[发明专利]基于涡旋光束的叶片生化组分参数定量遥感方法及装置

权利要求书

1.一种基于涡旋光束的叶片生化组分参数定量遥感方法，其特征在于，包括：

将涡旋光束照射到叶片上，基于所述叶片对应的PROSPECT单层叶片模型，建立叶片对涡旋光束的反射和透射模型；

基于所述叶片对涡旋光束的反射和透射模型，计算反射涡旋光束和透射涡旋光束所对应的光强分布，并计算反射涡旋光束和透射涡旋光束所对应的轨道角动量分布；

基于所述反射涡旋光束和透射涡旋光束所对应的光强分布，以及所述反射涡旋光束和透射涡旋光束所对应的轨道角动量分布，提取叶片各生化组分的含量；

其中，所述基于所述叶片对应的PROSPECT单层叶片模型，建立叶片对涡旋光束的反射和透射模型步骤，具体为：

计算所述涡旋光束进入PROSPECT单层叶片模型的前表面后获得的反射涡旋光束的光场表达式，以及所述涡旋光束进入PROSPECT单层叶片模型的前表面后获得的折射涡旋光束的光场表达式；

基于所述折射涡旋光束的光场表达式，利用柯林斯公式，并考虑叶片的吸收系数，计算获得所述折射涡旋光束在叶片内传输后的光场表达式；

基于所述折射涡旋光束在叶片内传输后的光场表达式，计算在叶片内传输后的所述折射涡旋光束从所述PROSPECT单层叶片模型的后表面出射后获得的透射涡旋光束的光场表达式；

其中，所述基于所述叶片对涡旋光束的反射和透射模型，计算反射涡旋光束和透射涡旋光束所对应的光强分布，并计算反射涡旋光束和透射涡旋光束所对应的轨道角动量分布的步骤，具体为：

根据光强的定义，基于所述反射涡旋光束的光场表达式，计算所述反射涡旋光束的光强表达式，基于所述透射涡旋光束的光场表达式，计算所述透射涡旋光束的光强表达式；

根据螺旋谱的定义，基于所述反射涡旋光束的光场表达式，计算所述反射涡旋光束的轨道角动量分布表达式，基于所述透射涡旋光束的光场表达式，计算所述透射涡旋光束的轨道角动量分布表达式；

运用数值分析方法，计算获得所述反射涡旋光束和透射涡旋光束所对应的光强分布，以及所述反射涡旋光束和透射涡旋光束所对应的轨道角动量分布；

其中，所述基于所述反射涡旋光束和透射涡旋光束所对应的光强分布，以及所述反射涡旋光束和透射涡旋光束所对应的轨道角动量分布，提取叶片各生化组分的含量的步骤，具体为：

基于所述反射涡旋光束和透射涡旋光束所对应的光强分布，建立光强分布与叶片的光学特性之间的关系，基于所述反射涡旋光束和透射涡旋光束所对应的轨道角动量分布，建立轨道角动量分布与叶片的光学特性之间的关系；

建立叶片的光学特性与叶片的生化组分之间的关系；

基于所述叶片的光学特性与叶片的生化组分之间的关系，提取叶片各生化组分的含量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算所述涡旋光束进入PROSPECT单层叶片模型的前表面后获得的反射涡旋光束的光场表达式，以及所述涡旋光束进入PROSPECT单层叶片模型的前表面后获得的折射涡旋光束的光场表达式的步骤，具体为：

根据角谱理论，计算入射的涡旋光束的角谱表达式；

根据所述入射的涡旋光束的角谱表达式，基于菲涅尔定律，计算获得所述反射涡旋光束的光场表达式；

根据所述入射的涡旋光束的角谱表达式，基于菲涅尔定律，计算获得所述折射涡旋光束的光场表达式。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述折射涡旋光束在叶片内传输后的光场表达式，具体为：

其中，k是波数，T为叶片的吸收系数，N为叶片的厚度，u₀(r,θ,0)为经过叶片前表面后的折射涡旋光束的光场分布，分别为初始平面和接收平面上的点，为所述折射涡旋光束在叶片内传输后的光场表达式。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述叶片的光学特性包括：叶片厚度、吸收系数和折射率。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述叶片的生化组分包含水分、叶绿素和干物质。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述涡旋光束具体为拉盖尔高斯光束、复宗量拉盖尔高斯光束或异常涡旋光束中的一种。

7.一种基于涡旋光束的叶片生化组分参数定量遥感装置，其特征在于，包括：

模型建立模块，用于将涡旋光束照射到叶片上，基于所述叶片对应的PROSPECT单层叶片模型，建立叶片对涡旋光束的反射和透射模型；

光强和轨道角动量获取模块，用于基于所述叶片对涡旋光束的反射和透射模型，计算反射涡旋光束和透射涡旋光束所对应的光强分布，并计算反射涡旋光束和透射涡旋光束所对应的轨道角动量分布；

叶片生化组分提取模块，用于基于所述反射涡旋光束和透射涡旋光束所对应的光强分布，以及所述反射涡旋光束和透射涡旋光束所对应的轨道角动量分布，提取叶片各生化组分的含量；

其中，所述基于所述叶片对应的PROSPECT单层叶片模型，建立叶片对涡旋光束的反射和透射模型，具体为：

计算所述涡旋光束进入PROSPECT单层叶片模型的前表面后获得的反射涡旋光束的光场表达式，以及所述涡旋光束进入PROSPECT单层叶片模型的前表面后获得的折射涡旋光束的光场表达式；

基于所述折射涡旋光束的光场表达式，利用柯林斯公式，并考虑叶片的吸收系数，计算获得所述折射涡旋光束在叶片内传输后的光场表达式；

基于所述折射涡旋光束在叶片内传输后的光场表达式，计算在叶片内传输后的所述折射涡旋光束从所述PROSPECT单层叶片模型的后表面出射后获得的透射涡旋光束的光场表达式；

其中，所述基于所述叶片对涡旋光束的反射和透射模型，计算反射涡旋光束和透射涡旋光束所对应的光强分布，并计算反射涡旋光束和透射涡旋光束所对应的轨道角动量分布，具体为：

根据光强的定义，基于所述反射涡旋光束的光场表达式，计算所述反射涡旋光束的光强表达式，基于所述透射涡旋光束的光场表达式，计算所述透射涡旋光束的光强表达式；

根据螺旋谱的定义，基于所述反射涡旋光束的光场表达式，计算所述反射涡旋光束的轨道角动量分布表达式，基于所述透射涡旋光束的光场表达式，计算所述透射涡旋光束的轨道角动量分布表达式；

运用数值分析方法，计算获得所述反射涡旋光束和透射涡旋光束所对应的光强分布，以及所述反射涡旋光束和透射涡旋光束所对应的轨道角动量分布；

其中，所述基于所述反射涡旋光束和透射涡旋光束所对应的光强分布，以及所述反射涡旋光束和透射涡旋光束所对应的轨道角动量分布，提取叶片各生化组分的含量，具体为：

基于所述反射涡旋光束和透射涡旋光束所对应的光强分布，建立光强分布与叶片的光学特性之间的关系，基于所述反射涡旋光束和透射涡旋光束所对应的轨道角动量分布，建立轨道角动量分布与叶片的光学特性之间的关系；

建立叶片的光学特性与叶片的生化组分之间的关系；

基于所述叶片的光学特性与叶片的生化组分之间的关系，提取叶片各生化组分的含量。