典型空间材料偏振散射特性研究

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文

摘要 ............................................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................................. I I 第1章绪论 (1)

1.1 课题的研究背景和意义 (1)

1.2 偏振散射特性的研究现状 (3)

1.2.1 国外研究现状 (3)

1.2.2 国内研究现状 (5)

1.3 国内外文献综述的简析 (6)

1.4 课题的主要研究内容 (7)

第2章偏振光学表征方法 (8)

2.1 引言 (8)

2.2 偏振光简介 (8)

2.3 偏振光的表征方法 (9)

2.3.1 代数解析法 (9)

2.3.2 Jones矢量法 (11)

2.3.3 Stokes矢量法 (11)

2.3.4 庞加球图示法 (14)

2.4 偏振光学系统的表征方法 (15)

2.4.1 Jones矩阵法 (15)

2.4.2 Mueller矩阵法 (15)

2.4.3 Jones矩阵与Mueller矩阵对比 (16)

2.5 本章小结 (17)

第3章Mueller矩阵测量系统设计 (18)

3.1 引言 (18)

3.2 Mueller矩阵测量原理分析 (18)

3.2.1 偏振片与波片Mueller矩阵的推导 (18)

3.2.2 Fourier分解法 (20)

3.3 Mueller矩阵测量系统设计 (24)

3.3.1 机械控制部分 (24)

3.3.2 光路、信号接收与系统软件部分 (31)

3.4 系统误差分析与修正 (32)

3.4.1 偏振片的角度误差和波片的位相延迟误差分析 (32)

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3.4.2 误差的模拟分析 (35)

3.4.3 误差修正 (38)

3.5 本章小结 (42)

第4章金属偏振散射特性测量 (43)

4.1 引言 (43)

4.2 金属偏振散射特性数值模拟 (43)

4.2.1 基于微面元模型的pBRDF (43)

4.2.2 铝合金偏振散射特性数值模拟 (45)

4.3 金属表面Mueller矩阵测量 (52)

4.4 本章小结 (58)

结论 (60)

参考文献 (62)

攻读硕士学位期间发表的学术论文及其他成果 (66)

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 (67)

致谢 (68)

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第1章绪论

1.1 课题的研究背景和意义

随着航空航天和空间技术的飞速发展，发射到太空的空间目标越来越多，尤其是近年来空间活动日益频繁，空间环境更是日趋恶化，空间安全已经在国家安全中占据了重要的战略地位，对空间目标的探测和识别就变得更为重要。

目前对空间目标的探测方式多种多样，其中利用目标的光散射特性进行探测的方式也日益受到重视。通过对目标的光散射特性进行测量和分析，可以对目标的表面材料特性和结构特性进行反演和分析，进而得到目标的表面形貌、表面特征光谱等关键信息[2]。激光散射作为电磁散射的一种，同样包括了散射强度、偏振特性、相位等重要的信息。研究证实，目标的偏振特性同样可以用来探测和识别目标，并且具有一些显著的探测优势，当被测目标与其所处环境之间的灰度对比度比较小的时候，在传统方法探测乏力的情况下利用目标偏振散射特性进行探测的方法仍然具有很好的效果。相比于传统的强度探测方式偏振散射特性的探测方式具有的优势可以总结为以下三点：

(1) 更容易从复杂的自然环境背景中识别人造目标，与传统的强度探测进行目标识别的方法相比，偏振散射特性来进行目标识别的方法更具高效性[3]。当被测目标与其所处环境之间的灰度对比度比较小的时候仍然能对目标进行有效的探测和识别。

(2) 目标的偏振散射特性不受温度的直接影响，对于复杂的空间环境中目标的探测和识别偏振散射技术更有优势。

(3) 空间目标表面形貌的微小改变也会对目标偏振散射特性测量结果产生很大影响，因此偏振散射技术能够对空间目标表面的损伤、吸附物和污染情况进行有效的探测。

当受到可见光或者远近红外激光的照射时，任何处在地表空间范围内的目标表面都会显现出由其本身的特性(如材质以及粗糙度等物理特性)决定的偏振散射特性。不同的目标表面甚至是同一目标表面在不同的入射或者散射条件下都会显现出不同的偏振散射特性。通过分析目标表面的偏振散射特性可以得到相关的信息，并利用得到的信息了解光是如何与介质发生作用的。不但可以通过分析目标表面的偏振散射特性来进行目标探测和识别，而且能够利用目标表面的偏振散射特性进行目标探测和定位系统的设计[4]。与传统的强度散射特性相比，目标的偏振散射特性能够提高相干探测系统在目标探测与识别方面的性能，提高了探测和识别的精度与灵敏度，推动了相关行业的飞速发展。

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