一种光偏振反射特性模拟装置及其使用方法与流程

本发明涉及光学偏振模拟技术领域，具体涉及一种光学偏振反射特性模拟装置及其使用方法。

背景技术：

近年来，光波的偏振参量具有区别于强度、光谱的独特信息已成为学术界的共识，偏振特性作为重要的地物目标信息，在提高目标背景对比度、穿透烟雾、获取材料特征信息等方面体现出独特的优势。西方军事强国自上世纪50年代以来就已经开展了目标偏振反射特性方面的研究，而我国在典型目标材料偏振反射特性研究方面起步较晚，特别是在典型目标材料偏振反射特性建模[Optical Engineering 34,1646-1650(1995),Optical Engineering 41,988-993(2002),Optics Express 16,12892-12898(2008),Optics Express 17,22138-22153(2009)]、偏振反射特性规律研究方面[Optics Letters 20,608-610(1995),Applied Optics 35,1855-1870(1996),]与发达国家存在较大差距。例如，目前研究目标材料偏振反射特性最广泛的模型就是美国海军实验室提出的Priest-Germer双向反射分布函数模型和美国空军实验室提出的Hyde双向反射分布函数模型函数模型，但这些模型均存在一定的缺陷，特别是在模拟漫反射部分时存在比较大的误差。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种光学偏振反射特性模拟装置及其使用方法，大大降低了漫反射部分存在的误差，提高了模拟精度；操作简单便捷，通过调节探测器和光源的角度位置，便可得到大量数据,即入射角范围：0°-80°，反射角范围：-80°-80°。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种光学偏振反射特性模拟装置，包括放置目标材料的载物台3，载物台3的正上方设置有起偏偏振片2，起偏偏振片2的正上方设置有可调节角度的波长为λ的激光器1，载物台3的右上方或者左上方设置有以目标材料为圆心的圆弧滑轨5，圆弧滑轨5上设置有可移动的探测器6，载物台3与圆弧滑轨5之间设置有检偏偏振片4；所述的激光器1和探测器6与目标材料中心距离始终保持不变。

进一步的，所述的圆弧滑轨5设置有刻度。

一种光学偏振反射特性模拟装置的使用方法,其步骤为：

步骤一：将待测的目标材料放置在载物台3上，开启波长为λ的激光器1，调整入射角的后固定，在圆弧滑轨5上移动探测器6，记录下同一入射角不同反射角处目标材料的偏振反射特性数据；调节波长为λ的激光器1角度，达到另一入射角度位置并固定，移动探测器6得到另一组同一入射角不同反射角处目标材料的偏振反射特性数据；测量入射角0°-80°范围，反射角-80°-80°范围内的光偏振双向反射分布函数值；

步骤二：根据步骤一中得到的光偏振双向反射分布函数值，通过经典的菲涅尔方程计算得到单次反射部分，即目标材料的表面是由很多高低起伏的表面微元组成，每一个小微元可以看作一个小镜面，所以每一个微面元满足Snell反射定律，所有小微面元都是随机分布的，并且微面元斜率的概率统计分布服从高斯分布函数，入射光照射到不规则的表面上，在每一个小微面元都会发生镜面反射，单次反射部分的表达式fs通过微面元理论推导得到：

θ和分别代表天顶角和方位角；α为宏观面法线方向与微面元法线方向之间的夹角；σ为材料表面粗糙度，M为穆勒矩阵，G为几何衰减因子，F为菲涅尔反射率；

根据步骤一中得到的光偏振双向反射分布函数值，通过函数：

确定多次反射光部分

对于不同种类的材料参数m和σm取值不同，根据MATLAB软件拟合得到；

体散射光由于满足朗伯定律，其双向反射分布函数表达式为：

fv＝1

通过三个部分组合之和，即获得目标材料的偏振反射特性规律。

所述的多次反射部分的反射角与入射微面元的倾斜角根据微面元理论，微面元分布服从中间高两端低的分布趋势相关联，多次反射部分也应该服从特定的分布，通过定性分析来验证。

所述的多次反射部分发生在具有大倾斜角的微面元上，由于阴影效应，反射角小，多次反射更多的集中在小反射角处即近表面法线方向。

所述的多次反射部分空间分布是不均匀的，根据不同种类的目标材料的测量数据来选择函数模拟多次反射部分，通过定性分析来验证。

所述的体散射部分由入射光进入材料下表面与材料内部粒子发生多次相互作用后，由上表面透射出来形成，入射光子与大量的材料内部粒子发生相互碰撞，每一次相互作用都会使入射光的方向和偏振态发生改变，体散射部分的偏振态也是随机分布的，相互碰撞后光子沿每一个方向移动是等概率的，体散射光沿每一个方向都有相同的强度，即体散射部分在整个半球空间是均匀分布的。

