复杂地球大气系统中空间目标的紫外散射特性研究

本项目旨在研究紫外波段大气环境背景中目标与电磁波的相互作用物理机制，建立典型地球大气背景下目标的紫外光散射计算模型。项目基于目标光散射的理论与随机介质中波传播的相关理论，研究大气环境包括太阳、云及气溶胶对空间目标构成的紫外背景散射影响。结合典型材料的紫外双向反射分布函数实验，利用遗传模拟退火算法与粒子群算法进行目标的紫外极化双向反射分布函数的统计建模。探索紫外波段材料特性、背景影响与空间目标识别的新的、特殊的性质与应用。探索紫外宏观电磁现象的微观物理本质；研发复杂地球大气背景下目标的紫外光散射仿真计算软件。其研究成果对空间目标光学特性的特征提取、控制和识别等关键技术研究，具有明显学术与应用价值，以及重要的战略意义。

本项目研究了紫外波段大气环境背景中目标与电磁波相互作用的理论及方法。与中科院安徽光机所合作测量了紫外波段多种材料的光谱双向反射分布函数（BRDF）。基于实测数据提出了七参数BRDF统计模型，该模型根据紫外波长的特点考虑了体散射及回程散射，克服了以往BRDF模型在描述非镜像峰值时的不准确性，可明显提高计算精度，且该模型能满足互易性及能量守恒定理的要求，但较之此前被广泛使用于工程问题的五参数BRDF模型，其所需的计算时间稍有增加。为解决计算时间问题，我们采用了免疫网络遗传优化算法对参数模型进行了处理。利用该优化算法可有效的克服参数求解过程中的局部最优问题。研究了空间目标的几何建模，分析了考虑地球背景的目标紫外光谱辐射亮度的影响因素。这些问题的讨论对空间目标的紫外探测与识别研究具有非常重要的意义。项目研究了随机离散介质中的波传输特性对空间目标光散射的影响问题。研究了单个椭球粒子随机分布空间中的紫外光谱的传输特性，分析了离散介质的物理参数对紫外光传输特性的影响，考虑了实际大气典型模型的温湿压信息，通过获取的实测中纬度亚温带某地区一年的气象大气实测数据，建立了结合我国实际地理及大气模式下的紫外传输特性模型，并与国外传统的Modtran软件进行了对比。得到了在紫外波段，地理及大气环境因素对传输透过率的影响并不如红外波段更易受温、湿、压影响显著变化的结论。结合按高度差值的气象测量数据，建立了能够处理在线实验测量数据的典型地球大气背景下紫外光传输特性计算仿真模型。给定典型的大气环境、输入地理的经纬度及计算时间，该软件可折算出太阳、云及气溶胶等大气环境的典型参数变化对空间目标构成的紫外背景的影响。项目利用椭偏仪及分光光度计，分别进行了空间目标典型材料的紫外光谱实验的测量与分析工作。研究了紫外波段材料的宏观物理表象如光谱的吸收特性与其微观结构之间的关系。并对同一材料进行了沿时间变化顺序的追踪测量。将用分光光度计测量得到的材料的上半空间的半球反射率的结果与紫外波段得到BRDF七参数模型的理论建模结果进行了比对，结果显示统计建模的结果与实验测量的结果吻合很好。以此成果为基础开发的BRDF参数库软件已应用于航天等工业部门。此外项目组还研究了各向异性粒子的微观结构在电磁波束入射下的电磁散射现象。以上研究成果对空间目标的紫外散射特性的特征提取和识别等关键技术的研究具有明显学术价值及意义。