Rayleigh大气天空光偏振分布仿真与预测
天空光偏振模式自动探测装置
天空光偏振模式自动探测装置
赵开春;卢皓;尤政
【期刊名称】《光学精密工程》
【年(卷),期】2013(021)002
【摘要】为了获得较高的天空偏振光导航精度,研究了天空光偏振模式的模型.设计了天空光偏振模式自动探测装置,用于获取大量的天空光偏振模式信息并构建天空光偏振模式模型.该装置克服了传统天空偏振光分布模式探测仪器操作繁琐,效率低的缺点,利用计算机控制角度旋转和相机拍照协同工作,能够简单快捷地实现一键采集一组天空偏振图像.测试显示,该装置能够准确地在预期位置完成偏振图像的采集工作.获得的图像偏振模式明显,对于光强度的探测精度优于0.237 5(3σ)灰度值(8 bits),平均每个测量点耗时3.02 s,采集效率较传统偏振模式探测仪器大为提高,能够实现天空光偏振模式的有效探测.
【总页数】7页(P239-245)
【作者】赵开春;卢皓;尤政
【作者单位】清华大学精密仪器与机械学系,北京100084;清华大学精密仪器与机械学系,北京100084;军械工程学院,河北石家庄050003;清华大学精密仪器与机械学系,北京100084
【正文语种】中文
【中图分类】P415.3;TP212
【相关文献】
1.一种基于天空光偏振特性的天文导航方式 [J], 王光辉;朱海;莫军;徐剑锋
2.多种天气条件下的天空光偏振模型 [J], 张颖;张熠;赵慧洁
3.一种基于天空光的新型成像式仿生偏振导航传感装置 [J], 李彬;关乐;刘琦;褚金奎
4.Rayleigh大气天空光偏振分布仿真与预测 [J], 赵开春;褚金奎;姚弘轶;张强;王体昌
5.基于天空光偏振模式的导航姿态最优化解算方法 [J], 金仁成; 谢林达; 褚金奎; 蔚彦昭; 魏巍
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天空实时全偏振成像探测器设计与搭建
天空实时全偏振成像探测器设计与搭建陈永台;张然;林威;褚金奎【摘要】Researchers have been highly inspired by the bio-use of polarized light navigation,and in-creasing number of studies are being conducted at the same time.A precise sky polarization field map is one of the prerequisites for polarization navigation and many imaging polarization detectors have thus been developed for attaining a more accurate sky polarization field map.This study proposes a novel real-time all-polarization imaging detector that can obtain all the parameters of the Stokes vec-tor,and can thereby calculate various attributes of Angle of Polarization(AOP),Degree of Polariza-tion(DOP),Degree of Linear Polarization(LDOP),and Degree of Circular Polarization(CDOP).By incorporating the M FC architecture through C+ + programming language and the OpenCV library, the host computer program was developed for implementing the real-time display function of a target's polarization information.Refresh rate of the video stream was 3 frame/s at maximum resolution, w hich primarily satisfies the need of real-timedetection.Observation of the sky polarization field map was performed under clear weather conditions and the performance of the detector was found to be sta-ble during the course of the proposed experiment.T he obtained experimental results are in good a-greement with the Rayleigh scattering model,and the dynamic recognition deviation of the solar me-ridian can range from 0.01°to 0.23°,which corroborates the reliability of theproposed detector and lays the foundation for future work.%生物利用天空偏振光进行导航的方式给科研人员很大的启发,越来越多的学者正在进行这方面的研究.精确的天空偏振场图是进行偏振导航的前提条件,为了获取更加准确的天空偏振场图,许多成像式偏振探测装置被开发出来.本文提出了一种新型的实时全偏振一体式成像探测传感器,可以获取全参数Stokes矢量,进而解算出目标的AOP、DOP、LDOP和CDOP等信息.基于C+ +语言和OpenCV库,采用MFC架构开发了上位机程序,实现了目标偏振信息的实时显示.在最大分辨率下,视频流的刷新率为3 frame/s,基本满足了实时探测的需要.对晴朗天气条件下天空偏振场图进行了实际探测,实验过程中探测器性能稳定,天空偏振场图与瑞利散射模型具有较高的一致性,太阳子午线动态识别误差为0.01°~0.23°,初步证明了探测器的可靠性,为后续工作奠定了基础.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2018(026)004【总页数】9页(P816-824)【关键词】偏振成像探测;偏振导航;天空偏振场图;图像处理【作者】陈永台;张然;林威;褚金奎【作者单位】大连理工大学机械工程学院,辽宁大连116023;大连理工大学机械工程学院,辽宁大连116023;大连理工大学机械工程学院,辽宁大连116023;大连理工大学机械工程学院,辽宁大连116023【正文语种】中文【中图分类】O436.3;V249.321 引言太阳光经大气中粒子散射后在整个天宇范围内形成稳定的天空偏振模式，这个模式被称作天空偏振场图[1-2]，天空偏振场图与太阳位置密切相关。
