探测波段存在较大差异,通过多波段偏振探测容易发现这类目标。因此,偏振探测在空间目标识别领域有很高的应用价值。
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：E933
【图文】：

示意图,线性偏振光,电场矢量,传播方向

任一T刻电矢量和Ｚ轴所确定的平面，线性偏振的图示如下：逡逑图２．１线性偏振光波示意图逡逑上图２．１中Ｚ轴为传播方向，并且描绘了电场矢量２的方向和大小，图中所逡逑有光矢量在Ｘ－Ｙ平面内的投影都位于一条直线上，而ｓｊＢＳｙ沿ｚ轴方向呈余弦变逡逑换，因此线性偏振满足方程：逡逑Ｓ邋＝邋Ｓｘ－Ｓｙ邋＝０逦（２．５）逡逑将上式带入式（２．１）邋（２．２）和（２．３），得出此T（２．２）和（２．３）中余弦函数逡逑内的项完全相同，因此式（２．１）可以化为：逡逑￡邋－邋（ｓｉ）ｘ邋ｊｆ邋＋邋＾（）ｖｙ）邋ｃｏｓ邋（ｒ邋＋邋５）逦（２．６）逡逑对于线性偏振光而言，Ｘ方向的电矢量分量和丫方向电矢量分量的大小比逡逑值么为一个定值。上式（２．５）表明￡ｘ和￡ｙ的相位差始终为0，那么其每一时刻的振逡逑Ｅｙ逡逑幅之比保持不变。线性偏振度有两个特征量，线偏的振幅和线偏角逡逑度。线偏角度Ｃ（表示光矢量振动平面在Ｘ－丫平面上的投影直线与Ｘ轴的夹角。逡逑其公式如下：逡逑ａ邋－邋ａｒｃｔａｎ邋—逦（２．７）逡逑在下文部分

示意图,圆偏振光,示意图,偏振态

偏振的图不如下：逡逑图２．２圆偏振光波示意图逡逑上图２．２中Ｚ轴为传播方向，且描绘了电场矢量ｇ的方向和大小，上图表明逡逑光矢量改变的只有方向，大小没有发生改变，此时Ｓ为０且￡）；和４的振幅相同，逡逑则该类偏振态满足如下关系式：逡逑ｅｘ（ｚ，ｌ）邋＝邋ｅ（）ｃｏｓ（ｒ）逦（２．８）逡逑ｃ邋丨．（ｚ，ｆ）邋＝邋６－（，邋ｓｉｎ（ｒ）逦（２．９）逡逑将上式带入式（２．１）邋（２．２）和（２．３），式２，１可以化简为：逡逑￡邋＝邋￡０邋ｃｏｓ（ｒ）．ｖ邋＋ｓｉｎ（ｒ）＾逦（２．１０）逡逑对于圆偏振而言，其振幅是一个定值ｅ。，可以表示为同＝心。糊丨Ｍ丨偏振是逡逑线性偏振的极端对立情况，其偏振态完全是由ｇ的方向随时间的变化而导致的，逡逑并不是由其振幅的变化导致的。而线性振幅则由光子在某－线偏角上的振幅决逡逑定。逡逑２．１．１．３椭圆偏振逡逑椭圆偏振是光矢量随着时间的变化同时改变振动幅度和振动平面的偏振状逡逑态。椭圆偏振光矢量在Ｘ－Ｙ平面上的投影为一个椭圆。相比于上述两种偏振态，逡逑１１逡逑

示意图,电场矢量,圆偏振光,传播方向

ｒ逡逑图２．３圆偏振光波示意图逡逑上图２．３中Ｚ轴为传播方向，且描绘了电场矢量？的方向和大小。椭圆偏振逡逑的条件更为一般，因此其方程描述也就更为复杂，其方程一般根据具体的偏振状逡逑态确定实际的方程参数。以图２．３为例，光矢量在Ｘ－Ｙ平面上的投影椭圆长轴位逡逑于Ｙ轴，短轴位于Ｘ轴，两轴的长度分别由￡ｘ和的振幅决定。其方程如下所逡逑示：逡逑４＋４－２ｇｔｇ＇ＣＱＳ－＝＾＾逡逑＾ｏ．ｖ邋＾Ｏ．Ｖ邋＾＇ｏ＾ｏ．ｖ逦（２．１１）逡逑对于椭圆偏振而言，上式（丨．１０）表明其描述方程中的主要控制参数Ｓｈｘ，￡0ｙ逡逑和５，而对于椭圆而言，其由椭圆的长轴（ａ），短轴（ｂ）以及旋转角（ｃｐ）决定。图不如逡逑下图２．４所示：逡逑１２逡逑

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