光学探测链路中颗粒介质干扰特性研究
发布时间：2021-11-25 19:42
光学探测在我国各行各业中都有着很重要的应用,例如军事、医疗、生物、工业等,尤其在军事领域的精确制导武器中应用广泛且意义重大,然而在实际工作环境中往往存在着吸收散射性介质影响光学探测过程。在光学探测过程中,光线传播过程中经常会穿过云、雾、雨等颗粒介质,颗粒介质会对光线产生吸收、散射作用,改变光线的传播方向及能量大小,对光学探测性能造成很大影响,有时候甚至限制了光学探测的应用,尤其是当光学探测中,探测器镜头前出现颗粒介质时,由于此时颗粒距离镜头较近,可能会在镜头上得到颗粒的成像,造成目标图像变形扭曲,影响目标探测的准确性。因此,针对探测场景下颗粒介质干扰特性进行分析研究,有助于探测器的探测体制设计、探测波段选择等应用。对远场颗粒介质的干扰特性研究,主要是采用Mie理论对单个粒子和云层粒子系的光散射特性进行研究。结合粒子的光学常数及尺度参数,计算单个粒子的吸收、衰减、散射因子及相函数,并分析粒子光散射特性受粒径、入射波长变化的影响规律。发现0.667μm-2.5μm波段内,水粒子的吸收因子几乎为0,不同波长下,随粒径的增大,衰减因子曲线呈现出阻尼振荡特性,衰减因子随粒径增大不断趋近2。结合云...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：103 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光学探测中受远场颗粒介质干扰的示意图
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-11-2.3单个粒子的光散射特性2.3.1水和冰的光学常数云粒子的光散射特性与粒子自身的尺寸大小及光学常数相关，光学常数称为复折射率或复折射指数[57]，是云微物理特性中一个重要光学参数。光学常数定义为m=nik，n是折射指数，是光在真空中相速度与在粒子中相速度的比值，k是吸收指数，k=0表示粒子对光线无吸收作用，光学常数是一个无量纲量。折射率n和吸收指数k都可以通过严格的电磁关系推导或测量得到[57-59]。复折射率的变化会引起粒子光散射特性的变化，文献[60]比较完善的研究了水粒子的光学常数，图2-2给出了水和冰光学常数的实部和虚部与入射波长的关系。由图可知，对于水粒子和冰粒子，复折射率的实部均大于虚部，并且虚部随入射波长的变化非常明显，随波长的增加，虚部变化相差10个数量级，所以入射波长对水的复折射率影响较大。(a)光学常数的实部(b)光学常数的虚部图2-2水和冰的光学常数与波长的变化关系2.3.2水粒子的光散射特性参数化分析根据2.3.1节的Mie公式，基于Fortran编制程序，可以计算出粒子的吸收、散射、衰减因子和相函数等结果，进而分析粒子光散射特性的影响因素。由米散射计算公式可以看出，粒子光散射特性与光学常数m、尺度参数有关。由2.3.1节可以看出，光学常数随入射波长变化较大。由定义式可知，尺度参数与粒子大孝入射波长有关。故本节分析单颗粒的吸收、散射、衰减特性与粒径、入射波长的关系。查找文献[58]可获得0.2μm-30000μm范围内水的复折射率，选择粒子直径为5μm进行计算，由于波长大于100μm后，水粒子衰减、散射、吸收特性
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-13-粒径的关系，结果如图2-6所示。衰减因子随粒径的变化有阻尼振荡特性，几种入射波长不同，粒子复折射率不同，但是衰减因子随粒径的变化形式非常类似，随着粒径变大，衰减因子在2附近做阻尼振荡，随粒径增大不断趋近2。且曲线存在脉动，叠加在主震荡之上。不同入射波长下，随着粒径的增大，衰减因子出现第一个峰值时对应的粒径随着波长的增大而增大，1.064μm时峰值粒径最小，1.5μm最大。0510152025300.00.51.01.52.02.53.03.54.04.5衰减因子粒径(m)1.064m1.3m1.5m图2-6衰减因子与粒径的变化关系综合入射波长和粒子直径的影响，做出粒子吸收、衰减、散射因子的等高图，结果如图2-7所示。由2-7（a）可知，入射波长和粒子直径均对衰减因子影响较大，粒径较大时，衰减因子趋近2，与前述结果一致。由2-7（b）可知，波长在3μm附近，散射因子较校由2-7（c）可知，可见光与近红外波段下，粒子的吸收因子很小，在波长为3μm时吸收作用明显，这是由于可见光与近红外波段吸收指数较小，在3μm附近，吸收指数急剧增大，与前述结果一致。对比（a）（b）（c），发现吸收因子普遍小于散射因子，粒子散射作用对光线的影响更大。(a)衰减因子(b)散射因子(c)吸收因子图2-7吸收、衰减、散射因子的等高图2.3.3散射方向性Mie散射光强的分布随散射角度的变化而变化，为了进一步分析散射角对Mie散射光强分布的影响，提出用散射相函数p，相函数描述了不同
