一种基于Mueller矩阵分析的偏振BRDF建模方法
本技术的实施例涉及偏振brdf建模，特别涉及一种基于mueller矩阵分析的偏振brdf建模方法。
背景技术：
1、随着偏振测量技术的快速发展和广泛应用，人们开始意识到目标表面的偏振反射特性能够反映目标材料的属性信息和理化特性信息，将传统的标量形式的双向反射分布函数(brdf，bidirectional reflectance distribution function)扩展为穆勒矩阵形式的偏振双向反射分布函数(p-brdf)，就可以使反应入射光和反射光偏振信息的stokes矢量对应联系起来，从而获取目标的表面光强信息和目标的偏振信息(如偏振状态、偏振度)等，这些多维信息能够提高目标的识别精度，从而辨别出传统探测技术无法识别的目标特征，并获取感兴趣的材料信息。
2、在多数将物理brdf模型与mueller矩阵(穆勒矩阵)结合以扩展至考虑偏振效应的p-brdf模型中，其核心在于mueller矩阵元素与物质的反射特性紧密相关，而这些反射特性又依赖于光线的入射角、散射角和材料的复折射率。在实验测量中，可以直接确定入射和散射角度，但是材料的复折射率往往无法直接得到，而是需要通过拟合实验数据来间接求解。因此，现行的p-brdf模型策略是将复折射率作为未知参数处理，通过对实验观测数据的反演过程来估计这些关键参数。
3、在传统的p-brdf模型中，复折射率直接用于拟合mueller矩阵，以表征材料的偏振反射特性。然而，这种方法在实际应用中可能会导致拟合结果得到的复折射率与材料的真实物理属性不一致，从而产生参数上的矛盾。
4、zhu等人在《粗糙表面六参量偏振双向反射分布函数模型》一文中提出了通过基于微面元理论，在brdf模型的基础上加入偏振特性从而建立p-brdf模型，然而，在模型拟合过程中使用复折射率作为未知参量，最终会导致拟合参数与真实物理属性不一致的情况，从而使获取的目标材料的表面光强信息和偏振信息不准确。
技术实现思路
1、本技术的实施例的主要目的在于提出一种基于mueller矩阵分析的偏振brdf建模方法，旨在通过对mueller矩阵进行经验化，结合brdf经验模型，构建基于mueller矩阵分析的偏振brdf模型，本技术克服了利用物理参量复折射率进行建模时，拟合参量与实际参量不符的情况，使获取的目标材料的表面光强信息和偏振信息更加准确，具有简单直接和高效实用的优点。
2、为实现上述目的，本技术的实施例提供了一种基于mueller矩阵分析的偏振brdf建模方法，包括以下步骤：分析目标材料表面的入射光与出射光的偏振状态，计算得到jones矩阵；根据jones矩阵与mueller矩阵的关系，得到反射过程中表征偏振状态转换关系的mueller矩阵；确定表征偏振状态转换关系的mueller矩阵中的元素；对确定元素后的mueller矩阵进行建模，得到mueller矩阵模型；将五参数半经验brdf模型中的非偏振面元局部菲涅尔反射项替换为mueller矩阵模型，得到基于mueller矩阵分析的偏振brdf模型；测量目标材料的偏振brdf数据，利用目标材料的偏振brdf数据拟合基于mueller矩阵分析的偏振brdf模型，预测目标材料在不同入射和观察条件下的反射特性，得到目标材料的表面光强信息和偏振信息。
3、为实现上述目的，本技术的实施例还提供了一种基于mueller矩阵分析的偏振brdf建模系统，包括：
4、jones矩阵计算模块，分析入射光与出射光的偏振状态，计算得到jones矩阵；
5、mueller矩阵求解模块，根据jones矩阵与mueller矩阵的关系，得到反射过程中表征偏振状态转换关系的mueller矩阵；
6、元素确定模块，确定表征偏振状态转换关系的mueller矩阵中的元素；
7、mueller矩阵模型构建模块，对确定元素后的mueller矩阵进行建模，得到mueller矩阵模型；
8、偏振brdf模型构建模块，将五参数半经验brdf模型中的非偏振面元局部菲涅尔反射项替换为mueller矩阵模型，得到基于mueller矩阵分析的偏振brdf模型；
