面向仿生微纳导航系统的天空偏振光研究

大连理工大学

硕士学位论文

面向仿生微纳导航系统的天空偏振光研究

姓名：姚弘轶

申请学位级别：硕士

专业：机械电子工程

指导教师：褚金奎

20061201

面向仿生微纳导航系统的天空偏振光研究

聃＝鬲Ｉ－ｃｏ而ｓ２０＝羔‰（３．７）由（３．７）式可以看出，在散射角０为９０。和２７０。时，偏振度最大为Ｐ。，理想状况下

最大偏振是１００％，散射出射的光线为完全线偏振光；在散射角为０。和１８０。时，为无偏振，出射光线仍是自然光；其它位置是部分线偏振光。然而，由于分子和粒子的多次散射以及地表反射，在白天无云的天空中亦存在很多中性点，并且，不会有偏振度为１００％的点出现。如图３．３所示。

图３．３ＲａｙｌｅＪｇｈ粒子散射示意图

Ｆｉｇ．３．３ＳｃｈｅｍａｔｉｃｐｌａｎｏｆＲａｙｌｅｉｇｈｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ

３．３天空偏振光分布模型建立

一束光的偏振信息是由偏振度和偏振方位角决定。由式（３．７）可以求得一束光的偏

振度，但是无法得知这束光的偏振方位角信息。

在天文学中，将我们头顶上的天空称为天球。在天球中，以地球为中心。日月星辰

都在天球上做着各自的运动。太阳在天球中既有周日视运动，又有周年视运动。

图３．４天球示意图

Ｆｉ９３．４Ｃｅｌｅｓｔｉａｌｓｐｈｅｒｅｓｃｈｅｍａｔｉｃｐｌａｎ

面向仿生微纳导航系统的天空偏振光研究

４．２．３系统的启动界面

图４．３程序界面

Ｆｉｇ．４．３ＰｒｏｇｒａｍＩｎｔｅｒｆａｃｅ

如图４．３所示，在初始化的过程中，完成了预设在北京地理位置太阳时角、高度角和方位角的计算，天空中观测方向ｏＰ方向光束偏振度和偏振方位角计算。本系统可以实现在不同的时刻、不同的地理位置，太阳时角、视位置即高度角和方位角的计算，还可以选择天空中不同的观测方向，计算出天空中这个方向光束的偏振度和偏振方位角及它的斯托克斯矢量。ＣｌａｓｓＣＩｎｓｅｒｔＤｌｇ是这个程序界面的对象，它包含了程序计算中所用到子函数。下面是程序中的主要函数。

ＣｌａｓｓＣｌｎｓｅｒｔＤｌｇ：ｐｕｂｌｉｃＣＤｉａｌｏｇ

｛ｐｒｉｖａｔｅ：

ｆｌｏａｔＧｅｔＳｈｉｊｉｉａｏ（ｉａｔＭ，ｈａｔＤ，ｉｎｔｈｏｕｒ，ｈａｔｍｉｎ，ｈａｔｓｅｅ）；／／时角函数

ｆｌｏａｔＧｅｔＣｈｉｗｅｉ（ｉｎｔＭ，ｈａｔＤ，ｈａｔｈｏｕｒ，ｉｎｔｍｉｎ，ｉｎｔｓｅｅ）；／／视赤纬函数

ｆｌｏａｔＧｅｔＨｅｉｇｈｔ（ｆｌｏａｔｔ，ｆｌｏａｔｃｈｉｗｅｉ）；／／太阳高度角函数

ｆｌｏａｔＧｅｔＡｚｉｍｕｔｈ（ｆｌｏａｔｈ，ｆｌｏａｔｔ，ｆｌｏｍｅｈｉｗｅｉ）；／／太阳方位角函数

面向仿生微纳导航系统的天空偏振光研究

通过和日梭万年历比较，太阳视位置各种信息只在秒级上有很小的偏差。因此本应用软件是值得信赖的，它可以为用户提供准确的数据。

４．４．３数据库的设计

在Ａｃｃｅｓｓ２００３中，设计了适合于计算的数据库ｄｂｓｕｎ．ｍｄｂ。

图４．５数据库中的表

Ｆｉｇ．４．５Ｄａｔａｂａｓｅｔａｂｌｅ

表中包括视赤经、视赤纬、视半径和时差（Ｅ）四个字段。

日期ｆ视赤经Ｉ视赤纬ｉ视半径１时差‘ｚ）

０１月０４１８６５９ｍ１６ｚ，一２２。“’２５“１６。ｌＴ．５１”。一０如４８ｚ

０１月皓１９ｈ０３ｍ４０ｚ！一２２。３Ｔ’卵”ｌＢＪ１Ｔ．５１”。－Ｏ‰ｌＳｚ

０１月０６１９ｈ０６帕３ｓ４—２２。３ｌ’０５”１８’１７．∞”‘－０５ｍ铭ｌ

０１月０７１９ｈ１２ｎ巧－一２２。２３’４５”１６’１７．４９”－０６＿１０６ｓ

０１月∞１９Ｍ‰４８，ｌ一２２。１５’５０”１６’ｌＴ．∞”ｌ－０６＝３４ｓ

０１月嘴１１９ｈ２１Ｉｌｌ０９ｓ‘吨２。０ｒ４６”１６’１Ｔ．““：－－０ｈ５９ｓ

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０１月１Ｂｉ９ｈ５１－巧Ｉ－２０‘５８’２３”１６’ｌ下．舛¨－ｏ钿朝，

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０１月１８１９ｈ５９ｍ５８ｌ－２０。３４Ｊ驼”１６’ｌＢ．镗”；－ｌＯｍｌｇｓ

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０１月２０＋２０ｂＯ钿２８ｓ－２０。０９’４Ｔ”１６’１６，Ｔ５”；－１嘶５５；

图４．６数据库中的部分数据

Ｆｉｇ．４．６ｐａｒｔｄａｔａｊｎｔｈｅｄａｔａｂａｓｅ

数据库中包含了从１月１日到１２月３１日中每日的视赤经、视赤纬、视半径和时差数据。这些数据来源于＜＜２００５年中国天文年历＞＞。由于所记录的数据都是每天世界时０ｈ的数据，因此在实际的计算中，数据库的数据需要根据用户选择的具体时间采用插值算法进

面向仿生微纳导航系统的天空偏振光研究

４．５天空偏振的二维、三维模式图建立及动态仿真

软件的启动界面计算出了我们所需的各种数据，但是对于天空中偏振光模式还没有一个完整的轮廓概念。在程序开发中，作者利用ＯｐｅｎＧＬ三维图形软件包和Ｖｉｓｕａｌｃ＋＋绘制出了天空中偏振光模式图。

图４．７天空偏振光分布模式

Ｆｉ９４．７Ｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｓｋｙｌｉｇｈｔｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ

图４．７中描述了天空中偏振光分布模式的二维、三维图。球内标识的短线方向表示天空中ＯＰ方向光束ｅ矢量的振动方向，短线的粗细表示偏振程度。天空中出现最大偏振发生在与太阳有９０度角距的位置处，用间隙更密的粗虚线描述。太阳和天空中测试点Ｐ以实心圆描述，在三维的球面内与太阳相对的点是反太阳点。天空中的偏振模式是一个完整的对称模式，有两条对称线，其一是太阳与反太阳点之间的连线，另一条是最