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随机粗糙表面近红外偏振散射特性数值分析与实验研究

江舒  
【摘要】:随机粗糙表面光散射研究在激光目标探测,精确制导和工业检测方面具有重要意义。本文对弱粗糙随机表面在0.905μm波长下的光散射特性进行一系列研究工作,建立了随机粗糙表面光散射的完整数值算法,通过数值计算对金属和电介质表面的偏振散射特性进行研究,对散射光的分布规律进行了定量的分析和解释,最后设计了新的实验系统,对数值研究中的典型结果进行了实验验证。 从电磁理论出发,应用Kirchhoff近似模型求解粗糙表面各点处的本地场,将求得的本地场代入电磁散射的经典积分方程(Stratton-Chu方程)求解空间一点的散射场,并通过推导,使该方程转化为可以数值处理的形式。引入Monte-Carlo方法来处理粗糙表面几何轮廓的随机性,建立了基于Kirchhoff近似的Monte-Carlo方法,对随机粗糙表面的光散射特性进行数值研究,本文的推导是矢量的,对散射特性的计算可以不局限于散射光强度,进而对粗糙表面的偏振散射特性进行研究。 对粗糙表面的散射光强度分布特性进行数值研究,通过大量较系统的数值计算得到了强度分布特性随标准差,相关长度,入射光偏振态,表面材质等的变化规律,并对这些规律进行定量的解释。 几何轮廓较为复杂的二维随机粗糙表面更接近实际的目标表面,本文将数值算法扩展至二维,实现了很少有文献报道的二维随机粗糙表面光散射数值计算,并且在散射光强度的基础上,得到了散射光Stokes参量的半球空间分布,更加直观和全面地展示了随机粗糙表面的散射光分布特性。对金属和电介质随机粗糙表面的散射光Stokes参量的分布规律进行研究,发现金属表面散射光的V分量存在相对入射面反对称的峰,而电介质表面的V分量却几乎为零,通过分析将V分量的分布特性归结为折射率产生的相位差,本地面元斜率的概率密度以及本地面元反射率三个因素的作用结果,而这个分量在金属和电介质表面上表现出的显著差异是折射率产生的相位差造成的。 常规的散射截面测量系统只能对入射面内的散射光进行测量,本文中设计的测量系统突破了这一局限,实现了对散射光随散射方位角变化的实验测量。对金属和电介质随机粗糙表面的散射光Stokes参量在入射面内随散射角的变化和在散射角为30度时随散射方位角的变化进行了实验测量,实验结果中散射光Stokes参量中V分量的分布规律与理论研究的结果相一致,特别是得到了金属和电介质表面散射光V分量分布的差异,使理论研究的结果得到一定的实验支持。


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