【参考文献】：
期刊论文
[1]激光近距探测装置抗云雾干扰研究[J]. 任宏光,张好军,孙毓凯,张韵雯. 红外与激光工程. 2020(04)
[2]空中弱目标天基光学探测性能表征及匹配设计方法[J]. 乔凯,智喜洋,杨冬,巩晋南,胡建明. 红外与毫米波学报. 2019(05)
[3]雨滴成像中的散焦模糊复原方法及应用[J]. 刘西川,胡云涛,高太长,宋堃. 大气与环境光学学报. 2018(04)
[4]潜艇热尾流浮升对海面红外特征影响及OpenGL仿真[J]. 王亮,王成安,周志权,王军,王好贤,王晨旭. 舰船电子工程. 2017(12)
[5]云对空中目标红外探测的影响[J]. 方义强,陈卫,孙晓军,马东辉,程正东,张发强. 红外与激光工程. 2015(07)
[6]雨滴物理特性的粒子成像测量技术研究[J]. 郭明航,展小云,赵军,林奇. 农业机械学报. 2015(09)
[7]水雾对激光引信的衰减[J]. 沈娜,张祥金,郭婧. 光学精密工程. 2013(04)
[8]libRadtran的云辐射传输模式及其与SBDART的比较[J]. 孙宇,林龙福,赵增亮,严卫,姚志刚. 大气与环境光学学报. 2010(01)
[9]雨滴的近似椭球模型及其近红外散射特性研究[J]. 刘磊,李浩,高太长. 气象科学. 2008(03)
[10]浓海雾空中隐身目标无源毫米波探测[J]. 胡飞,陈爱彬,倪炜. 现代电子技术. 2008(05)
博士论文
[1]目标光学探测中传输介质及背景源干扰特性研究[D]. 张传新.哈尔滨工业大学 2019
[2]多层云的卫星检测及其辐射效应[D]. 吕巧谊.兰州大学 2017
[3]天基红外相机大气背景测量数据处理与图像仿真技术研究[D]. 张寅.哈尔滨工业大学 2016
[4]云层背景下目标多特征信息融合及跟踪策略研究[D]. 郭同健.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2014
[5]近场定距脉冲激光在降雨中的大气传输特性研究[D]. 郭婧.南京理工大学 2012
硕士论文
[1]云粒子散射特性分析与测试技术研究[D]. 杨泽鑫.南京信息工程大学 2016
[2]雨雾天环境中对激光传输衰减的研究[D]. 高国强.西安科技大学 2014
[3]云的辐射特性和催化扩散的研究[D]. 朱冰.南京信息工程大学 2013
[4]雨滴特性及对激光信号传输的影响[D]. 沙炎军.南京理工大学 2011
[5]卫星及航拍图像的云雾噪声去除研究[D]. 孙立明.哈尔滨工程大学 2006
本文编号：3518670
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：103 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光学探测中受远场颗粒介质干扰的示意图
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-11-2.3单个粒子的光散射特性2.3.1水和冰的光学常数云粒子的光散射特性与粒子自身的尺寸大小及光学常数相关，光学常数称为复折射率或复折射指数[57]，是云微物理特性中一个重要光学参数。光学常数定义为m=nik，n是折射指数，是光在真空中相速度与在粒子中相速度的比值，k是吸收指数，k=0表示粒子对光线无吸收作用，光学常数是一个无量纲量。折射率n和吸收指数k都可以通过严格的电磁关系推导或测量得到[57-59]。复折射率的变化会引起粒子光散射特性的变化，文献[60]比较完善的研究了水粒子的光学常数，图2-2给出了水和冰光学常数的实部和虚部与入射波长的关系。由图可知，对于水粒子和冰粒子，复折射率的实部均大于虚部，并且虚部随入射波长的变化非常明显，随波长的增加，虚部变化相差10个数量级，所以入射波长对水的复折射率影响较大。(a)光学常数的实部(b)光学常数的虚部图2-2水和冰的光学常数与波长的变化关系2.3.2水粒子的光散射特性参数化分析根据2.3.1节的Mie公式，基于Fortran编制程序，可以计算出粒子的吸收、散射、衰减因子和相函数等结果，进而分析粒子光散射特性的影响因素。由米散射计算公式可以看出，粒子光散射特性与光学常数m、尺度参数有关。由2.3.1节可以看出，光学常数随入射波长变化较大。由定义式可知，尺度参数与粒子大孝入射波长有关。故本节分析单颗粒的吸收、散射、衰减特性与粒径、入射波长的关系。查找文献[58]可获得0.2μm-30000μm范围内水的复折射率，选择粒子直径为5μm进行计算，由于波长大于100μm后，水粒子衰减、散射、吸收特性
