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作者：

张海越

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摘要：

目标光学反射的偏振特性研究在民用和军事上显示出了极大的应用价值和发展潜力。传统偏振特性研究,根据目标自身穆勒矩阵的表达形式,将其分解为起偏、退偏和衰减等模块,是一种目标特性的数学表征,缺乏物理意义,具有一定的局限性;而本文将麦克斯韦方程与穆勒矩阵相结合,推导出利用穆勒矩阵计算目标折射率,消光系数,退偏振系数等的方法,这些系数具备明确的物理意义,可以作为新的偏振特征,从而为目标光学反射特性研究提供更有价值的信息。本文首先对最基础的麦克斯韦方程组微分形式进行求解,得到关于电磁场强度矢量的波动方程,根据目标表面有无电导率,结合折射率定义,得出了光学常数的存在。其次根据菲涅尔反射公式中,p波s波的反射系数,定义了两者的振幅比以及相位差。然后根据测量所得穆勒矩阵,将其转换为穆勒琼斯矩阵,穆勒琼斯矩阵是一个可以由菲涅尔反射系数表示的矩阵,对其进行求解,即可得到振幅比以及相位差。最后再结合菲涅尔反射公式以及折射定律,得出光学常数关于入射角的表达式。其次,本文推导出一种路径积分矩阵,它与穆勒矩阵存在转换关系。将路径积分矩阵分解,得到参量退偏振系数,它可以用来反映被测量目标对偏振特性的改变程度。由于路径积分矩阵是每束光传播路径的琼斯矩阵的概率混合,这一特性使得路径积分矩阵成为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体表面曲率较大甚至不光滑时,因此退偏振系数与物体表面粗糙度存在一定的关系,可以用于粗糙表面的实验仿真,并将其作为一个重要参数对目标进行分辨。为了获得目标自身穆勒矩阵,本文设计出一种多旋转式测量装置,通过偏振片和波片的不同组合来获得不同偏振态的出射光。由于穆勒矩阵包含16个元素,为了能够精确得到穆勒矩阵中的每一个参数信息,首先构建一个多角度的测量系统,使用七种不同的入射角(30°,37.5°,45°,52.5°,60°,67.5°,75°)对目标反射光进行测量,即入射光和反射光与法线的夹角可以变化。控制起偏系统得到6组不同的入射光斯托克斯矢量照射到目标表面,同时针对每组入射光控制检偏系统测量6组反射光斯托克斯矢量。为了能够精确地控制经过起偏系统后出射光的偏振态,在扩束透镜组与起偏系统之间加入了一组圆偏振态发生器,使通过起偏系统后产生的多组入射光光强值保持一致。最后,根据测量得到的目标穆勒矩阵,计算出反映目标光学特性的偏振参量,对路径积分矩阵进行分解得到的退偏振系数也用于偏振特性分析。利用所设计的系统对自然界中典型的目标以及复杂自然背景下的人造目标和伪装目标进行大量实验测量。结果表明,本文推导的偏振指标可以对不同种类的目标进行区分,并且可以对目标所表现出的偏振特性差异进行分析,论证了通过理论推导所得的目标光学常数以及退偏振系数对于区分目标的可行性与实用性。

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关键词：

偏振探测 麦克斯韦方程 穆勒矩阵 光学常数 路径积分矩阵

学位级别：

硕士

学位年度：

2017