9、数据拟合模块，测量目标材料的偏振brdf数据，利用目标材料的偏振brdf数据拟合基于mueller矩阵分析的偏振brdf模型，使用基于mueller矩阵分析的偏振brdf模型预测目标材料在不同入射和观察条件下的反射特性，得到目标材料的表面光强信息和偏振信息。
10、为实现上述目的，本技术的实施例还提供了一种电子设备，包括：至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行上述所述的一种基于mueller矩阵分析的偏振brdf建模方法。
11、为实现上述目的，本技术的实施例还提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述所述的一种基于mueller矩阵分析的偏振brdf建模方法。
12、本技术的实施例提出的一种基于mueller矩阵分析的偏振brdf建模方法，通过对mueller矩阵进行经验化，结合brdf经验模型，构建了基于mueller矩阵分析的偏振brdf模型，避免了利用物理参量进行建模时出现的拟合参量与实际参量不符的情况，提供了一种更为直接和实用的途径来描述和预测材料表面的偏振反射特性，无需依赖于复杂的物理参数测量和拟合，简化了模型的实施过程，同时提高了模型对于不同材料的适用性和准确性，具有简单直接和高效实用的优点。
13、在一些可选的实施例中，分析目标材料表面的入射光与出射光的偏振状态，计算得到jones矩阵，包括：
14、将光在传播过程中经过某个光学系统的过程表示为er＝j*ei，其中，为入射光的琼斯矢量，为出射光的琼斯矢量，为经过光学系统的琼斯矩阵，s表示垂直偏振，p表示水平偏振；
15、通过菲涅尔公式可得琼斯矩阵为：
16、
17、式中，ηi为入射方向与样品表面法线组成的平面与微面元法线与入射方向组成的平面夹角，ηr为探测方向与样品表面法线组成的平面与探测方向与微面元法线组成的平面之间的夹角，其中：
18、
19、式中，θi为入射角，θr为散射角，α为微观小平面法线方向n与z轴之间的夹角，β为微观平面上本地坐标系的入射角。
20、在一些可选的实施例中，所述根据jones矩阵与mueller矩阵的关系，得到反射过程中表征偏振状态转换关系的mueller矩阵，包括：
21、确定mueller矩阵的通用表达式：
22、
23、确定jones矩阵元素tij和mueller矩阵元素mij的对应关系：
24、
25、在一些可选的实施例中，所述确定表征偏振状态转换关系的mueller矩阵中的元素，包括：
26、确定在漫反射情况下，偏振brdf模型中mueller矩阵md j,l中的元素：
27、
28、确定在镜反射情况下，偏振brdf模型中mueller矩阵msj,l中的元素：
29、
30、其中，rs为s分量的振幅反射率，rp为p分量的振幅反射率，rs*为s分量振幅反射率的共轭，rp*为p分量振幅反射率的共轭。
31、在一些可选的实施例中，所述对确定元素后的mueller矩阵进行建模，得到mueller矩阵模型，包括：利用幂函数模型替代mueller矩阵中各元素，得到mueller矩阵模型
32、
33、在一些可选的实施例中，所述将五参数半经验brdf模型中的非偏振面元局部菲涅尔反射项替换为mueller矩阵模型，得到基于mueller矩阵分析的偏振brdf模型，包括：
34、引入五参数半经验brdf模型，表达式为：
35、
36、其中，θi为入射角，θr为散射角，α为微观小平面法线方向n与z轴之间的夹角，β为微观平面上本地坐标系的入射角，g为遮蔽函数，(θi,φi)为入射方向的天顶角、方位角，(θr,φr)为反射方向的天顶角、方位角，kb,kr,kd均为待定参数，exp[b(1-cosβ)a]为非偏振面元局部菲涅尔反射项；
37、将五参数半经验brdf模型的非偏振面元局部菲涅尔反射项替换为mueller矩阵，得到偏振brdf模型，表达式为：
38、
39、其中，msj,l为镜面反射的mueller矩阵，md j,l为漫反射的mueller矩阵；