关于利用偏振材料导航的探究
关于利用偏振材料导航的探究王佳琪;杨进;霍中生;罗志华【摘要】大气散射光具有偏振性质,研究空间各方向大气散射光的偏振排布等性质,利用偏振材料进行多方位数据探测,结合计算机图像数据分析,可以计算出以观测点为坐标原点的东南西北方位坐标.当白昼时,即便因天气原因太阳不可见,也可以由此判断方位.相比于指南针,该方法的优势之一就是在判断方向时,它不会受周围磁场的干扰.【期刊名称】《实验科学与技术》【年(卷),期】2013(011)003【总页数】3页(P188-190)【关键词】偏振排布;数据分析;坐标;磁场干扰【作者】王佳琪;杨进;霍中生;罗志华【作者单位】电子科技大学物理电子学院,成都 610054;电子科技大学物理电子学院,成都 610054;电子科技大学物理电子学院,成都 610054;电子科技大学物理电子学院,成都 610054【正文语种】中文【中图分类】O45;O43对导航方法的研究一直是个重要研究课题。
利用大气散色光偏振性的导航方法，在某些情况下，可以在复杂磁场分布区域替代地磁场导航。
另外，它对于一些生物导航行为和仿生机器人的研究也具有重要意义。
本文基于一些大气散射光偏振性质的理论，设计实验并进行模拟导航，测试和讨论了该方法下导航的精度。
1 偏振导航的可行性分析光的散射理论表明:自然光照射到微粒上将发生散射现象，散射光具有偏振性质，其偏振度主要依赖于散射光与入射光的夹角。
实际的大气光散射过程十分复杂，但对大气散射光的多方位多时段的偏振性质实测表明:大气散射光属于部分偏振光。
2 偏振材料的导航思想本次实验设计的偏振材料导航的基本步骤是:1)使用偏振材料探测大气散射光的偏振性分布;2)通过大气光的偏振分布得出太阳方位;3)根据天文理论，结合太阳方位数据与该时刻时间数据，推导出观测点的东西南北方向坐标。
2.1 大气散射光偏振理论2.1.1 天空光偏振分布成因［1］图1 Rayleigh粒子散射的物理模型如图1所示，自然光入射分解为两个方向:与;散射光分解为与，其中:与cosθ成正比。
Rayleigh-Geometric分布及其性质研究
Rayleigh-Geometric分布及其性质研究作者：姚惠代勇胡云学来源：《科技资讯》2021年第22期DOI：10.16661/ki.1672-3791.2108-5042-1377摘要：随着极值理论的深入研究，复合极值分布广泛应用于气象、交通、水文、金融、保险等领域。
该文利用极值理论将Rayleigh分布和Geometric分布进行复合，提出了一种新的复合极值分布：两参数的Rayleigh-Geometric分布。
讨论了该分布的分布函数、概率密度函数、参数特定取值时密度函数的图像特征，讨论了分布的分位数、眾数等数字特征，讨论了分布的生存函数和危险率函数，最后用极大似然法研究了分布参数的点估计。
关键词：Rayleigh-Geometric分布复合极值分布性质极大似然估计中图分类号：O212.3 文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）08（a）-0011-05Study on Rayleigh-Geometric Distribution and Its PropertiesYAO Hui DAI Yong HU Yunxue（School of Mathematics and Statistics， Qiannan Normal University for Nationalities，Duyun， Guizhou Province， 558000 China）Abstract： With the in-depth study of extreme value theory， the compound extreme value distribution is widely used in meteorology， transportation， hydrology， finance， insurance and other fields. In this paper， Rayleigh distribution and Geometric distribution are combined by using extreme value theory， and a new composite extreme value distribution is proposed， namely two-parameter Rayleigh-Geometric distribution， which is obtained by compounding a Rayleigh and a geometric distribution based on extreme value theory. This paper discusses the distribution properties， probability density function，the graph features of the density function with specific values of parameters， the digital characteristics of distribution， such as quantile， mode and so on， survival function and risk rate function of distribution. Finally utilizes the maximum likelihood estimation to discuss the point estimation