一種自然水面偏振遙感成像仿真方法
【專利說明】-種自然水面偏振遙感成像仿真方法 (-)所屬技術領域
[0001] 本發(fā)明設及一種自然水面偏振遙感成像仿真方法，屬于光學遙感探測領域，對海 洋偏振探測的研究和在軌衛(wèi)星偏振遙感器的設計具有重要意義和參考價值。 (二）【背景技術】
[0002] 海洋探測與海上目標探測受到復雜波浪水面、太陽耀光等因素干擾，清晰成像尤 為困難。波浪水面的反射光蘊含著大量的偏振信息，并且海上目標與海洋背景通常具有顯 著不同的偏振特性，運就為海洋目標探測提供了可靠依據(jù)。同時利用偏振手段進行探測可 W有效地濾除太陽耀光。本發(fā)明中水面反射光的偏振特性研究對海洋偏振探測提供了理論 依據(jù)。
[0003] 雖然利用偏振特性進行遙感探測具有獨特的優(yōu)勢，然而遙感探測特別是航天遙感 成本高，傳感器的研發(fā)制造難度大，阻礙目前偏振遙感成像技術的進展。借助計算機仿真技 術與偏振遙感技術可W實現(xiàn)各種成像條件下地面場景的偏振遙感圖像仿真。在偏振成像仿 真方面，國內學者針對植被與±壤地表類型進行偏振特性的仿真建模研究。但迄今為止，尚 未見到有效的波浪海面偏振遙感成像仿真方法的報道。本發(fā)明基于一種物理波浪譜模型， 通過建立=維海面幾何場景實現(xiàn)對成像背景的描述，建立場景中偏振反射物理模型，實現(xiàn) 海面偏振遙感成像過程。因此本發(fā)明設及一種自然水面偏振遙感成像仿真方法對偏振傳感 器的優(yōu)化設計起到了指導作用并且大大節(jié)約了設計成本，可為偏振遙感應用提供有效的數(shù) 據(jù)源。 (H)
【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明設及一種自然水面偏振遙感成像仿真方法。技術解決方案是：首先，根據(jù) 半經驗瑞麗散射模型計算入射天空光的偏振分布模式；其次，基于化mips波浪譜模型建 立自然水面場景得到波浪面元法向量；根據(jù)反射過程的矢量福射傳輸關系確定入射天空 光的幾何位置；計算入射到微面元的局部入射角；最后，根據(jù)菲涅耳反射定律，平靜水面的 Mueller矩陣乘W入射光的偏振態(tài)得到了反射光的Stokes參量，逐像素計算實現(xiàn)波浪水面 偏振遙感圖像的仿真。其具體步驟如下： 陽0化]1 一種自然水面偏振遙感成像仿真方法。其特征在于包含W下步驟：
[0006] (1)計算天空光的強度分布模式；
[0007] 似計算天空光的偏振分布模式；
[0008] (3)基于化mips波浪譜模型建立海洋高度場模型；
[0009] (4)計算網格點的波浪微面元法線方向；
[0010] (5)入射光與微面元形成的局部入射角；
[0011] (6)建立氣-水界面的偏振反射率模型；
[0012] (7)計算波浪水面反射光的偏振態(tài)；
[0013] 做模擬自然水面的偏振遙感圖像。
[0014] 2步驟（1)中所述的"計算天空光的強度分布模式"，建立晴朗天空光福亮度分布 模型，天空某觀測方向的散射光強度可W表達為：
[0015]
[0016] 其中，N為天空光的福亮度，0g為太陽天頂角，0為天空某位置的天頂角，P為 大氣單次散射反照率，X為大氣光學厚度，m為大氣質量，r為散射角。
[0017] 3步驟似中所述的"計算天空光的偏振分布模式"，具體技術流程如下： 陽0化]第一步：根據(jù)公式cosy=co哦cose+sin0、sineCOSSO計算散射角丫，其中0S為太 陽天頂角，0為觀測天頂角，4為相對方位角；
[0019] 第二步：計算天空光偏振度，如下式所示：
[0020]
[0021] 5m。、為特定太陽高度角時的最大偏振度，最大值取1 ;
[0022] 第S步：計算天空光的偏振角，設散射面的法向量1 = 5^餐霉=批，，戶，2，)，入射光 矢量各=枉，托，三2)，那么散射角曰op二|c〇s1m-9〇|， 柳2引其中
[0024] 4步驟（3)中所述的"基于化mips波浪譜模型建立海洋高度場模型"，具體技術 流程如下： 陽0巧]第一步：建立化mips波浪譜模型，
[0026]
[0027]其中，k為波數(shù)向量，W為風速向量，A，1為常量。 陽0%] 第二步：計算高度場的傅立葉波譜值，
[0029]
[0030] 其中e1是兩個相互獨立的高斯隨機數(shù)。
[0031] 第=步：計算波浪頻譜在時間t時的高度場，
[0032]
[0033] 第四步：計算t時刻任意水平位置X=(X，Z)上波浪水面的高度：
[0034]
[0035] 上式是一個頻域變換到空間域的過程。
[0036] 5步驟（4)中所述的"計算網格點的波浪微面元法線方向"，利用臨近網格點的有 限差方法，具體技術流程如下：
[0037] 第一步：面元斜坡在X，y，Z方向的分量分別為：
[0043] 6步驟巧）中所述的"入射光與微面元形成的局部入射角"，具體技術流程如下：
[0044] 第一步：入射光線自1、面元法線n、反射光線Cf滿足下式關系，且有反射角0f等 于入射角白i;
[0047] 第二步：確定入射天空光方向，并用空間=維坐標表示：
[0048]
W例其中入射天頂角目1G(0, 31 /2)，入射方位角化6 (-巧，巧）;
[0050] 第=步：考慮到面元斜坡與水平面的傾角，入射到波浪微面元上的局部入射角的 余弦為：
[0051]
[0052] 當天頂觀測時，出射光矢量Cf= (0, 0, 1)，則入射光天頂角為0 1" = 2 0 1'。
[005引 7步驟（6)中所述的"建立氣-水界面的偏振反射率模型"，具體技術流程如下：
[0054] 第一步：平靜水面反射Mueller矩陣為： 陽化引
[0056] 其中Ts、rp為反射E矢量的垂直分量和平行分量； 陽057] 第二步：旋轉參考面，旋轉矩陣為：
[0058]
[0059] 其中i為參考面旋轉角度；
[0060] 第=步：根據(jù)第一步和第二步求得面元的偏振反射率矩陣：
[0061]
[0062] 8步驟（7)中所述的"計算波浪水面反射光的偏振態(tài)"，具體技術流程如下： 陽063] 第一步：用Stokes矢量表示反射光在某一點的偏振態(tài)： W64] S=(I，Q，U，V)t W65] 其中I、Q、U和V為斯托克斯參量；
[0066] 第二步：反射光偏振特性的Stokes矢量就可W表示為，
[0067]Sf=M.S1
[0068] 第S步：根據(jù)Stokes參量計算面元反射光的偏振態(tài)，偏振度d和偏振角a由下式 計算：
[0069]
[0070] 9步驟做中所述的"模擬自然水面的偏振遙感圖像"，具體技術流程：根據(jù)設定的 海域面積和網格點數(shù)，逐像素計算每一微面元反射光的偏振態(tài)，利用C++A)pen化實現(xiàn)圖像 的顯示。
[0071] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于：
[0072] (1)目前學術界缺少有效的波浪海面偏振遙感成像仿真的技術方法，本發(fā)明具有 顯著的創(chuàng)新性，拓展了偏振光學遙感領域的研究。<