基于穆勒矩陣的目標(biāo)光學(xué)反射特性研究.pdf

1、目標(biāo)光學(xué)反射的偏振特性研究在民用和軍事上顯示出了極大的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展?jié)摿?。傳統(tǒng)偏振特性研究，根據(jù)目標(biāo)自身穆勒矩陣的表達(dá)形式，將其分解為起偏、退偏和衰減等模塊，是一種目標(biāo)特性的數(shù)學(xué)表征，缺乏物理意義，具有一定的局限性;而本文將麥克斯韋方程與穆勒矩陣相結(jié)合，推導(dǎo)出利用穆勒矩陣計(jì)算目標(biāo)折射率，消光系數(shù)，退偏振系數(shù)等的方法，這些系數(shù)具備明確的物理意義，可以作為新的偏振特征，從而為目標(biāo)光學(xué)反射特性研究提供更有價(jià)值的信息。
　　本文首先對最基

2、礎(chǔ)的麥克斯韋方程組微分形式進(jìn)行求解，得到關(guān)于電磁場強(qiáng)度矢量的波動方程，根據(jù)目標(biāo)表面有無電導(dǎo)率，結(jié)合折射率定義，得出了光學(xué)常數(shù)的存在。其次根據(jù)菲涅爾反射公式中，p波s波的反射系數(shù)，定義了兩者的振幅比以及相位差。然后根據(jù)測量所得穆勒矩陣，將其轉(zhuǎn)換為穆勒瓊斯矩陣，穆勒瓊斯矩陣是一個(gè)可以由菲涅爾反射系數(shù)表示的矩陣，對其進(jìn)行求解，即可得到振幅比以及相位差。最后再結(jié)合菲涅爾反射公式以及折射定律，得出光學(xué)常數(shù)關(guān)于入射角的表達(dá)式。
　　其次，本文

3、推導(dǎo)出一種路徑積分矩陣，它與穆勒矩陣存在轉(zhuǎn)換關(guān)系。將路徑積分矩陣分解，得到參量退偏振系數(shù)，它可以用來反映被測量目標(biāo)對偏振特性的改變程度。由于路徑積分矩陣是每束光傳播路徑的瓊斯矩陣的概率混合，這一特性使得路徑積分矩陣成為混合材料以及粗糙表面物理建模的好方法。并且由于多次散射容易造成退偏振，造成多次散射的原因是物體表面曲率較大甚至不光滑時(shí)，因此退偏振系數(shù)與物體表面粗糙度存在一定的關(guān)系，可以用于粗糙表面的實(shí)驗(yàn)仿真，并將其作為一個(gè)重要參數(shù)對目標(biāo)

4、進(jìn)行分辨。
　　為了獲得目標(biāo)自身穆勒矩陣，本文設(shè)計(jì)出一種多旋轉(zhuǎn)式測量裝置，通過偏振片和波片的不同組合來獲得不同偏振態(tài)的出射光。由于穆勒矩陣包含16個(gè)元素，為了能夠精確得到穆勒矩陣中的每一個(gè)參數(shù)信息，首先構(gòu)建一個(gè)多角度的測量系統(tǒng)，使用七種不同的入射角(30°，37.5°，45°，52.5°，60°，67.5°，75°)對目標(biāo)反射光進(jìn)行測量，即入射光和反射光與法線的夾角可以變化?？刂破鹌到y(tǒng)得到6組不同的入射光斯托克斯矢量照射到目標(biāo)表

5、面，同時(shí)針對每組入射光控制檢偏系統(tǒng)測量6組反射光斯托克斯矢量。為了能夠精確地控制經(jīng)過起偏系統(tǒng)后出射光的偏振態(tài)，在擴(kuò)束透鏡組與起偏系統(tǒng)之間加入了一組圓偏振態(tài)發(fā)生器，使通過起偏系統(tǒng)后產(chǎn)生的多組入射光光強(qiáng)值保持一致。
　　最后，根據(jù)測量得到的目標(biāo)穆勒矩陣，計(jì)算出反映目標(biāo)光學(xué)特性的偏振參量，對路徑積分矩陣進(jìn)行分解得到的退偏振系數(shù)也用于偏振特性分析。利用所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)對自然界中典型的目標(biāo)以及復(fù)雜自然背景下的人造目標(biāo)和偽裝目標(biāo)進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)測量。