多層粗糙表面光反射偏振建模與特性分析.pdf

1、光在傳播過(guò)程中遇到物體會(huì)發(fā)生反射作用。物體的表面的光學(xué)參數(shù)與幾何特性影響反射光的空間分布范圍與能量強(qiáng)度。通過(guò)對(duì)光在粗糙表面的反射過(guò)程進(jìn)行建模，可以根據(jù)入射光（反射光）估計(jì)反射光（入射光）的光學(xué)信息。因此，表面光反射過(guò)程的建模一直是地球遙感、目標(biāo)光學(xué)探測(cè)、圖形渲染等多個(gè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)問(wèn)題之一。眾多學(xué)者對(duì)粗糙表面光反射過(guò)程進(jìn)行了研究，以提高模型的準(zhǔn)確度并擴(kuò)展模型的適用范圍。目前，大部分模型仍然針對(duì)于單層表面的光反射過(guò)程，然而，在日常生活中以

2、及軍事場(chǎng)景中存在大量的帶有涂層或薄膜的多層表面的物體，對(duì)多層表面的反射問(wèn)題的建模仍然是研究的難點(diǎn)，其核心問(wèn)題在于對(duì)光傳播真實(shí)物理過(guò)程的模擬與求解。
　　偏振是光的自然屬性，偏振光的表達(dá)由光的能量強(qiáng)度以及光的偏振狀態(tài)組成。研究表明，光的偏振狀態(tài)會(huì)影響反射光的能量強(qiáng)度。由于傳統(tǒng)的多層表面光反射模型大多忽略了偏振效應(yīng)，在多層表面的光反射過(guò)程中考慮偏振效應(yīng)，將可以更準(zhǔn)確地模擬光傳播的真實(shí)物理過(guò)程，提高反射光能量強(qiáng)度計(jì)算的準(zhǔn)確度。同時(shí)，考慮

3、偏振效應(yīng)還可以獲得反射光的偏振狀態(tài)，進(jìn)而得到反射光的偏振角、偏振度等多維偏振信息，這些反射偏振信息可以對(duì)物體表面的材質(zhì)進(jìn)行反演與分析，從而拓展目標(biāo)探測(cè)、識(shí)別的能力。因此，對(duì)多層表面的偏振光反射過(guò)程建模具有雙重研究意義。
　　本文將多層表面光反射的偏振建模需要解決的核心問(wèn)題分解成三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，即1.偏振光在多層表面中的跟蹤與計(jì)算;2.多層表面的表示與對(duì)應(yīng)表面下光反射模型的求解;3.光在多層表面中每一個(gè)表面上多次散射效應(yīng)的求解。針對(duì)這

4、三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，本文基于微面元理論，蒙特卡洛方法以及偏振光線跟蹤技術(shù)，提出兩個(gè)求解模型，逐步構(gòu)建多層表面的偏振光反射模型。
　　本文的主要工作具體如下:
　　(1)提出了基于單面元的多層表面光反射偏振模型。此模型針對(duì)前兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，借用微面元模型的基本思想，使用單個(gè)面元的統(tǒng)計(jì)特性去近似表示復(fù)雜表面的幾何特性，并通過(guò)多個(gè)單面元的疊加構(gòu)造多層表面的近似模型;基于偏振光學(xué)理論，闡述了偏振光線跟蹤中參考系坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的原理;基于蒙特卡洛統(tǒng)

5、計(jì)方法與偏振光線跟蹤技術(shù)，建立了偏振光在基于單面元的多層表面的反射模型。最后，通過(guò)與理論模型的對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證了模型的正確性，并對(duì)該模型的局限性進(jìn)行總結(jié)。
　　(2)提出了基于真實(shí)網(wǎng)格的多層表面光反射偏振模型。此模型在基于單面元模型的理論基礎(chǔ)上，加入對(duì)多次散射效應(yīng)（關(guān)鍵問(wèn)題第三點(diǎn)）的求解，提高求解精度。模型使用過(guò)程式建模技術(shù)生成具有已知統(tǒng)計(jì)特性的真實(shí)三維粗糙表面網(wǎng)格，通過(guò)光線-物體相交測(cè)試來(lái)檢測(cè)光線與網(wǎng)格表面的碰撞過(guò)程，并通過(guò)與同一

6、表面的多次相交測(cè)試對(duì)多次散射效應(yīng)進(jìn)行模擬。模型基于重要性采樣技術(shù)重新設(shè)計(jì)了多層表面反射求解算法，提高了仿真效率。同時(shí)，進(jìn)行了大量的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，在與理論對(duì)比的過(guò)程中證明了模型在理論上的正確性;其次，進(jìn)行了實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)，使用掃描式電子顯微鏡與橢圓偏振儀對(duì)樣品進(jìn)行了實(shí)測(cè)，并獲得了較好的驗(yàn)證結(jié)果，進(jìn)一步驗(yàn)證了模型的有效性與正確性。本模型首次在多層表面同時(shí)對(duì)偏振效應(yīng)與多次散射效應(yīng)進(jìn)行求解，是目前對(duì)多層表面反射問(wèn)題較為先進(jìn)且準(zhǔn)確的求解模型，模型的計(jì)算結(jié)果

7、可作為多層表面反射模型參考級(jí)數(shù)據(jù)。
　　(3)仿真分析了偏振效應(yīng)給多層表面光反射過(guò)程帶來(lái)的影響，包括:1.通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)分析了偏振效應(yīng)對(duì)多層表面光反射模型計(jì)算精度的影響，并在在試驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上，討論了入射角、材質(zhì)以及粗糙度對(duì)誤差大小的影響，并總結(jié)了偏振效應(yīng)對(duì)多層表面光反射模型誤差大小影響的規(guī)律，為高精度表面反射模型在圖形渲染等任務(wù)中的應(yīng)用提供了指導(dǎo);2.通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)分析不同材質(zhì)、不同波長(zhǎng)、不同入射光偏振態(tài)下表面反射光的偏振特性，反射