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《Optics Express》期刊2025年12月发表的LWIR偏振特性研究学术报告

一、作者与机构
本研究由长春理工大学空间光电技术国家地方联合工程研究中心的Kun Ming、Qiang Fu等团队主导，合作单位包括上海技术物理研究所。通讯作者Qiang Fu的邮箱为custfugiang@163.com。论文发表于2025年12月1日的《Optics Express》第33卷第24期，文章编号50822。

二、学术背景
本研究属于红外偏振探测与复杂大气环境光传输交叉领域。传统偏振双向反射分布函数（p-BRDF）模型在海洋雾环境中因忽略大气散射效应导致精度下降，而长波红外（LWIR）偏振成像在雾霾条件下具有穿透优势。研究团队通过改进Minnaert散射模型和米氏（Mie）散射蒙特卡洛方法，建立了适用于海雾环境的LWIR偏振特性模型，旨在提升舰船目标在复杂海雾条件下的探测精度。

三、研究流程与方法
1. 理论模型构建
- 提出增强型p-BRDF模型：整合自发辐射分量（通过方向半球反射率表征）和体散射分量（基于Minnaert模型改进）。
- 开发米氏散射蒙特卡洛算法：模拟海雾粒子（1-50 μm盐晶水膜颗粒）对8-14 μm波段光的散射过程，光学厚度τ范围0.095-0.799对应三种海雾浓度。
- 引入粒子群优化算法：反演5083铝合金、316L不锈钢等四种舰船材料的7个关键参数（如表面粗糙度σ、散射系数kv等）。

1. 实验验证

   • 标准大气测试：使用BRDF多角度测量系统（含WP25M-IRC长波红外偏振仪），在30°C环境温度下测量四种材料（样本尺寸15×15×0.3 cm）的偏振度（DoLP），入射天顶角覆盖30°-60°，相对方位角150°-210°。
     
   • 海雾模拟实验：搭建室内海雾模拟装置（盐度0.9%），通过雾化时间（1-10分钟）控制浓度，采用Plug1212红外相机记录目标辐射特性，数据经聚乙烯薄膜（透射率>90%）校正。

2. 数据分析

   • 通过归一化均方根误差（NRMSE）对比传统Priest-Germer模型与改进模型的精度差异。例如，聚乙烯在浓度1时NRMSE从0.1235降至0.0721（降幅41.62%）。

四、主要结果
1. 材料偏振特性规律
- 所有材料DoLP在180°相对方位角附近达到峰值（5083铝合金最高达0.50），且呈现绕0°-180°轴的对称分布。金属材料因表面光滑度更高，DoLP比非金属材料平均高58.7%。
- 海雾环境下，DoLP随浓度增加显著降低（聚乙烯在浓度3时DoLP仅0.04），且光斑分布范围扩大（米氏散射导致光子路径发散）。

1. 模型精度验证
   
   • 改进模型在所有测试条件下NRMSE降低14.64%-41.62%，其中浓度1时误差缩减最显著（表4数据支持）。
     
   • 蒙特卡洛模拟与实验数据的趋势一致性验证了米氏散射矩阵的准确性（图12-15极化分布图）。

五、结论与价值
本研究首创融合大气散射效应的LWIR偏振模型，其科学价值体现在：
1. 理论层面：解决了传统p-BRDF模型在复杂大气环境中适用性不足的问题，通过Minnaert散射修正和方向半球反射率量化自发辐射。
2. 应用层面：为舰船目标探测、海上搜救等任务提供抗干扰偏振成像方案，实验证明在浓度3海雾中仍能保持14.64%以上的精度提升。

六、研究亮点
1. 方法创新：首次将米氏散射蒙特卡洛算法与p-BRDF模型耦合，实现海雾环境下的偏振传输建模。
2. 技术突破：开发基于粒子群优化的多参数反演流程，支持非均匀粗糙表面材料的特性解析。
3. 工程意义：验证了聚乙烯薄膜作为红外偏振器件防护材料的可行性（透射率损失<10%）。

七、其他发现
研究同时揭示：风速增加会导致海雾散射各向异性增强（引用Yuan et al. 2023），这为后续动态环境建模提供了方向。实验数据表明，30°天顶角观测时目标细节辨识度最佳，与Wang et al. (2024)的舰船尺度模型研究结论一致。

（注：全文严格遵循术语规范，如首次出现”DoLP（偏振度）”、”p-BRDF（偏振双向反射分布函数）”等均标注英文原词，专业设备如”Plug1212红外相机”保留型号名称）