粒径大小对颗粒表面偏振反射光谱特性影响机制研究

In remote sensing applications, the reflectance of particulate surfaces can be used for retrieving the particle size, such as snow and sands. Certainly, the polarization must be contained when we described the light reflected from the Earth’s surface, as well as measurement of the state of polarization could provide useful additional information for the current remote sensing technique. In this project, we measure the hyperspectral polarization from snow and sand surfaces in 2π space using ASD spectrometer, the setup of polarization and goniometer, and establish the bidirectional polarization distribution function. Soon after, based on the Stokes parameter expression, comparing the measurement polarization results of two typical particulate surfaces. We also analyze the effect of grain size on the polarization from particulate surfaces at different wavelength. Finally, the effect mechanism of particle size on the polarization can be found out based on the vector radiative transfer theory, existing physical theory and our actual measurement results, at the same time, a polarized model of particle surface will be provided and can be proved using the polarization from laboratory and field measurement. This study can help us understand clearly the radiative transfer process and the effect of grain size on the spectral polarization from particulate surface, and provide more additional useful information for determining the particle size.

遥感技术可以利用反射信息的变化确定颗粒表面(如积雪与沙地)粒径的大小，而偏振是描述反射过程不可或缺的一个参量，同时偏振信息已经成为辅助现有遥感技术的一种有效信息。本项目以积雪与沙地表面为研究对象，首先利用地物光谱仪、偏振装置结合多角度平台测量不同粒径大小的积雪与沙子表面在2π空间的反射信息，确定其双向偏振反射分布；随后以斯托克斯参量表示法为理论依据，将两种颗粒表面的偏振测量结果进行对比研究，分析粒径大小在不同波段对颗粒表面偏振反射的影响；最后，基于矢量辐射传输理论和现有的理论基础，确定粒径大小对偏振的影响机制，同时建立颗粒表面的偏振反射模型，并且通过实验室内与野外获取的偏振信息进行验证。本研究不仅可以了解粒径大小对颗粒表面偏振光谱特性的影响，也有助于详细的理解颗粒表面的辐射传输过程，为反演粒径大小提供更多额外有效的信息源。

积雪与沙地是地表典型的颗粒介质，粒径大小是颗粒介质的重要特征参数，遥感技术主要是利用粒径大小与反射信息之间的关系实现对颗粒介质粒径大小的估算与反演。偏振作为描述反射过程不可忽略的参量，已经成为辅助现有遥感技术的一种有效信息源。本项目以积雪与沙地表面为研究对象，首先利用地物光谱仪、偏振装置结合多角度平台测量不同粒径大小的积雪与沙子表面在半球空间的反射信息，确定其双向偏振反射分布，发现偏振反射也具有各向异性特征；随后以斯托克斯参量表示法为理论依据，将两种颗粒表面的偏振测量结果进行对比研究，分析粒径大小在不同波段对颗粒表面偏振反射的影响，发现前向与后向散射方向粒径大小对偏振信息的影响存在差异，这主要是由于不同的物理机制引起的偏振特性；最后，基于矢量辐射传输理论和现有的理论基础，建立颗粒表面的偏振反射模型，并且通过实验室内与野外获取的偏振信息进行了验证，发现多角度偏振测量不经可以直接建立粒径大小与反射信息之间的关系，还可以通过模型参数来量化颗粒介质的粒径大小。本研究不仅有助于了解粒径大小对颗粒表面偏振光谱的影响，也有助于详细理解颗粒表面的辐射传输过程，为反演粒径大小提供更多额外有效的信息源。