[发明专利]一种自然水面偏振遥感成像仿真方法

说明书

(一)所属技术领域

本发明涉及一种自然水面偏振遥感成像仿真方法，属于光学遥感探测领域，对海洋偏振探测的研究和在轨卫星偏振遥感器的设计具有重要意义和参考价值。

(二)背景技术

海洋探测与海上目标探测受到复杂波浪水面、太阳耀光等因素干扰，清晰成像尤为困难。波浪水面的反射光蕴含着大量的偏振信息，并且海上目标与海洋背景通常具有显著不同的偏振特性，这就为海洋目标探测提供了可靠依据。同时利用偏振手段进行探测可以有效地滤除太阳耀光。本发明中水面反射光的偏振特性研究对海洋偏振探测提供了理论依据。

虽然利用偏振特性进行遥感探测具有独特的优势，然而遥感探测特别是航天遥感成本高，传感器的研发制造难度大，阻碍目前偏振遥感成像技术的进展。借助计算机仿真技术与偏振遥感技术可以实现各种成像条件下地面场景的偏振遥感图像仿真。在偏振成像仿真方面，国内学者针对植被与土壤地表类型进行偏振特性的仿真建模研究。但迄今为止，尚未见到有效的波浪海面偏振遥感成像仿真方法的报道。本发明基于一种物理波浪谱模型，通过建立三维海面几何场景实现对成像背景的描述，建立场景中偏振反射物理模型，实现海面偏振遥感成像过程。因此本发明涉及一种自然水面偏振遥感成像仿真方法对偏振传感器的优化设计起到了指导作用并且大大节约了设计成本，可为偏振遥感应用提供有效的数据源。

(三)发明内容

本发明涉及一种自然水面偏振遥感成像仿真方法。技术解决方案是：首先，根据半经验瑞丽散射模型计算入射天空光的偏振分布模式；其次，基于Phillips波浪谱模型建立自然水面场景得到波浪面元法向量；根据反射过程的矢量辐射传输关系确定入射天空光的几何位置；计算入射到微面元的局部入射角；最后，根据菲涅耳反射定律，平静水面的Mueller矩阵乘以入射光的偏振态得到了反射光的Stokes参量，逐像素计算实现波浪水面偏振遥感图像的仿真。其具体步骤如下：

1一种自然水面偏振遥感成像仿真方法。其特征在于包含以下步骤：

(1)计算天空光的强度分布模式；

(2)计算天空光的偏振分布模式；

(3)基于Phillips波浪谱模型建立海洋高度场模型；

(4)计算网格点的波浪微面元法线方向；

(5)入射光与微面元形成的局部入射角；

(6)建立气-水界面的偏振反射率模型；

(7)计算波浪水面反射光的偏振态；

(8)模拟自然水面的偏振遥感图像。

2步骤(1)中所述的“计算天空光的强度分布模式”，建立晴朗天空光辐亮度分布模型，天空某观测方向的散射光强度可以表达为：

N(γ,θs,θ)=(A+Be-mγ+Ccos2γcosθ)(1-e-ρsecθs)(1-e-Tsecθ)]]>

其中，N为天空光的辐亮度，θ_s为太阳天顶角，θ为天空某位置的天顶角，ρ为大气单次散射反照率，τ为大气光学厚度，m为大气质量，γ为散射角。