[发明专利]一种计算密实性颗粒介质光散射特性的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种计算密实性介质光散射特性的方法，计算的光谱范围为可见光波段即0.4微米到2.5微米。

背景技术

介质的光散射特性是指光波照射到介质上后介质对光波的影响(包括光的反射和折射以及光被吸收)。对于密实性介质，可以通过研究介质的二向反射特性(具体的来说是介质的二向反射分布函数BRDF)来研究介质光散射特性。影响介质二向反射特性的主要因素有介质的组成成分、各个组分的内部晶体结构、介质的表面形状。因此，研究介质的二向反射特性可以达到两个目的：一方面，在已知物质结构、属性、形状的特性的情况下，得到介质的二向反射光谱曲线；另一方面，由遥感或实验室测量得到的部分光谱数据通过反演得到二向反射模型的参数，根据这些参数我们可以对介质的组分等进行定量的分析。另外，将参数带入模型中，根据模型可得到介质的整个光谱曲线。

随着高光谱、航天及遥感定量反演技术的发展，物体的二向性反射特性不应被忽视。地物二向性反射模型的建立与完善不仅可以仿真地物实测光谱，而且也是定量反演地表参数的重要理论基础。根据地物的光谱特征可以直接识别地物组成以至地物成分，光谱重建是高光谱识别和量化反演的前提和基础。因此，发展二向性反射模型对于提高地物成分反演、以及光谱解混的精度意义重大。

为计算密实性散射介质(行星表面风化层、裸露地表、岩矿粉末等)的光学散射特性，在钱德拉萨卡(Chandrasekhar)辐射传输方程基础上，研究者建立了不同类型的基于辐射传输理论的二向性反射模型，目前最常用的是哈帕克(Hapke)模型。

Hapke模型的发展主要有三个阶段，1981年提出的Hapke模型在计算密实介质对光散射时，假设介质是各向同性的。而自然界中，介质不可能是各向同性的。1993年的Hapke模型引入了粗糙度阴影函数，考虑了表面粗糙度的遮蔽效应；2002的Hapke模型在计算介质散射时，考虑到了各向异性对光散射的影响。得到了更精确的各向异性的光散射的表达式，同时增加了干涉后向效应，并考虑了介质孔隙度对模型的影响。Hapke模型虽然只是辐射传输方程的二流近似解析解，但由于其求解简单、精度基本达到应用需求，并且有着易于反演的优势，因此被广泛应用于行星遥感领域和裸露地表的遥感模型。

Hapke模型是目前描述密实性散射介质二向性反射的主流模型，但在实际应用中，发现该模型存在一定的缺陷。具体而言，采用Hapke模型模拟密实性散射介质二向性反射光谱以及用模型反演散射介质的光学特性时，发现单次散射反照率大的散射介质模型精度较低，而单次散射反照率低的散射介质模型精度较高；另外，正如前面所说的，影响介质二向反射特性的主要因素有介质的组成成分、各个组分的内部晶体结构、介质的表面形状。而在Hapke模型中没有考虑到密实性介质表面形状对散射光谱的影响即没有考虑到面散射。

发明内容

本发明的目的是提供一种计算密实性颗粒介质光散射特性的方法，计算精度高，同时精确反映介质表面的粗糙度。

一种计算密实性颗粒介质光散射特性的方法，介质光散射特性其中，θ_i为入射光天顶角，为入射光方位角，θ_s为观测天顶角，为观测方位角，λ为入射光波长；为介质面散射的二向反射分布特性，为介质体散射的二向反射分布特性。

与Hapke模型相比，本发明的技术效果体现在两个方面：一方面，本发明面散射部分充分的考虑了表面形状对光散射特性的作用，增加了刻画散射介质表面粗糙程度的参数，能够反映实际散射体表面粗糙度的大小。而现有的Hapke模型没有考虑到介质表面形状对光散射特性的影响；另一方面，本发明将辐射传输理论与波解析理论相结合，兼顾了两者的优点，实验仿真表明本发明比Hapke更加准确。

附图说明

图1是光与密实性颗粒介质相互作用的剖面示意图。

图2是本发明步骤流程图。

图3是本发明实施例中散射介质表面几何示意图。图中入射角与x轴夹角为0，所以

图4是我们的模型、Hapke模型与离散坐标法(DISORT)数值计算结果的比较图。

图5是改变模型输入参数，图4所述各种模型计算结果比较的另一示例图。

具体实施方式