光學(xué)探測(cè)在我國(guó)各行各業(yè)中都有著很重要的應(yīng)用,例如軍事、醫(yī)療、生物、工業(yè)等,尤其在軍事領(lǐng)域的精確制導(dǎo)武器中應(yīng)用廣泛且意義重大,然而在實(shí)際工作環(huán)境中往往存在著吸收散射性介質(zhì)影響光學(xué)探測(cè)過(guò)程。在光學(xué)探測(cè)過(guò)程中,光線傳播過(guò)程中經(jīng)常會(huì)穿過(guò)云、霧、雨等顆粒介質(zhì),顆粒介質(zhì)會(huì)對(duì)光線產(chǎn)生吸收、散射作用,改變光線的傳播方向及能量大小,對(duì)光學(xué)探測(cè)性能造成很大影響,有時(shí)候甚至限制了光學(xué)探測(cè)的應(yīng)用,尤其是當(dāng)光學(xué)探測(cè)中,探測(cè)器鏡頭前出現(xiàn)顆粒介質(zhì)時(shí),由于此時(shí)顆粒距離鏡頭較近,可能會(huì)在鏡頭上得到顆粒的成像,造成目標(biāo)圖像變形扭曲,影響目標(biāo)探測(cè)的準(zhǔn)確性。因此,針對(duì)探測(cè)場(chǎng)景下顆粒介質(zhì)干擾特性進(jìn)行分析研究,有助于探測(cè)器的探測(cè)體制設(shè)計(jì)、探測(cè)波段選擇等應(yīng)用。對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)顆粒介質(zhì)的干擾特性研究,主要是采用Mie理論對(duì)單個(gè)粒子和云層粒子系的光散射特性進(jìn)行研究。結(jié)合粒子的光學(xué)常數(shù)及尺度參數(shù),計(jì)算單個(gè)粒子的吸收、衰減、散射因子及相函數(shù),并分析粒子光散射特性受粒徑、入射波長(zhǎng)變化的影響規(guī)律。發(fā)現(xiàn)0.667μm-2.5μm波段內(nèi),水粒子的吸收因子幾乎為0,不同波長(zhǎng)下,隨粒徑的增大,衰減因子曲線呈現(xiàn)出阻尼振蕩特性,衰減因子隨粒徑增大不斷趨近2。結(jié)合云... 

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光學(xué)探測(cè)中受遠(yuǎn)場(chǎng)顆粒介質(zhì)干擾的示意圖

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文-11-2.3單個(gè)粒子的光散射特性2.3.1水和冰的光學(xué)常數(shù)云粒子的光散射特性與粒子自身的尺寸大小及光學(xué)常數(shù)相關(guān)，光學(xué)常數(shù)稱為復(fù)折射率或復(fù)折射指數(shù)[57]，是云微物理特性中一個(gè)重要光學(xué)參數(shù)。光學(xué)常數(shù)定義為m=nik，n是折射指數(shù)，是光在真空中相速度與在粒子中相速度的比值，k是吸收指數(shù)，k=0表示粒子對(duì)光線無(wú)吸收作用，光學(xué)常數(shù)是一個(gè)無(wú)量綱量。折射率n和吸收指數(shù)k都可以通過(guò)嚴(yán)格的電磁關(guān)系推導(dǎo)或測(cè)量得到[57-59]。復(fù)折射率的變化會(huì)引起粒子光散射特性的變化，文獻(xiàn)[60]比較完善的研究了水粒子的光學(xué)常數(shù)，圖2-2給出了水和冰光學(xué)常數(shù)的實(shí)部和虛部與入射波長(zhǎng)的關(guān)系。由圖可知，對(duì)于水粒子和冰粒子，復(fù)折射率的實(shí)部均大于虛部，并且虛部隨入射波長(zhǎng)的變化非常明顯，隨波長(zhǎng)的增加，虛部變化相差10個(gè)數(shù)量級(jí)，所以入射波長(zhǎng)對(duì)水的復(fù)折射率影響較大。(a)光學(xué)常數(shù)的實(shí)部(b)光學(xué)常數(shù)的虛部圖2-2水和冰的光學(xué)常數(shù)與波長(zhǎng)的變化關(guān)系2.3.2水粒子的光散射特性參數(shù)化分析根據(jù)2.3.1節(jié)的Mie公式，基于Fortran編制程序，可以計(jì)算出粒子的吸收、散射、衰減因子和相函數(shù)等結(jié)果，進(jìn)而分析粒子光散射特性的影響因素。由米散射計(jì)算公式可以看出，粒子光散射特性與光學(xué)常數(shù)m、尺度參數(shù)有關(guān)。由2.3.1節(jié)可以看出，光學(xué)常數(shù)隨入射波長(zhǎng)變化較大。由定義式可知，尺度參數(shù)與粒子大孝入射波長(zhǎng)有關(guān)。故本節(jié)分析單顆粒的吸收、散射、衰減特性與粒徑、入射波長(zhǎng)的關(guān)系。查找文獻(xiàn)[58]可獲得0.2μm-30000μm范圍內(nèi)水的復(fù)折射率，選擇粒子直徑為5μm進(jìn)行計(jì)算，由于波長(zhǎng)大于100μm后，水粒子衰減、散射、吸收特性

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文-13-粒徑的關(guān)系，結(jié)果如圖2-6所示。衰減因子隨粒徑的變化有阻尼振蕩特性，幾種入射波長(zhǎng)不同，粒子復(fù)折射率不同，但是衰減因子隨粒徑的變化形式非常類似，隨著粒徑變大，衰減因子在2附近做阻尼振蕩，隨粒徑增大不斷趨近2。且曲線存在脈動(dòng)，疊加在主震蕩之上。不同入射波長(zhǎng)下，隨著粒徑的增大，衰減因子出現(xiàn)第一個(gè)峰值時(shí)對(duì)應(yīng)的粒徑隨著波長(zhǎng)的增大而增大，1.064μm時(shí)峰值粒徑最小，1.5μm最大。0510152025300.00.51.01.52.02.53.03.54.04.5衰減因子粒徑(m)1.064m1.3m1.5m圖2-6衰減因子與粒徑的變化關(guān)系綜合入射波長(zhǎng)和粒子直徑的影響，做出粒子吸收、衰減、散射因子的等高圖，結(jié)果如圖2-7所示。由2-7（a）可知，入射波長(zhǎng)和粒子直徑均對(duì)衰減因子影響較大，粒徑較大時(shí)，衰減因子趨近2，與前述結(jié)果一致。由2-7（b）可知，波長(zhǎng)在3μm附近，散射因子較校由2-7（c）可知，可見光與近紅外波段下，粒子的吸收因子很小，在波長(zhǎng)為3μm時(shí)吸收作用明顯，這是由于可見光與近紅外波段吸收指數(shù)較小，在3μm附近，吸收指數(shù)急劇增大，與前述結(jié)果一致。對(duì)比（a）（b）（c），發(fā)現(xiàn)吸收因子普遍小于散射因子，粒子散射作用對(duì)光線的影響更大。(a)衰減因子(b)散射因子(c)吸收因子圖2-7吸收、衰減、散射因子的等高圖2.3.3散射方向性Mie散射光強(qiáng)的分布隨散射角度的變化而變化，為了進(jìn)一步分析散射角對(duì)Mie散射光強(qiáng)分布的影響，提出用散射相函數(shù)p，相函數(shù)描述了不同

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本文編號(hào)：3518670