of the parameters.Key Words： Rayleigh-Geometric distribution; Compound extreme value distribution; Properties; Maximum likelihood estimation随着寿命分布的深入研究和广泛应用，国外学者在经典寿命分布的基础上提出了一些新型的复合分布，Adamidis（1998年）首次提出Exponential-Geometric分布[1]，之后陆续提出了Exponential-Poisson分布、Weibull-Geometric分布、Weibull-Poisson分布、Poisson-Lomax分布、广义的Exponential-Geometric分布、广义的Exponential-Poisson分布、互补的Exponential-Geometric分布等，这些文献定义了新的混合寿命分布，研究其各种性质，得到其参数的极大似然估计，这些研究拓广了寿命分布的类型。
基于瑞利散射的大气偏振模式Stokes矢量建模仿真
基于瑞利散射的大气偏振模式Stokes矢量建模仿真王子谦;范之国;张旭东;王昕【期刊名称】《计算机应用与软件》【年(卷),期】2015(032)007【摘要】瑞利散射模型是一种经典的大气偏振模式表征模型,在实际中得到了广泛的应用,但不能通过Stokes矢量描述大气偏振模式的分布特性.基于瑞利单次散射原理,对经典的瑞利模型进行推广,建立一种理想条件下的大气偏振模式Stokes矢量仿真模型.该模型能够对理想条件下大气偏振模式Stokes矢量的分布变化进行建模仿真,利用Stokes矢量可以完备地表征大气光偏振态分布情况,并描述出不同类型偏振光的具体分布特性.通过仿真发现,大气偏振模式的Stokes矢量具有“十”字形的分布形态,整体分布始终保持相对于太阳子午线对称特性,随着太阳高度角的升高各矢量分量逐渐减弱.【总页数】4页(P47-50)【作者】王子谦;范之国;张旭东;王昕【作者单位】合肥工业大学计算机与信息学院安徽合肥230000;合肥工业大学计算机与信息学院安徽合肥230000;合肥工业大学计算机与信息学院安徽合肥230000;合肥工业大学计算机与信息学院安徽合肥230000【正文语种】中文【中图分类】TP39【相关文献】1.基于瑞利散射的大气偏振模式检测与模型重建 [J], 王晨光;唐军;杨江涛;张楠;李大林;刘俊;向长波2.基于 Stokes 参量法测量矢量光束偏振态的方法 [J], 周哲海;祝连庆3.基于Stokes矢量的实时偏振差分水下成像研究∗ [J], 管今哥;朱京平;田恒;侯洵4.基于FLCM的太阳Stokes矢量偏振测量术 [J], 史永基;史建军;史红军5.基于Stokes矢量的双相机偏振成像系统 [J], 杨威;王晓曼;石林;赵海丽因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
天空偏振模式对仿生偏振光定向的影响及实验
天空偏振模式对仿生偏振光定向的影响及实验范晨;胡小平;何晓峰;练军想;王玉杰【摘要】针对工程应用中仿生偏振光罗盘易受天气和太阳位置等因素的影响,存在定向精度低、稳定性差等问题,研究了天空偏振模式对偏振光定向的影响机理.建立了含有偏振模型误差的偏振光定向模型,推导了仿生偏振光罗盘的航向角解算方法;然后系统分析了模型误差对偏振光定向精度的影响机理,指出了载体水平角和太阳高度角是决定模型误差影响程度的主要因素;最后设计了静态实验与跑车测试,评估了不同水平角和太阳高度角时,模型误差对偏振光定向精度的影响.结果表明:当太阳高度角hs＜40°时,偏振光定向误差为0.729°;当40°＜hs＜75°时,误差为3.764°;精度明显降低.另外,载体水平角越大,模型误差角对定向精度的影响程度也越显著;载体水平时,定向误差为0.323°,而倾斜后误差增大为1.352°.文中对仿生偏振光定向的影响机理分析为补偿偏振模型误差,实现高精度偏振光定向提供了理论依据.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2015(023)009【总页数】9页(P2429-2437)【关键词】偏振光导航;天空偏振模型;偏振光定向;定向算法;航向角误差【作者】范晨;胡小平;何晓峰;练军想;王玉杰【作者单位】国防科技大学机电工程与自动化学院,湖南长沙410073;国防科技大学机电工程与自动化学院,湖南长沙410073;国防科技大学机电工程与自动化学院,湖南长沙410073;国防科技大学机电工程与自动化学院,湖南长沙410073;国防科技大学机电工程与自动化学院,湖南长沙410073【正文语种】中文【中图分类】V249.32;O436.31 引言太阳光经过大气层能够产生稳定的偏振模式［1］，自然界的部分昆虫和候鸟就是利用复眼检测天空偏振光分布来实现自主导航的［2－3］。
准确描述天空偏振模式是仿生偏振光导航研究的基础［4］。
微观瑞利散射下的大气偏振建模仿真
微观瑞利散射下的大气偏振建模仿真
高隽;纪松;谢昭;林金金
【期刊名称】《系统仿真学报》
【年(卷),期】2012(24)3
【摘要】针对传统宏观大气偏振建模的信息单一性和表征模糊性问题,采用一种新的大气偏振建模算法。
该方法依据瑞利散射理论,采用电场矢量描述光波,研究微观粒子对自然光电场矢量振动方向变化,得到散射光的偏振强度和偏振主方向。
建立东北天坐标系,推导与天球坐标系间的转换过程,将单粒子瑞利散射扩展至全天域多点散射,形成大气偏振模式。
仿真结果表明,新方法可以准确计算不同时刻不同地点的大气偏振分布信息,与传统方法中所获得的偏振角相比,本方法可以提供更丰富的三维方向信息,并具有良好的拓展特性,用于多因素大气偏振建模。
【总页数】7页(P677-683)
【作者】高隽;纪松;谢昭;林金金
【作者单位】合肥工业大学计算机学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.9
【相关文献】
1.基于瑞利散射的大气偏振模式检测与模型重建
2.基于瑞利散射的大气偏振模式Stokes矢量建模仿真
3.ANSYS环境下的SCFRW力学性能微观建模仿真研究
4.
低太阳高度角条件下的天空偏振模式模拟及大气折射影响研究∗5.大气-海雾多层环境下的天空偏振模式
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基于支持向量机预测偏振模式
