一种自然水面偏振遥感成像仿真方法
【专利说明】-种自然水面偏振遥感成像仿真方法 (-)所属技术领域
[0001] 本发明设及一种自然水面偏振遥感成像仿真方法，属于光学遥感探测领域，对海 洋偏振探测的研究和在轨卫星偏振遥感器的设计具有重要意义和参考价值。 (二）【背景技术】
[0002] 海洋探测与海上目标探测受到复杂波浪水面、太阳耀光等因素干扰，清晰成像尤 为困难。波浪水面的反射光蕴含着大量的偏振信息，并且海上目标与海洋背景通常具有显 著不同的偏振特性，运就为海洋目标探测提供了可靠依据。同时利用偏振手段进行探测可 W有效地滤除太阳耀光。本发明中水面反射光的偏振特性研究对海洋偏振探测提供了理论 依据。
[0003] 虽然利用偏振特性进行遥感探测具有独特的优势，然而遥感探测特别是航天遥感 成本高，传感器的研发制造难度大，阻碍目前偏振遥感成像技术的进展。借助计算机仿真技 术与偏振遥感技术可W实现各种成像条件下地面场景的偏振遥感图像仿真。在偏振成像仿 真方面，国内学者针对植被与±壤地表类型进行偏振特性的仿真建模研究。但迄今为止，尚 未见到有效的波浪海面偏振遥感成像仿真方法的报道。本发明基于一种物理波浪谱模型， 通过建立=维海面几何场景实现对成像背景的描述，建立场景中偏振反射物理模型，实现 海面偏振遥感成像过程。因此本发明设及一种自然水面偏振遥感成像仿真方法对偏振传感 器的优化设计起到了指导作用并且大大节约了设计成本，可为偏振遥感应用提供有效的数 据源。 (H)
【发明内容】
[0004] 本发明设及一种自然水面偏振遥感成像仿真方法。技术解决方案是：首先，根据 半经验瑞丽散射模型计算入射天空光的偏振分布模式；其次，基于化mips波浪谱模型建 立自然水面场景得到波浪面元法向量；根据反射过程的矢量福射传输关系确定入射天空 光的几何位置；计算入射到微面元的局部入射角；最后，根据菲涅耳反射定律，平静水面的 Mueller矩阵乘W入射光的偏振态得到了反射光的Stokes参量，逐像素计算实现波浪水面 偏振遥感图像的仿真。其具体步骤如下： 阳0化]1 一种自然水面偏振遥感成像仿真方法。其特征在于包含W下步骤：
[0006] (1)计算天空光的强度分布模式；
[0007] 似计算天空光的偏振分布模式；
[0008] (3)基于化mips波浪谱模型建立海洋高度场模型；
[0009] (4)计算网格点的波浪微面元法线方向；
[0010] (5)入射光与微面元形成的局部入射角；
[0011] (6)建立气-水界面的偏振反射率模型；
[0012] (7)计算波浪水面反射光的偏振态；
[0013] 做模拟自然水面的偏振遥感图像。
[0014] 2步骤（1)中所述的"计算天空光的强度分布模式"，建立晴朗天空光福亮度分布 模型，天空某观测方向的散射光强度可W表达为：
[0015]
[0016] 其中，N为天空光的福亮度，0g为太阳天顶角，0为天空某位置的天顶角，P为 大气单次散射反照率，X为大气光学厚度，m为大气质量，r为散射角。
[0017] 3步骤似中所述的"计算天空光的偏振分布模式"，具体技术流程如下： 阳0化]第一步：根据公式cosy=co哦cose+sin0、sineCOSSO计算散射角丫，其中0S为太 阳天顶角，0为观测天顶角，4为相对方位角；
[0019] 第二步：计算天空光偏振度，如下式所示：
[0020]
[0021] 5m。、为特定太阳高度角时的最大偏振度，最大值取1 ;
[0022] 第S步：计算天空光的偏振角，设散射面的法向量1 = 5^餐霉=批，，户，2，)，入射光 矢量各=枉，托，三2)，那么散射角曰op二|c〇s1m-9〇|， 柳2引其中
[0024] 4步骤（3)中所述的"基于化mips波浪谱模型建立海洋高度场模型"，具体技术 流程如下： 阳0巧]第一步：建立化mips波浪谱模型，
[0026]
[0027]其中，k为波数向量，W为风速向量，A，1为常量。 阳0%] 第二步：计算高度场的傅立叶波谱值，
[0029]
[0030] 其中e1是两个相互独立的高斯随机数。
[0031] 第=步：计算波浪频谱在时间t时的高度场，
[0032]
[0033] 第四步：计算t时刻任意水平位置X=(X，Z)上波浪水面的高度：
[0034]
[0035] 上式是一个频域变换到空间域的过程。
[0036] 5步骤（4)中所述的"计算网格点的波浪微面元法线方向"，利用临近网格点的有 限差方法，具体技术流程如下：
[0037] 第一步：面元斜坡在X，y，Z方向的分量分别为：
[0043] 6步骤巧）中所述的"入射光与微面元形成的局部入射角"，具体技术流程如下：
[0044] 第一步：入射光线自1、面元法线n、反射光线Cf满足下式关系，且有反射角0f等 于入射角白i;
[0047] 第二步：确定入射天空光方向，并用空间=维坐标表示：
[0048]
W例其中入射天顶角目1G(0, 31 /2)，入射方位角化6 (-巧，巧）;
[0050] 第=步：考虑到面元斜坡与水平面的倾角，入射到波浪微面元上的局部入射角的 余弦为：
[0051]
[0052] 当天顶观测时，出射光矢量Cf= (0, 0, 1)，则入射光天顶角为0 1" = 2 0 1'。
[005引 7步骤（6)中所述的"建立气-水界面的偏振反射率模型"，具体技术流程如下：
[0054] 第一步：平静水面反射Mueller矩阵为： 阳化引
[0056] 其中Ts、rp为反射E矢量的垂直分量和平行分量； 阳057] 第二步：旋转参考面，旋转矩阵为：
[0058]
[0059] 其中i为参考面旋转角度；
[0060] 第=步：根据第一步和第二步求得面元的偏振反射率矩阵：
[0061]
[0062] 8步骤（7)中所述的"计算波浪水面反射光的偏振态"，具体技术流程如下： 阳063] 第一步：用Stokes矢量表示反射光在某一点的偏振态： W64] S=(I，Q，U，V)t W65] 其中I、Q、U和V为斯托克斯参量；
[0066] 第二步：反射光偏振特性的Stokes矢量就可W表示为，
[0067]Sf=M.S1
[0068] 第S步：根据Stokes参量计算面元反射光的偏振态，偏振度d和偏振角a由下式 计算：
[0069]
[0070] 9步骤做中所述的"模拟自然水面的偏振遥感图像"，具体技术流程：根据设定的 海域面积和网格点数，逐像素计算每一微面元反射光的偏振态，利用C++A)pen化实现图像 的显示。
[0071] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0072] (1)目前学术界缺少有效的波浪海面偏振遥感成像仿真的技术方法，本发明具有 显著的创新性，拓展了偏振光学遥感领域的研究。<