40、将mueller矩阵模型代入偏振brdf模型中，得到基于mueller矩阵分析的偏振brdf模型，表达式为：
41、
42、通过对mueller矩阵进行经验化，并结合brdf经验模型，构建了一种基于mueller矩阵分析的偏振brdf模型。这种方法避免了在使用物理参数进行建模时出现的拟合参数与实际参数不符的问题。
43、在一些可选的实施例中，所述确定在镜反射情况下，偏振brdf模型中mueller矩阵msj,l中的元素，包括：
44、在镜反射情况共面测量条件下，即相对方位角为δφ＝π时，只有m00，m11，m01，m10，m22，m33，m23，m32不为0，其他几个元素均为0，并且m00＝m11，m01＝m10，m22＝m33，m23＝-m32，即镜反射的mueller矩阵msj,l的表达式为：
45、
46、将镜反射的mueller矩阵msj,l由4×4简化为3×3，简化后镜反射的mueller矩阵msj,l为：
47、
48、通过jones矩阵与mueller矩阵的关系得到镜反射的mueller矩阵msj,l中的元素：
49、
技术特征：
1.一种基于mueller矩阵分析的偏振brdf建模方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的一种基于mueller矩阵分析的偏振brdf建模方法，其特征在于，所述分析目标材料表面的入射光与出射光的偏振状态，计算得到jones矩阵，包括：
3.根据权利要求1所述的一种基于mueller矩阵分析的偏振brdf建模方法，其特征在于，所述根据jones矩阵与mueller矩阵的关系，得到反射过程中表征偏振状态转换关系的mueller矩阵，包括：
4.根据权利要求1所述的一种基于mueller矩阵分析的偏振brdf建模方法，其特征在于，所述确定表征偏振状态转换关系的mueller矩阵中的元素，包括：
5.根据权利要求1所述的一种基于mueller矩阵分析的偏振brdf建模方法，其特征在于，所述对确定元素后的mueller矩阵进行建模，得到mueller矩阵模型，包括：利用幂函数模型替代mueller矩阵中各元素，得到mueller矩阵模型
6.根据权利要求1所述的一种基于mueller矩阵分析的偏振brdf建模方法，其特征在于，所述将五参数半经验brdf模型中的非偏振面元局部菲涅尔反射项替换为mueller矩阵模型，得到基于mueller矩阵分析的偏振brdf模型，包括：
7.根据权利要求4所述的一种基于mueller矩阵分析的偏振brdf建模方法，其特征在于，所述确定在镜反射情况下，偏振brdf模型中mueller矩阵msj,l中的元素，包括：
8.一种基于mueller矩阵分析的偏振brdf建模系统，其特征在于，包括：
9.一种电子设备，其特征在于，包括：
10.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1至7中任一项所述的一种基于mueller矩阵分析的偏振brdf建模方法。
技术总结
本申请的实施例涉及偏振BRDF建模技术领域，特别涉及一种基于Mueller矩阵分析的偏振BRDF建模方法。所述方法包括：计算目标材料Jones矩阵；得到表征偏振状态转换关系的Mueller矩阵；确定Mueller矩阵元素；建立Mueller矩阵模型；将五参数半经验BRDF模型中非偏振面元局部菲涅尔反射项替换为Mueller矩阵模型，得到基于Mueller矩阵分析的偏振BRDF模型；测量目标材料的偏振BRDF数据，利用目标材料偏振BRDF数据拟合偏振BRDF模型，预测目标材料在不同入射和观察条件下的反射特性，得到表面光强信息和偏振信息。本申请实施例提供的一种基于Mueller矩阵分析的偏振BRDF建模方法，避免了利用物理参量进行建模时出现拟合参量与实际参量不符的情况，具有简单直接和高效实用的优点。
技术研发人员：李艳辉,杨鹏飞,邹楹
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23