本发明的有益效果：

1)本发明将光与物质相互作用的反射过程细化为三个部分，单次反射部分、多次反射部分和体散射部分能够更加精确细致的描述光偏振反射特性。

2)本发明结构简单，仅需通过调节波长为λ的激光器1和在圆弧滑轨5上移动探测器6即可得到入射角0°-80°范围，反射角-80°-80°范围内的光偏振反射特性数据。

3)本发明实时性高，仅需激光照射就可实时得到物体的偏振反射特性数据。

附图说明

图1是本发明光偏振反射特性模拟装置的原理图。

图2是本发明多次反射分布情况定性分析。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

参照图1所示，一种光学偏振反射特性模拟装置，包括放置目标材料的载物台3，载物台3的正上方设置有起偏偏振片2，起偏偏振片2的正上方设置有可调节角度的波长为λ的激光器1，载物台3的右上方或者左上方设置有以目标材料为圆心的圆弧滑轨5，圆弧滑轨5上设置有可移动的探测器6，载物台3与圆弧滑轨5之间设置有检偏偏振片4；所述的波长为λ的激光器1和探测器6与目标材料中心距离始终保持不变。

一种光学偏振反射特性模拟装置的使用方法,其步骤为：

步骤一：将待测的目标材料放置在载物台3上，开启波长为λ的激光器1，调整入射角的后固定，在圆弧滑轨5上移动探测器6，记录下同一入射角不同反射角处目标材料的偏振反射特性数据；调节波长为λ的激光器1角度，达到另一入射角度位置并固定，移动探测器6得到另一组同一入射角不同反射角处目标材料的偏振反射特性数据；测量入射角0°-80°范围，反射角-80°-80°范围内的光偏振双向反射分布函数值；

步骤二：根据步骤一中得到的光偏振双向反射分布函数值，通过经典的菲涅尔方程计算得到单次反射部分，即目标材料的表面是由很多高低起伏的表面微元组成，每一个小微元可以看作一个小镜面，所以每一个微面元满足Snell反射定律，所有小微面元都是随机分布的，并且微面元斜率的概率统计分布服从高斯分布函数，入射光照射到不规则的表面上，在每一个小微面元都会发生镜面反射，单次反射部分的表达式fs通过微面元理论推导得到：

θ和分别代表天顶角和方位角；α为宏观面法线方向与微面元法线方向之间的夹角；σ为材料表面粗糙度，M为穆勒矩阵，G为几何衰减因子，F为菲涅尔反射率；

根据步骤一中得到的光偏振双向反射分布函数值，通过函数：

确定多次反射光部分

对于不同种类的材料参数m和σm取值不同，根据MATLAB软件拟合得到；

体散射光由于满足朗伯定律，其双向反射分布函数表达式为：

fv＝1

通过三个部分组合之和，即获得目标材料的偏振反射特性规律。

所述的多次反射部分的反射角与入射微面元的倾斜角根据微面元理论，微面元分布服从中间高两端低的分布趋势相关联，多次反射部分也应该服从特定的分布，通过定性分析来验证。

从微观角度来看，目标材料表面是由无数个高低起伏的小微面组成的，在一些区域微面元倾斜角大，另一些区域微面元倾斜较小。对于具有小倾斜角的微面元(图2中区域1)，其反射光中单次反射占据主导地位，并且这种情况下反射角θ1更大。但是多次反射主要发生在具有大倾斜角的微面元(如图2中区域2)上，由于阴影效应，反射角θ2一般较小。因此多次反射更多的集中在小反射角处(近表面法线方向)。也就是说在小反射角处会发生更多的多次反射，在大反射角处，多次反射发生的概率相对较小。

所述的多次反射部分空间分布是不均匀的，可以根据不同种类的目标材料的测量数据来选择合适的函数模拟多次反射部分，通过定性分析来验证。

所述的体散射部分由入射光进入材料下表面与材料内部粒子发生多次相互作用后，由上表面透射出来形成，入射光子与大量的材料内部粒子发生相互碰撞，每一次相互作用都会使入射光的方向和偏振态发生改变，体散射部分的偏振态也是随机分布的，相互碰撞后光子沿每一个方向移动是等概率的，体散射光沿每一个方向都有相同的强度，即体散射部分在整个半球空间是均匀分布的。

实施例1

一种光学偏振反射特性模拟装置的使用方法,其步骤为：

步骤一：将待测的目标金属铝放置在载物台3上，开启氦氖激光器1，波长为632.8nm，调整入射角20°，40°和60°的后固定，在圆弧滑轨5上移动探测器6，记录下同一入射角，反射角在-80°-80°范围内目标材料的偏振反射特性数据；

步骤二：根据步骤一中得到的光偏振双向反射分布函数值，通过经典的菲涅尔方程计算得到单次反射部分，即目标材料的表面是由很多高低起伏的表面微元组成，每一个小微元可以看作一个小镜面，所以每一个微面元满足Snell反射定律，所有小微面元都是随机分布的，并且微面元斜率的概率统计分布服从高斯分布函数，入射光照射到不规则的表面上，在每一个小微面元都会发生镜面反射，单次反射部分的表达式fs通过微面元理论推导得到：