基于支持向量机预测偏振模式汪方斌;洪津;孙晓兵;王羿;胡亚东【摘要】基于多光谱多角度偏振辐射探测研究了大气偏振模式预测方法.首先,介绍了航空多角度偏振辐射计的探测原理与支持向量机回归算法;然后,从矢量传输模型出发,说明大气状况不变时,偏振模式主要取决于地表特征与观测几何,并介绍了观测几何与姿态之间的关系以及地表特征的表达形式;最后,在考虑平台姿态与地表特征的情况下,利用支持向量机回归算法预测了航空多角度偏振辐射计的探测偏振度,并对预测与实际试验探测的偏振度进行了比较.结果显示:偏振度预测误差小于1％,影响模型精度的主要因素不是姿态变化本身,而是姿态改变造成的观测地表特性变化.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2014(022)011【总页数】9页(P2914-2922)【关键词】大气遥感;大气偏振模式;预测;支持向量机;航空多角度偏振辐射计【作者】汪方斌;洪津;孙晓兵;王羿;胡亚东【作者单位】中国科学院安徽光学精密机械研究所光学遥感中心,安徽合肥230031;安徽建筑大学机械与电气工程学院,安徽合肥230601;中国科学院安徽光学精密机械研究所光学遥感中心,安徽合肥230031;中国科学院安徽光学精密机械研究所光学遥感中心,安徽合肥230031;中国科学院安徽光学精密机械研究所光学遥感中心,安徽合肥230031;中国科学院安徽光学精密机械研究所光学遥感中心,安徽合肥230031【正文语种】中文【中图分类】P4071 引言偏振模式通常用偏振度来表述。
太阳光经过大气散射形成部分偏振光，不同的太阳位置、观测几何、大气状况与地表特征具有不同的偏振模式［1-7］。
实时测量大气偏振特性的时空分布信息对于反演大气参数，建立大气散射辐射的偏振特性模型，目标识别，确定仿生偏振导航传感器系统的方位基准，提高载体姿态误差的估计精度和稳定性具有重要意义［8-11］。
现有研究表明，大气偏振模式可以为迁徙的鸟类提供方向信息与动物导航［12］，根据Rayleigh散射理论可以实现太阳视位置的计算及天空中偏振光分布模式的仿真［9］；基于单因素大气偏振模型能够建立地表反射偏振模式模型，仿真三维空间的大气偏振模式［13］。
天空偏振模式的测量及其辅助定向的研究
硕士学位论文天空偏振模式的测量及其辅助定向的研究RESEARCH ON THE MEASUREMENT OF THE SKYLIGHT POLARIZATION PATTERN AND ITS ASSISTED DIRECTIONAL TECHNOLOGY蔡永恒哈尔滨工业大学2012年6月国内图书分类号：TP273 学校代码：10213 国际图书分类号：681.52 密级：公开工学硕士学位论文天空偏振模式的测量及其辅助定向的研究博士研究生：蔡永恒导师：黄显林教授申请学位：工学硕士学科：控制科学与工程所在单位：控制理论与制导技术研究中心答辩日期：2012年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学Classified Index: TP273U.D.C: 681.52Dissertation for the Master Degree in EngineeringRESEARCH ON THE MEASUREMENT OF THE SKYLIGHT POLARIZATION PATTERN AND ITS ASSISTED DIRECTIONAL TECHNOLOGYCandidate：Cai YonghengSupervisor：Prof. Huang XianlinAcademic Degree Applied for：Master of Engineering Speciality：Control Science and EngineeringAffiliation：Center for Control Theory and Guidance TechnologyDate of Defence：June, 2012Degree-Conferring-Institution：Harbin Institute of Technology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要如何提高导航系统的自主性、精确性、可靠性以及降低导航系统的成本是当今组合导航领域重要的研究课题。
天空可见天空可见-近红外光谱偏振态自动测量仪设计近红外光谱偏振态自动测量仪设计
天空可见天空可见-近红外光谱偏振态自动测量仪设计近红外光谱偏振态自动测量仪设计王昊;孙晓兵;刘晓;宋强;洪津【期刊名称】《大气与环境光学学报》【年(卷),期】2024(19)1【摘要】太阳光在地球大气传输过程中产生的散射会呈现出固有的偏振特性,因此利用大气散射偏振态分布特性及其与太阳照射几何以及地表观测几何之间存在的对应关系,为地球大气层内导航提供了可能。
然而因气象变化造成的大气组分改变会直接影响光散射分布,从而影响基于偏振态分布的方向定位精度,因此在偏振导航实际应用过程中,其方向指引精度受大气状况影响较大。
为研究不同气象条件下天空偏振态变化内在机理,研制了一台天空可见-近红外光谱偏振态自动测量仪。
该仪器可按需进行定时段、定天区、多天候天空光谱偏振态测量,采用分时偏振同时分谱非成像测量体制。
仪器主要由偏振分析模块、偏振检测方位定位驱动电机、微型光谱仪、GPS定位模块、嵌入式采集控制模块、二维载重转台等部分组成,光谱范围为390~960nm,光谱分辨率为1.5nm,观测视场为3°,光谱线偏振度测量精度优于98.85%,偏振角测量精度优于0.1°,单点观测时间小于9s。
经实验室定标和外场测试,表明该仪器可在多种气象条件下稳定观测天空光谱偏振态,其测量数据可用于天空偏振态影响机理相关研究。
【总页数】14页(P111-124)【作者】王昊;孙晓兵;刘晓;宋强;洪津【作者单位】安徽大学物质科学与信息技术研究院;中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所;合肥市农业行业首席专家工作室;中国科学技术大学【正文语种】中文【中图分类】O436.3【相关文献】1.用于可见和红外遥感的成像光谱偏振测量仪2.基于近红外光谱与光电容积脉搏波技术的毛细血管再充盈时间测量仪的设计与开发3.椭偏测量法的油膜紫外可见-近红外光谱光谱偏振特性研究4.近红外偏振干涉光谱仪的光学系统设计5.取向态聚对苯二甲酸乙二酯膜热弛豫过程的偏振红外光谱研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
