多層粗糙表面光反射偏振建模與特性分析.pdf

1、光在傳播過程中遇到物體會發(fā)生反射作用。物體的表面的光學參數與幾何特性影響反射光的空間分布范圍與能量強度。通過對光在粗糙表面的反射過程進行建模，可以根據入射光（反射光）估計反射光（入射光）的光學信息。因此，表面光反射過程的建模一直是地球遙感、目標光學探測、圖形渲染等多個領域的研究熱點問題之一。眾多學者對粗糙表面光反射過程進行了研究，以提高模型的準確度并擴展模型的適用范圍。目前，大部分模型仍然針對于單層表面的光反射過程，然而，在日常生活中以

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

3、偏振效應還可以獲得反射光的偏振狀態(tài)，進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物體表面的材質進行反演與分析，從而拓展目標探測、識別的能力。因此，對多層表面的偏振光反射過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題分解成三個關鍵問題，即1.偏振光在多層表面中的跟蹤與計算;2.多層表面的表示與對應表面下光反射模型的求解;3.光在多層表面中每一個表面上多次散射效應的求解。針對這

4、三個關鍵問題，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，提出兩個求解模型，逐步構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。此模型針對前兩個關鍵問題，借用微面元模型的基本思想，使用單個面元的統(tǒng)計特性去近似表示復雜表面的幾何特性，并通過多個單面元的疊加構造多層表面的近似模型;基于偏振光學理論，闡述了偏振光線跟蹤中參考系坐標轉換的原理;基于蒙特卡洛統(tǒng)

5、計方法與偏振光線跟蹤技術，建立了偏振光在基于單面元的多層表面的反射模型。最后，通過與理論模型的對比試驗，驗證了模型的正確性，并對該模型的局限性進行總結。
　　(2)提出了基于真實網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上，加入對多次散射效應（關鍵問題第三點）的求解，提高求解精度。模型使用過程式建模技術生成具有已知統(tǒng)計特性的真實三維粗糙表面網格，通過光線-物體相交測試來檢測光線與網格表面的碰撞過程，并通過與同一

6、表面的多次相交測試對多次散射效應進行模擬。模型基于重要性采樣技術重新設計了多層表面反射求解算法，提高了仿真效率。同時，進行了大量的驗證實驗，在與理論對比的過程中證明了模型在理論上的正確性;其次，進行了實測實驗，使用掃描式電子顯微鏡與橢圓偏振儀對樣品進行了實測，并獲得了較好的驗證結果，進一步驗證了模型的有效性與正確性。本模型首次在多層表面同時對偏振效應與多次散射效應進行求解，是目前對多層表面反射問題較為先進且準確的求解模型，模型的計算結果

7、可作為多層表面反射模型參考級數據。
　　(3)仿真分析了偏振效應給多層表面光反射過程帶來的影響，包括:1.通過仿真實驗分析了偏振效應對多層表面光反射模型計算精度的影響，并在在試驗分析的基礎上，討論了入射角、材質以及粗糙度對誤差大小的影響，并總結了偏振效應對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中的應用提供了指導;2.通過仿真實驗分析不同材質、不同波長、不同入射光偏振態(tài)下表面反射光的偏振特性，反射