θ和分别代表天顶角和方位角；α为宏观面法线方向与微面元法线方向之间的夹角；σ为材料表面粗糙度，M为穆勒矩阵，G为几何衰减因子，F为菲涅尔反射率；

根据步骤一中得到的光偏振双向反射分布函数值，通过函数：

确定多次反射光部分

对于不同种类的材料参数m和σm取值不同，可根据MATLAB软件拟合得到；

体散射光由于满足朗伯定律，其双向反射分布函数表达式为：

fv＝1

通过三个部分组合之和，即获得目标材料的偏振反射特性规律，与现有Priest-Germer模拟方法和Hyde模拟方法。表1所示三种模拟方法均方根误差比较，百分比1代表本文提出的方法相较于Priest-Germer模拟方法的均方根误差下降百分比，百分比2代表本文提出的方法相较于Hyde模拟方法的均方根误差下降百分比，通过以上表格可以看出，本方法的模拟结果与实验测量之间的均方根误差相比于Priest-Germer模拟方法与Hyde模拟方法在各个不同的入射角处有了明显的下降。

实施例2

一种光学偏振反射特性模拟装置的使用方法,其步骤为：

步骤一：将待测的目标金属铜放置在载物台3上，开启氦氖激光器，波长为632.8nm，调整入射角20°，40°和60°的后固定，在圆弧滑轨5上移动探测器6，记录下同一入射角，反射角在-80°-80°范围内目标材料的偏振反射特性数据；

步骤二：根据步骤一中得到的光偏振双向反射分布函数值，通过经典的菲涅尔方程计算得到单次反射部分，即目标材料的表面是由很多高低起伏的表面微元组成，每一个小微元可以看作一个小镜面，所以每一个微面元满足Snell反射定律，所有小微面元都是随机分布的，并且微面元斜率的概率统计分布服从高斯分布函数，入射光照射到不规则的表面上，在每一个小微面元都会发生镜面反射，单次反射部分的表达式fs通过微面元理论推导得到：

θ和分别代表天顶角和方位角；α为宏观面法线方向与微面元法线方向之间的夹角；σ为材料表面粗糙度，M为穆勒矩阵，G为几何衰减因子，F为菲涅尔反射率；

根据步骤一中得到的光偏振双向反射分布函数值，通过函数：

确定多次反射光部分

对于不同种类的材料参数m和σm取值不同，可根据MATLAB软件拟合得到；

体散射光由于满足朗伯定律，其双向反射分布函数表达式为：

fv＝1

通过三个部分组合之和，即获得目标材料的偏振反射特性规律，与现有Priest-Germer模拟方法和Hyde模拟方法。表2所示三种模拟方法均方根误差比较，百分比1代表本文提出的方法相较于Priest-Germer模拟方法的均方根误差下降百分比，百分比2代表本文提出的方法相较于Hyde模拟方法的均方根误差下降百分比，通过以上表格可以看出，本方法的模拟结果与实验测量之间的均方根误差相比于Priest-Germer模拟方法与Hyde模拟方法在各个不同的入射角处有了明显的下降。

实施例3

一种光学偏振反射特性模拟装置的使用方法,其步骤为：

步骤一：将待测的目标金属铁放置在载物台3上，开启氦氖激光器1，波长为632.8nm，调整入射角20°，40°和60°的后固定，在圆弧滑轨5上移动探测器6，记录下同一入射角，反射角在-80°-80°范围内目标材料的偏振反射特性数据；

步骤二：根据步骤一中得到的光偏振双向反射分布函数值，通过经典的菲涅尔方程计算得到单次反射部分，即目标材料的表面是由很多高低起伏的表面微元组成，每一个小微元可以看作一个小镜面，所以每一个微面元满足Snell反射定律，所有小微面元都是随机分布的，并且微面元斜率的概率统计分布服从高斯分布函数，入射光照射到不规则的表面上，在每一个小微面元都会发生镜面反射，单次反射部分的表达式fs通过微面元理论推导得到：

θ和分别代表天顶角和方位角；α为宏观面法线方向与微面元法线方向之间的夹角；σ为材料表面粗糙度，M为穆勒矩阵，G为几何衰减因子，F为菲涅尔反射率；

根据步骤一中得到的光偏振双向反射分布函数值，通过函数：

确定多次反射光部分

对于不同种类的材料参数m和σm取值不同，可根据MATLAB软件拟合得到；

体散射光由于满足朗伯定律，其双向反射分布函数表达式为：

fv＝1

通过三个部分组合之和，即获得目标材料的偏振反射特性规律，与现有Priest-Germer模拟方法和Hyde模拟方法。表2所示三种模拟方法均方根误差比较，百分比1代表本文提出的方法相较于Priest-Germer模拟方法的均方根误差下降百分比，百分比2代表本文提出的方法相较于Hyde模拟方法的均方根误差下降百分比，通过以上表格可以看出，本方法的模拟结果与实验测量之间的均方根误差相比于Priest-Germer模拟方法与Hyde模拟方法在各个不同的入射角处有了明显的下降。

表1三种模拟方法均方根误差比较(金属铝)

表2三种模拟方法均方根误差比较(金属铜、铁)