天空偏振光时域分布稳定性的实验研究
第３１卷第４期大学物理实验Ｖｏｌ.３１Ｎｏ.４２０１８年８月ＰＨＹＳＩＣＡＬＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴＯＦＣＯＬＬＥＧＥＡｕｇ.２０１８收稿日期:２０１８￣０５￣１０基金项目:国家自然科学基金委重大国际合作项目(６１３２０１０６０１０)∗通讯联系人文章编号:１００７￣２９３４(２０１８)０４￣００２１￣０５天空偏振光时域分布稳定性的实验研究高㊀倩ꎬ钱建强∗ꎬ许㊀欢ꎬ张㊀霄(北京航空航天大学(北京)ꎬ北京㊀１０００８３)摘要:太阳光在穿过大气层时与大气粒子发生散射作用ꎬ形成了稳定的偏振光分布模式ꎬ与太阳的位置㊁观测地点的位置以及不同的大气介质等因素有关ꎮ瑞利散射模型描述了偏振光在大气中的分布模式ꎬ被广泛的用于研究偏振光与太阳的信息传递关系ꎮ本文研究基于瑞利散射模型的天空偏振光时域分布稳定性ꎬ设计了一个由偏振图像采集系统和方位对准系统组成的实验平台ꎬ实现对天空偏振光分布的长时间测量ꎬ解算各时刻的太阳方位角和太阳高度角ꎮ以天文学年历计算值为基准ꎬ得到太阳方位角误差１.３４ʎ(１σ)和太阳高度角误差－２.２８ʎ(１σ)作为稳定性参数ꎬ结果表明天空偏振光时域分布具有较强的稳定性ꎮ本实验拓展学生对天空偏振光和大气散射的认识ꎬ激发学生兴趣和创新的精神ꎮ关键词:偏振光ꎻ大气光学ꎻ瑞利散射模型ꎻ天空偏振光分布模式中图分类号:Ｏ４３６.３文献标志码:ＡＤＯＩ:１０.１４１３９/ｊ.ｃｎｋｉ.ｃｎ２２￣１２２８.２０１８.０４.００６㊀㊀生物学家研究发现一些动物具有感知偏振光并利用偏振光导航的能力[１]ꎬ促进了仿生偏振导航的发展ꎮ仿生偏振导航具有自主性强ꎬ抗干扰能力强等特点[２ꎬ３]ꎬ目前成为复杂环境下导航方式的重要研究方向ꎮ天空光的偏振特性是仿生偏振导航的关键信息源[４]ꎬ研究天空偏振光分布[５]对于仿生偏振导航具有重要意义ꎮ天空偏振光分布包括偏振度和偏振角的分布ꎬ是太阳光与大气粒子发生散射作用而形成的[６]ꎮ早在１８７１年ꎬＲａｙｌｅｉｇｈ针对天空偏振光分布进行了研究ꎬ针对微小粒子对天空光的散射作用ꎬ提出了瑞利散射模型ꎬ发现天空偏振光分布规律ꎮ２００４年ꎬＨｏｒｖａÂｔｈ研究晴朗和多云两种天气条件下的天空偏振光分布ꎬ发现图像式偏振仪测量的Ｅ矢量值和瑞利散射模型的仿真结果一致性最高可达７０％[７]ꎮ之后ＨｏｒｖａÂｔｈ验证了阴天和雾天条件下ꎬ偏振矢量的分布规律和晴天类似[８]ꎬ依然包含方位信息ꎬ使瑞利散射模型成为偏振导航的基础理论ꎮ２０１２年ꎬＷｏｌｆｇａｎｇ将偏振传感器安装在无人机上ꎬ研究了视野存在遮挡的情况下的天空偏振光分布以及解算太阳矢量的方法ꎮ２０１７年ꎬＨａｍａｏｕｉ提出了一种基于瑞利散射模型的微分偏振解算太阳矢量的方法ꎬ以减少天气条件的干扰ꎮ然而ꎬ基于瑞利散射模型的偏振光分布在长时间范围内的稳定性方面研究不足ꎮ为了定量研究天空偏振光的时域分布稳定性ꎬ本文首先介绍了天空偏振光分布的获取方法ꎬ以及由偏振图像解算太阳矢量的方法ꎮ设计并搭建了一个由偏振图像采集系统和方位对准系统组成的实验平台ꎮ通过在一天内的连续时刻对天空偏振光分布进行测量ꎬ解算各时刻的太阳方位角和太阳高度角ꎮ以天文学年历[９]计算值为基准ꎬ得到二者误差作为稳定性参数ꎬ并对比瑞利散射模型ꎮ结果表明天空偏振光时域分布具有较强的稳定性ꎮ通过实验研究ꎬ有助于学生探究天空光的偏振态和偏振分布规律和偏振导航原理ꎮ理论和实验的结合ꎬ提高学生对天空偏振光和大气散射的理解ꎬ并激发学生深入研究的兴趣和实验创新的精神ꎮ１㊀天空偏振光分布解算太阳矢量１.１㊀天空偏振光分布的获取方法根据瑞利散射模型ꎬ如图１所示ꎬ以观测点Ｏ为原点建立地平坐标系Ｏ￣ＸＹＺꎬ其中Ｘ轴和Ｙ轴分别指向正南㊁正北方向ꎬＺ轴指向天顶方向ꎮ在已知观测点经纬高和观测时刻条件下ꎬ根据天文学年历得到太阳在天球的投影点Ｓ的方位ꎮ则与ＯＳң方向一致的单位矢量为太阳矢量ｅＳңꎮ在天球表面选取任意一点与太阳投影点Ｓ不重叠的点ꎬ作为被观测点Ｐꎮ太阳Ｓ㊁地面观测点Ｏ和天空被观测点Ｐ构成散射平面ꎬ则垂直于散射平面的散射光电场分量为偏振矢量Ｐ⇀ꎮ其中偏振角φ为偏振矢量Ｐ⇀与过被观测点Ｐ的子午线的夹角[１０]ꎮ图１ 天空偏振光分布的成像示意图为获取实际天空偏振光的偏振度和偏振角ꎬ常用斯托克斯矢量(ＩꎬＱꎬＵꎬＶ)描述光波的偏振状态[１１]ꎬ偏振度ｄ和偏振方向角β的计算公式如下:ｄ＝Ｑ２＋Ｕ２Ｉβ＝１２ａｒｃｔａｎＵＱæèçöø÷(１)其中偏振方向角β是指偏振矢量Ｐ⇀方向与参考方向的夹角ꎬ一般设置正北方向为参考方向ꎬ当偏振片的透振方向指向正北时ꎬ偏振方向角如图１中的β所示ꎮ当透振方向与参考方向夹角为φ时ꎬ线偏振片的Ｍｕｌｌｅｒ矩阵Ｍ为[１２]:Ｍ＝１２１ｃｏｓ２φｓｉｎ２φ０ｃｏｓ２φｃｏｓ２２φｓｉｎ２φｃｏｓ２φ０ｓｉｎ２φｓｉｎ２φｃｏｓ２φｓｉｎ２２φ０００００éëêêêêêùûúúúúú(２)所以对于入射光(ＩｉｎꎬＱｉｎꎬＵｉｎꎬＶｉｎ)和出射光(ＩｏｕｔꎬＱｏｕｔꎬＵｏｕｔꎬＶｏｕｔ)有:ＩｏｕｔＱｏｕｔＵｏｕｔＶｏｕｔéëêêêêêêùûúúúúúú＝ＭＩｉｎＱｉｎＵｉｎＶｉｎéëêêêêêêùûúúúúúú(３)因而最少可以取３个不同的夹角φꎬ就可以求出入射光波的偏振度ｄ和偏振方向角βꎮ如图１所示ꎬＣＣＤ成像面的每个像素点都对应于一条天空散射光波的映射ꎬ其中[ｕꎬｖ]表示像素点坐标ꎮ图１中红色光路表示被观测点Ｐ处的散射光映射到ＣＣＤ成像面的[ｕＰꎬｖＰ]像素点ꎮ[ｕｃꎬｖｃ]表示图像中心像素点的坐标ꎮ获取图像上每一个像素点对应的偏振度ｄ[ｕꎬｖ]和偏振方向角β[ｕꎬｖ]后ꎬ可计算像素点上偏振矢量Ｐ⇀相对被观测点所在子午线的角度[１３]ꎬ即偏振角φ[ｕꎬｖ]:φ[ｕꎬｖ]＝β[ｕꎬｖ]－ａｚ[ｕꎬｖ](４)其中ａｚ[ｕꎬｖ]表示被观测点所在子午线的方位角ꎮ１.