植被背景仿生材料研制及其光譜特征形成機(jī)制研究.pdf

1、高光譜成像可分辨目標(biāo)與背景反射光譜特征的細(xì)微差異，已成為一種重要的探測(cè)手段。同時(shí)，紅外探測(cè)技術(shù)也在迅速發(fā)展。目前，傳統(tǒng)的偽裝材料已難以對(duì)抗上述探測(cè)技術(shù)?？紤]到植被是最常見(jiàn)的背景之一，我們采用溶液鑄膜法研制了一種能模擬植物葉片太陽(yáng)光譜反射特征和紅外熱特征的仿生材料，重點(diǎn)研究了其太陽(yáng)光譜反射特征形成機(jī)制，并基于四光流模型對(duì)其光學(xué)仿生性能進(jìn)行了優(yōu)化。
　　為了解植物葉片的反射特征，我們測(cè)試了多種植物綠色葉片的反射率，結(jié)果表明，它們的反射

2、譜均呈現(xiàn)四個(gè)基本特征:可見(jiàn)光區(qū)域的反射率較低，且在550nm附近出現(xiàn)“綠峰”;在680～780nm區(qū)域，反射率急劇上升，形成“紅邊”;在780～1300nm范圍內(nèi)，反射率維持在40％～60％之間，形成“近紅外高原”;1300nm后，反射率顯著降低，且在1450和1930nm附近呈現(xiàn)水吸收帶。綠色葉片反射譜特征高度相似，但強(qiáng)度差異顯著。為闡明植物葉片反射光譜特征的關(guān)鍵影響因素，我們以不同顏色（綠色和黃色）和不同含水量（新鮮和烘干）的桂花樹(shù)

3、葉片為研究對(duì)象，測(cè)試其反射率及組分含量，并基于PROSPECT模型反演葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)N（表示葉片由N層致密層堆疊而成，致密層之間以氣體空間隔開(kāi)）。結(jié)果表明，與新鮮綠色葉片相比，由于黃色葉片的葉綠素發(fā)生降解，導(dǎo)致其在可見(jiàn)光區(qū)域的反射率顯著增大，且“綠峰”向長(zhǎng)波偏移;烘干后的葉片在400～2400nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的反射率顯著增大，這可歸因于葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)增大與含水量降低。綜上所述，葉綠素含量、水含量和結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變會(huì)顯著影響植物葉片反射譜的特征與

4、強(qiáng)度。
　　基于植物葉片太陽(yáng)光譜反射特征的關(guān)鍵影響因素，同時(shí)考慮前人指出的蒸騰作用蒸發(fā)潛熱對(duì)植物葉片熱特征的重要影響，我們研制了一種以聚乙烯醇(polyvinylalcohol，PVA)為主體，以氯化鋰(LiCl)和氧化鉻綠(Cr2O3)為添加劑的仿生材料。PVA和LiCl使仿生材料在夜間高濕度條件下吸附空氣中的水蒸氣，在日間低濕度條件下脫水，脫水過(guò)程可模擬植物葉片的蒸騰作用，進(jìn)而模擬其熱特征;吸濕材料具有保水性，其內(nèi)部?jī)?chǔ)存的水與

5、綠色顏料Cr2O3有助于仿生材料模擬植物葉片太陽(yáng)光譜反射特征。測(cè)試結(jié)果表明，LiCl含量為12.66wt％的仿生材料與桂花樹(shù)葉片在一天中的最大輻射溫差僅為0.55℃，且兩者反射譜的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.953。
　　考慮在戶外應(yīng)用時(shí)PVA膜遇水易溶脹甚至溶解，我們以L-蘋(píng)果酸為交聯(lián)劑對(duì)其行了改性。為確定合適的交聯(lián)工藝，我們研究了熱處理溫度（100、110和120℃)和交聯(lián)劑添加量（10.00wt％、18.18wt％、25.00wt％和30

6、.77wt％）對(duì)PVA膜溶脹度和吸濕量的影響。結(jié)果表明，提高熱處理溫度時(shí)，PVA膜的溶脹度和吸濕量均降低，增大交聯(lián)劑添加量時(shí)，前者降低但后者提高;熱處理溫度為100℃、交聯(lián)劑添加量為30.77wt％時(shí)，PVA膜的吸濕量達(dá)0.163g/g，且在水中僅溶脹而不溶解。
　　為闡明仿生材料太陽(yáng)光譜反射特征的形成機(jī)制，我們研制了Cr2O3含量不同的仿生材料，并采用四光流模型計(jì)算了其干態(tài)下的吸收系數(shù)和散射系數(shù)。結(jié)果表明，Cr2O3在460～6

7、00nm范圍內(nèi)的吸收谷使仿生材料的反射峰與植物葉片的“綠峰”相似。在近紅外區(qū)域，仿生材料的弱吸收和高散射特性使其能模擬植物葉片的“紅邊”和“近紅外高原”。此外，我們利用光線追蹤模型計(jì)算了濕態(tài)PVA膜的吸收系數(shù)，發(fā)現(xiàn)其吸收譜在1450和1930nm附近均呈現(xiàn)強(qiáng)吸收峰，這有助于仿生材料的反射譜呈現(xiàn)水吸收帶。為優(yōu)化材料的光學(xué)仿生性能，我們采用四光流模型計(jì)算了Cr2O3含量不同的仿生材料反射率。結(jié)果表明，Cr2O3含量為1.61％(v/v)時(shí)，