非均匀半透明介质瞬态矢量辐射传递研究

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1、博士学位论文非均匀半透明介质瞬态矢量辐射传递研究RESEARCHONTRANSIENTVECTORRADIATIVETRANSFERININHOMOGENEOUSSEMI-TRANSPARENTMEDIA贲勋哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：TK124学校代码：10213国际图书分类号：621.1.016.7密级：公开工学博士学位论文非均匀半透明介质瞬态矢量辐射传递研究博士研究生：贲勋导师：谈和平教授、易红亮教授申请学位：工学博士学科：工程热物理所在单位：能源科学与工程学院答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学Classified

2、Index:TK124U.D.C:621.1.016.7DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONTRANSIENTVECTORRADIATIVETRANSFERININHOMOGENEOUSSEMI-TRANSPARENTMEDIACandidate：BenXunSupervisor：Prof.TanHe-ping,Prof.YiHong-liangAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：EngineeringThe

3、rmophysicsAffiliation：SchoolofEnergyScienceandEngineringDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要光波是横波，偏振是光波的本质属性。偏振光在遥感探测、生物组织成像、军事目标伪装识别等领域有着广泛的应用。偏振光在散射性介质中的传播可用矢量（偏振）辐射传递方程来描述。与标量辐射传递方程相比，矢量辐射传递方程更为复杂，求解也更为困难。目前矢量辐射传递的研究主要集中在一维均匀介质中的

4、稳态矢量辐射传递，对非均匀介质中瞬态矢量辐射传递的研究还较少。本文对矢量辐射在非均匀介质中的传递展开了系统的研究。采用蒙特卡洛法，建立了三维空间内稳态矢量辐射传递模型。该模型能够准确描述光线在介质中传递时遇到的散射、吸收、反射、折射等物理过程，以及在这些过程中光线携带的Stokes矢量的变化情况。利用该模型，研究了任意多层非均匀折射率系统中的矢量辐射传递规律；分析了不同类型界面（Fresnel界面，Lambert界面）对辐射强度和偏振特性的影响。采用多层逼近模型研究了一维梯度折射率介质中矢量辐射传递问题。在该模型中，将梯度折射率介质均匀划分成若干折射率为

5、固定值的子层，用多层逼近的方法模拟偏振光在梯度折射率介质中的传递。该模型通过了网格无关性检验，能够较好地解决一维梯度折射率介质中矢量辐射传递问题。开展了非均匀温度场条件下热发射介质的表观矢量辐射特性研究。研究了热发射介质的温度场分布、壁面黑度、介质折射率以及光学厚度对表观矢量辐射特性的影响。建立了三维空间内瞬态矢量辐射传递蒙特卡洛模型。对激光脉冲在三维多层半透明介质中传递的瞬态和偏振特性展开研究。通过与实验数据进行对比，验证了该模型的正确性。采用直接配点无网格法求解矢量辐射传递方程。系统论述了直接配点无网格法求解矢量辐射传递方程的原理；建立了蒙特卡洛法与

6、直接配点无网格法的联合求解方案，用于求解含Fresnel界面的一维多层非均匀折射率系统内的矢量辐射传递问题。该方案将蒙特卡洛法精确、易实现的优点与直接配点无网格法求解效率高的优点相结合。考察了透射光、反射光携带的Stokes矢量在半球空间的分布规律，发现了入射光携带的偏振信息-I-哈尔滨工业大学博士学位论文会导致Stokes矢量在半球空间分布会发生不对称性旋转的现象。开展了基于矢量辐射传递蒙特卡洛模型的主动成像原理研究，分别进行了稳态成像及瞬态成像探索。从中发现，利用偏振信息成像可以丰富探测目标的光学信息，有助于将目标从背景中分离出来。在低可见度场景下，

7、瞬态矢量成像原理可以有效去除遮挡物干扰。在瞬态成像原理中，选择合适的探测器开启时机尤为重要。关键词：矢量辐射传递；偏振；散射；多层；梯度折射率；瞬态；蒙特卡洛法；直接配点无网格法；主动成像-II-哈尔滨工业大学工学博士学位论文AbstractLightwaveisakindoftransversewave,andpolarizationisthebasicpropertyoflight.Polarizedlighthasbeenusedwidelyinmanyfields,suchasremotesensing,biologicaltissueimagi

8、ng,andcamouflagerecognitionofmilitarytar