植被背景仿生材料研制及其光譜特征形成機制研究.pdf

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

2、譜均呈現四個基本特征:可見光區(qū)域的反射率較低，且在550nm附近出現“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，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附近呈現水吸收帶。綠色葉片反射譜特征高度相似，但強度差異顯著。為闡明植物葉片反射光譜特征的關鍵影響因素，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

3、葉片為研究對象，測試其反射率及組分含量，并基于PROSPECT模型反演葉片結構參數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）。結果表明，與新鮮綠色葉片相比，由于黃色葉片的葉綠素發(fā)生降解，導致其在可見光區(qū)域的反射率顯著增大，且“綠峰”向長波偏移;烘干后的葉片在400～2400nm波長范圍內的反射率顯著增大，這可歸因于葉片結構參數增大與含水量降低。綜上所述，葉綠素含量、水含量和結構參數的改變會顯著影響植物葉片反射譜的特征與

4、強度。
　　基于植物葉片太陽光譜反射特征的關鍵影響因素，同時考慮前人指出的蒸騰作用蒸發(fā)潛熱對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，脫水過程可模擬植物葉片的蒸騰作用，進而模擬其熱特征;吸濕材料具有保水性，其內部儲存的水與

5、綠色顏料Cr2O3有助于仿生材料模擬植物葉片太陽光譜反射特征。測試結果表明，LiCl含量為12.66wt％的仿生材料與桂花樹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系數達0.953。
　　考慮在戶外應用時PVA膜遇水易溶脹甚至溶解，我們以L-蘋果酸為交聯劑對其行了改性。為確定合適的交聯工藝，我們研究了熱處理溫度（100、110和120℃)和交聯劑添加量（10.00wt％、18.18wt％、25.00wt％和30

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

7、00nm范圍內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算了濕態(tài)PVA膜的吸收系數，發(fā)現其吸收譜在1450和1930nm附近均呈現強吸收峰，這有助于仿生材料的反射譜呈現水吸收帶。為優(yōu)化材料的光學仿生性能，我們采用四光流模型計算了Cr2O3含量不同的仿生材料反射率。結果表明，Cr2O3含量為1.61％(v/v)時，