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-13-粒径的关系，结果如图2-6所示。衰减因子随粒径的变化有阻尼振荡特性，几种入射波长不同，粒子复折射率不同，但是衰减因子随粒径的变化形式非常类似，随着粒径变大，衰减因子在2附近做阻尼振荡，随粒径增大不断趋近2。且曲线存在脉动，叠加在主震荡之上。不同入射波长下，随着粒径的增大，衰减因子出现第一个峰值时对应的粒径随着波长的增大而增大，1.064μm时峰值粒径最小，1.5μm最大。0510152025300.00.51.01.52.02.53.03.54.04.5衰减因子粒径(m)1.064m1.3m1.5m图2-6衰减因子与粒径的变化关系综合入射波长和粒子直径的影响，做出粒子吸收、衰减、散射因子的等高图，结果如图2-7所示。由2-7（a）可知，入射波长和粒子直径均对衰减因子影响较大，粒径较大时，衰减因子趋近2，与前述结果一致。由2-7（b）可知，波长在3μm附近，散射因子较校由2-7（c）可知，可见光与近红外波段下，粒子的吸收因子很小，在波长为3μm时吸收作用明显，这是由于可见光与近红外波段吸收指数较小，在3μm附近，吸收指数急剧增大，与前述结果一致。对比（a）（b）（c），发现吸收因子普遍小于散射因子，粒子散射作用对光线的影响更大。(a)衰减因子(b)散射因子(c)吸收因子图2-7吸收、衰减、散射因子的等高图2.3.3散射方向性Mie散射光强的分布随散射角度的变化而变化，为了进一步分析散射角对Mie散射光强分布的影响，提出用散射相函数p，相函数描述了不同
【参考文献】：
期刊论文
[1]激光近距探测装置抗云雾干扰研究[J]. 任宏光,张好军,孙毓凯,张韵雯. 红外与激光工程. 2020(04)
[2]空中弱目标天基光学探测性能表征及匹配设计方法[J]. 乔凯,智喜洋,杨冬,巩晋南,胡建明. 红外与毫米波学报. 2019(05)
[3]雨滴成像中的散焦模糊复原方法及应用[J]. 刘西川,胡云涛,高太长,宋堃. 大气与环境光学学报. 2018(04)
[4]潜艇热尾流浮升对海面红外特征影响及OpenGL仿真[J]. 王亮,王成安,周志权,王军,王好贤,王晨旭. 舰船电子工程. 2017(12)
[5]云对空中目标红外探测的影响[J]. 方义强,陈卫,孙晓军,马东辉,程正东,张发强. 红外与激光工程. 2015(07)
[6]雨滴物理特性的粒子成像测量技术研究[J]. 郭明航,展小云,赵军,林奇. 农业机械学报. 2015(09)
[7]水雾对激光引信的衰减[J]. 沈娜,张祥金,郭婧. 光学精密工程. 2013(04)
[8]libRadtran的云辐射传输模式及其与SBDART的比较[J]. 孙宇,林龙福,赵增亮,严卫,姚志刚. 大气与环境光学学报. 2010(01)
[9]雨滴的近似椭球模型及其近红外散射特性研究[J]. 刘磊,李浩,高太长. 气象科学. 2008(03)
[10]浓海雾空中隐身目标无源毫米波探测[J]. 胡飞,陈爱彬,倪炜. 现代电子技术. 2008(05)
博士论文
[1]目标光学探测中传输介质及背景源干扰特性研究[D]. 张传新.哈尔滨工业大学 2019
[2]多层云的卫星检测及其辐射效应[D]. 吕巧谊.兰州大学 2017
[3]天基红外相机大气背景测量数据处理与图像仿真技术研究[D]. 张寅.哈尔滨工业大学 2016
[4]云层背景下目标多特征信息融合及跟踪策略研究[D]. 郭同健.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2014
[5]近场定距脉冲激光在降雨中的大气传输特性研究[D]. 郭婧.南京理工大学 2012
硕士论文
[1]云粒子散射特性分析与测试技术研究[D]. 杨泽鑫.南京信息工程大学 2016
[2]雨雾天环境中对激光传输衰减的研究[D]. 高国强.西安科技大学 2014
[3]云的辐射特性和催化扩散的研究[D]. 朱冰.南京信息工程大学 2013
[4]雨滴特性及对激光信号传输的影响[D]. 沙炎军.南京理工大学 2011
[5]卫星及航拍图像的云雾噪声去除研究[D]. 孙立明.哈尔滨工程大学 2006
本文编号：3518670
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/wulilw/3518670.html