２ 偏振图像解算太阳矢量根据瑞利散射模型ꎬ所有被观测点上的偏振矢量Ｐ⇀[ｕꎬｖ]都垂直于太阳矢量ｅＳңꎬ即对于所有[ｕꎬｖ]都满足Ｐ⇀[ｕꎬｖ]ＴｅＳң＝０ꎮ利用拉格朗日乘数法来估计太阳矢量[１３]:Ｅ(ｅＳңꎬλ)＝ðｕｖω[ｕꎬｖ](Ｐ⇀[ｕꎬｖ]ＴｅＳң)２－λ( ｅＳң２－１)(５)其中ω[ｕꎬｖ]是相对偏振度成比例的权重系数ꎬ－λ ｅＳң ２－１()使ｅＳң归一化ꎬ解式(５)得到:λｅＳ＝ðｕｖω[ｕꎬｖ]Ｐ⇀[ｕꎬｖ]Ｐ[ｕꎬｖ]ＴｅＳң(６)因而ꎬ解得矩阵ðｕｖω[ｕꎬｖ]Ｐ⇀[ｕꎬｖ]Ｐ[ｕꎬｖ]Ｔ对应于最小特征值λｍｉｎ的特征向量就是太阳矢量ｅＳңꎬ假设太阳矢量ｅＳң＝[ＸｅｓꎬＹｅｓꎬＺｅｓ]ꎬ则求解太阳高度角ｈＳ和太阳方位角αＳ的公式如下:ｈＳ＝ａｒｃｔａｎＺｅｓＸ２ｅｓ＋Ｙ２ｅｓæèçöø÷αＳ＝ａｒｃｔａｎＹｅｓＸｅｓæèçöø÷(７)２㊀天空偏振光时域分布测量平台为了对天空偏振光分布进行测量ꎬ搭建一个由偏振图像采集系统和方位对准系统组成的实验２２天空偏振光时域分布稳定性的实验研究平台ꎬ如图２所示ꎮ其中偏振图像采集系统包括偏振片㊁鱼眼镜头㊁ＣＣＤ相机㊁相机三角架ꎻ方位对准系统包括双天线ＧＰＳ定向接收机㊁ＧＰＳ三角架和上位机ꎮ偏振图像采集系统实现对天空光的偏振信息采集ꎬ通过旋转偏振片ꎬ改变其透振方向与参考方向的夹角φꎬ一般φ取０ʎꎬ６０ʎꎬ１２０ʎꎮ每隔一小时拍摄ꎬ得到各时刻待处理的偏振图像ꎮ鱼眼镜头的成像视角达到１８０ʎꎬ本实验由于偏振片放置在鱼眼镜头前端ꎬ存在遮挡ꎬ导致实际成像视角为１５０ʎꎮ选用ＣＣＤ相机Ｎｉｋｏｎ６１０进行成像ꎮ图２㊀天空偏振光分布测量实验平台示意图㊀㊀方位对准系统为采集的偏振图像提供精确的方位基准ꎬ其中ꎬ双天线ＧＰＳ定向接收机具有两个天线ꎬ分别是天线Ａ和天线Ｂꎬ可以测得观测点的经度ꎬ纬度㊁海拔高度以及双天线的连线ＡＢ与正北的夹角ꎮ设置相机参考方向为正北方向ꎬ则需要把正北方位在相机图片中表示出来ꎮ所以ꎬ采集ＧＰＳ信号时ꎬ将天线Ａ放置在镜头正上方ꎬ天线Ｂ放置在升高的ＧＰＳ三角架上ꎬ且使连线ＡＢ指向正北ꎮＧＰＳ信号采集完成后ꎬ拿走天线Ａꎬ天线Ｂ位置保持不动ꎬ用相机拍下天线Ｂꎬ这样就可以使正北方向在图片中表示出来ꎬ则从偏振图像解算的太阳方位角是太阳子午线相对正北方向的夹角ꎮ３㊀实验分析于２０１８年１月１３日９时至１７时在北航沙河校区操场(Ｅ４０.１５ʎꎬＮ１１６.２７ʎ)对天空偏振光分布进行每隔一小时的测量ꎬ计算得到各时刻的偏振度ｄ和偏振角φꎬ如图３所示ꎮ图３㊀天空偏振光分布测量图ꎬＩ表示原图ꎬｄ表示偏振度ꎬφ表示偏振角３２天空偏振光时域分布稳定性的实验研究㊀㊀图３中黑点表示天顶ꎬ虚线表示太阳子午线ＳＭ和反太阳子午线ＡＳＭ构成的ＳＭ￣ＡＳＭ线ꎻ红色箭头表示正北方向ꎬ角度α对应太阳方位角αＳꎮ天空偏振光分布随时间变化ꎬ但每个时刻偏振光分布的规律基本与瑞利散射模型一致ꎬ即偏振度分布图中存在两条对称线ꎬ第一条是与太阳呈９０ʎ角距的最大偏振度线ꎬ随着与最大偏振度线角距增大ꎬ两侧的偏振度呈对称递减趋势ꎻ第二条是太阳子午线ＳＭ和反太阳子午线ＡＳＭ构成的ＳＭ￣ＡＳＭ线ꎮ偏振角分布图的整体呈 ８ 字形ꎬ ８ 子两个顶点的连线对应与ＳＭ￣ＡＳＭ线ꎮ如表１所示ꎬ对比由太阳年历和由偏振图像解算所得的太阳高度角ｈＳ和太阳方位角αＳꎬ得到对应的误差值ꎮ作曲线图和误差变化曲线ꎬ如图４和图５所示ꎬ其中太阳方位角的误差范围在[－１ꎬ４]度ꎬ误差标准差为１.３４ʎ(１σ)ꎻ太阳高度角的误差范围在[－５ꎬ４]度ꎬ误差标准差为－２.２８ʎ(１σ)ꎮ表１㊀太阳年历解算和偏振图像解算的太阳方位角和太阳高度角及误差表时刻太阳年历解算偏振图像解算误差太阳方位角太阳高度角实验太阳方位角实验太阳高度角太阳方位角误差太阳高度角误差９:００１３２.３９８１２.３３５１３５.５５８１２.９５３３.１５９０.６１８１０:００１４４.５５６１９.９０７１４８.００８１７.１４０３.４５３－２.７６８１１:００１５８.４６７２５.３８５１５９.４０９２１.０６４０.９４２－４.３２１１２:００１７３.７９１２８.１４５１７４.６７２２７.８７９０.８８１－０.２６６１３:００１８９.５７０２７.８１６１９１.１４８３０.５６１１.５７８２.７４５１４:００２０４.６６２２４.４４３２０７.９１０２４.６７６３.２４８０.２３４１５:００２１８.２２２１８.４６７２１９.７５４１４.８７２１.５３２－３.５９５１６:００２３０.０４９１０.５２２２２９.４１８１０.２１０－０.６３１－０.３１１１７:００２４０.４０５１.３９３２４０.６７７－２.３４２０.２７２－３.７３５图４㊀太阳方位角解算值及误差图５㊀太阳高度角解算值及误差４㊀结㊀论本文搭建了一个由偏振图像采集系统和方位对准系统组成的实验平台ꎬ实现一天内长时间对天空偏振光分布测量ꎬ以解算的各时刻太阳方位角和太阳高度角的误差作为稳定性参数ꎬ反映了长时间测量的偏振图像解算太阳矢量的准确性ꎬ进而反映了天空偏振光时域分布具有较强的稳定性ꎮ同时验证了瑞利散射模型的有效性ꎬ为仿生偏振导航研究提供理论基础ꎮ本文通过实验拓宽并加深学生对基础光学和散射理论的认识ꎬ提升对科学研究的兴趣ꎮ参考文献:[１]㊀ＨｏｒｖáｔｈＨＧꎬＶａｒｊúＤ.Ｐｏｌａｒｉｚｅｄｌｉｇｈｔｉｎａｎｉｍａｌｖｉｓｉｏｎ[Ｍ].ＳｐｒｉｎｇｅｒＢｅｒｌｉｎꎬ２００４.[２]㊀ＣｈａｈｌＪ.Ｆｌｉｇｈｔｔｅｓｔｏｆａｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｃｏｍｐａｓｓｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｉｎｔｏａｎｕｎｍａｎｎｅｄａｅｒｉａｌｖｅｈｉｃｌｅａｕｔｏｐｉｌｏｔ[Ｊ].ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＡｕｔｏｎｏｍｏｕｓＶｅｈｉｃｌｅｓꎬ２０１３:２３￣２７.[３]㊀杨晓梅ꎬ慕晓艳ꎬ陈琪睿.自组装偏振光定量探究实验研究[Ｊ].大学物理实验ꎬ２０１７(６):７２￣７５.[４]㊀ＣｈａｈｌＪꎬＭｉｚｕｔａｎｉＡ.Ｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃａｔｔｉｔｕｄｅａｎｄｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｓｅｎｓｏｒｓ[Ｊ].ＩＥＥＥＳｅｎｓｏｒｓＪｏｕｒｎａｌꎬ２０１２ꎬ１２(２):２８９￣２９７.[５]㊀ＬｉｕＹꎬＶｏｓｓＫ.Ｐｏｌａｒｉｚｅｄｒａｄｉａｎｃｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅ￣ｍｅｎｔｏｆｓｋｙｌｉｇｈｔ.ＩＩ.Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｎｄｄａｔａ[Ｊ].ＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓꎬ１９９７ꎬ３６(３３):８７５３￣６４.[６]㊀饶瑞中.现代大气光学[Ｍ].科学出版社ꎬ２０１２[７]㊀ＳｕｈａｉＢꎬＨｏｒｖáｔｈＧ.ＨｏｗｗｅｌｌｄｏｅｓｔｈｅＲａｙｌｅｉｇｈｍｏｄｅｌｄｅｓｃｒｉｂｅｔｈｅＥ￣ｖｅｃｔｏｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｓｋｙｌｉｇｈｔｉｎｃｌｅａｒ４２天空偏振光时域分布稳定性的实验研究ａｎｄｃｌｏｕｄｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ?Ａｆｕｌｌ￣ｓｋｙｐｏｌａｒｉｍｅｔｒｉｃｓｔｕｄｙ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＯｐｔｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙｏｆＡｍｅｒｉｃａＡＯｐｔｉｃｓＩｍａｇｅＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｖｉｓｉｏｎꎬ２００４ꎬ２１(９):１６６９.[８]㊀ＨｅｇｅｄüｓＲꎬＡｋｅｓｓｏｎＳꎬＨｏｒｖáｔｈＧ.Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｐａｔｔｅｒｎｓｏｆｔｈｉｃｋｃｌｏｕｄｓ:ｏｖｅｒｃａｓｔｓｋｉｅｓｈａｖｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅａｎｇｌｅｏｆｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｓｉｍｉｌａｒｔｏｔｈａｔｏｆｃｌｅａｒｓｋｉｅｓ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＯｐｔｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙｏｆＡｍｅｒｉｃａＡＯｐｔｉｃｓＩｍ￣ａｇｅＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｖｉｓｉｏｎꎬ２００７ꎬ２４(８):２３４７￣５６.[９]㊀ＧｒｅｎａＲ.Ａｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｆｏｒｔｈｅｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｏｌａｒｐｏｓｉｔｉｏｎ[Ｊ].ＳｏｌａｒＥｎｅｒｇｙꎬ２００８ꎬ８２(５):４６２￣４７０.[１０]ＷａｎｇＹꎬＨｕＸꎬＬｉａｎＪꎬｅｔａｌ.Ｄｅｓｉｇｎｏｆａｄｅｖｉｃｅｆｏｒｓｋｙｌｉｇｈｔｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ[Ｊ].Ｓｅｎｓｏｒｓꎬ２０１４ꎬ１４(８):１４９１６.[１１]ＮｏｒｔｈＪＡꎬＤｕｇｇｉｎＭＪ.Ｓｔｏｋｅｓｖｅｃｔｏｒｉｍａｇｉｎｇｏｆｔｈｅｐｏ￣ｌａｒｉｚｅｄｓｋｙ￣ｄｏｍｅ[Ｊ].ＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓꎬ１９９７ꎬ３６(３):７２３￣３０.[１２]廖延彪.偏振光学[Ｍ].科学出版社ꎬ２００３.[１３]ＳｔüｒｚｌＷꎬＣａｒｅｙＮ.Ａｆｉｓｈｅｙｅｃａｍｅｒａｓｙｓｔｅｍｆｏｒｐｏｌａｒｉ￣ｚａｔｉｏｎｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｎＵＡＶｓ[Ｊ].ＣｏｍｐｕｔｅｒＶｉｓｉｏｎ￣ＥＣＣＶ２０１２.ＷｏｒｋｓｈｏｐｓａｎｄＤｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎｓ.ＳｐｒｉｎｇｅｒＢｅｒｌｉｎＨｅｉｄｅｌｂｅｒｇꎬ２０１２:４３１￣４４０.ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅＳｔａｂｉｌｉｔｙｏｆＳｋｙｌｉｇｈｔＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎＰａｔｔｅｒｎｉｎＴｉｍｅＤｏｍａｉｎＧＡＯＱｉａｎꎬＱＩＡＮＪｉａｎ￣ｑｉａｎｇ∗ꎬＸＵＨｕａｎꎬＺＨＡＮＧＸｉａｏ(ＢｅｉｈａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ(Ｂｅｉｊｉｎｇ)ꎬＢｅｉｊｉｎｇ１０００８３)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｐｌｅｎｔｙｏｆｐｏｌａｒｉｚｅｄｌｉｇｈｔｅｍｅｒｇｅｓｆｒｏｍｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｂｙｐａｒｔｉｃｌｅｓａｎｄａｉｒｍｏｌｅｃｕｌｅｓｄｕｒｉｎｇｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｏｆｓｕｎｌｉｇｈｔꎬｆｏｒｍｉｎｇａｓｔａｂｌｅｓｋｙｌｉｇｈｔｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｐａｔｔｅｒｎꎬｗｈｉｃｈｉｓｍａｉｎｌｙｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｂｙｔｈｅｓｏｌａｒｐｏｓｉｔｉｏｎꎬｔｈｅｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓｉｔｅａｎｄｔｈｅａｔｍｏｓｐｈｅｒｅｐａｒｔｉｃｌｅｓ.Ｒａｙｌｅｉｇｈｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｍｏｄｅｌｒｅｐｒｅｓｅｎｔｓｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｐｏｌａｒｉｚｅｄｌｉｇｈｔｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎｔｈｅｓｋｙｗｉｔｈｔｈｅｓｏｌａｒｐｏｓｉｔｉｏｎ.ＴｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｓｋｙｌｉｇｈｔｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｐａｔｔｅｒｎｉｎｔｉｍｅｄｏｍａｉｎｂａｓｅｄｏｎＲａｙｌｅｉｇｈｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｍｏｄｅｌｉｓｓｔｕｄｉｅｄ.Ａｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｐｌａｔｆｏｒｍｃｏｎｓｉｓｔｓｏｆｐｏ￣ｌａｒｉｚｉｎｇｉｍａｇｅａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍａｎｄａｚｉｍｕｔｈａｌｉｇｎｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｔｏｍｅａｓｕｒｅｔｈｅｓｋｙｌｉｇｈｔｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｐａｔｔｅｒｎ.Ｔｈｅｎｔｈｅｓｏｌａｒａｚｉｍｕｔｈａｎｄｔｈｅｓｏｌａｒｅｌｅｖａｔｉｏｎａｎｇｌｅａｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｕｓｉｎｇｐｏｌａｒｉｚｉｎｇｉｍａｇｅｓ.Ｃｏｍｐａｒｅｄｔｏｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｖａｌｕｅｓｏｆｔｈｅａｓｔｒｏｎｏｍｉｃａｌａｌｍａｎａｃꎬｔｈｅｓｏｌａｒａｚｉｍｕｔｈｅｒｒｏｒｉｓ１.３４ʎ(１σ)ａｎｄｔｈｅｓｏｌａｒｅｌｅｖａｔｉｏｎａｎｇｌｅｅｒｒｏｒｉｓ－２.２８ʎ(１σ)ａｎｄｔｈｅｔｗｏｅｒｒｏｒｓａｒｅｕｓｅｄａｓｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｐａｒａｍｅｔｅｒｓ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅｓｋｙｌｉｇｈｔｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｐａｔｔｅｒｎｉｎｔｉｍｅｄｏｍａｉｎｈａｓａｓｔｒｏｎｇｓｔａｂｉｌｉｔｙ.Ｔｈｉｓｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｎｏｔｏｎｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｓｔｕｄｅｎｔｓ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇｏｆｓｋｙｐｏｌａｒｉｚｅｄｌｉｇｈｔａｎｄａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｓｃａｔｔｅｒｉｎｇꎬｂｕｔａｌｓｏｓｔｉｍｕｌａｔｅｉｎｔｅｒｅｓｔａｎｄｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎꎻａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｏｐｔｉｃｓꎻＲａｙｌｅｉｇｈｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｍｏｄｅｌꎻｓｋｙｌｉｇｈｔｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｐａｔｔｅｒｎ５２天空偏振光时域分布稳定性的实验研究。
不同天气下的大气偏振模式及其影响因素研究的开题报告
不同天气下的大气偏振模式及其影响因素研究的开题报告一、选题背景天气的变化是大气环流和气候变化的表现，而天气对光的偏振也会产生影响。
大气中不同天气下的光线偏振模式研究对于理解大气中的光传输和气象学有着重要的意义。
此外，该研究还可以为气象遥感、天文观测、海洋生态等领域提供帮助。
二、研究目的本研究旨在探究不同天气下的大气偏振模式及其影响因素，通过对大气中反射、折射和散射的光线偏振特性进行研究，可以了解不同天气下大气中的光传输机制和光场分布特征，为气象遥感、天文观测和海洋生态等领域提供科学支撑。
三、研究内容1. 大气偏振光学基础理论的研究2. 不同天气下大气中光线的偏振模式研究3. 大气中光线偏振状态的数学表达式建立4. 影响大气中光线偏振模式的因素探究5. 大气中光线偏振模式的模拟与仿真四、研究方法本研究将以理论分析和数值模拟的方法来进行。
首先将系统介绍光学偏振理论及其相关方法，进一步研究不同天气下大气中光传输机制和光场分布特征。
然后，分析影响大气光线偏振模式的因素，建立数学模型，并用MATLAB模拟数据，验证模型的正确性。
五、预期成果1. 不同天气下大气中光线的偏振模式特征；2. 影响不同天气下大气光线偏振模式的主要因素；3. 大气中反射、折射和散射的光线偏振状态的数学表达式；4. 大气中光线偏振状态的数值模拟结果。
六、研究意义本研究的主要意义在于深入了解大气中不同天气下的光传输机制和光场分布规律，为气象遥感、天文观测和海洋生态等领域提供科学支撑。
同时，该研究为了解大气影响天文观测和遥感数据，提高数据处理效率和准确性具有关键作用。
基于瑞利散射的大气偏振模式检测与模型重建
基于瑞利散射的大气偏振模式检测与模型重建王晨光;唐军;杨江涛;张楠;李大林;刘俊;向长波【期刊名称】《中北大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(036)005【摘要】针对全天域大气偏振模式导航信息高精度获取需求,搭建了一种基于偏振分析仪、水平转台、高度调节台等模块的大气偏振模式检测系统,实现了全天域大气偏振模式扫描检测;利用Matlab软件对实测数据进行了数据处理分析,结合瑞利散射模型实现了大气偏振二维、三维模式重建.实验结果表明,偏振角测量误差小于0.5°的实测偏振信息为92％,偏振度测量误差小于0.5的实测偏振信息为87％,与理论瑞利散射模型基本一致,实测大气偏振模式信息准确可靠,可为后续开展偏振光导航应用与算法研究奠定基础.【总页数】7页(P570-576)【作者】王晨光;唐军;杨江涛;张楠;李大林;刘俊;向长波【作者单位】中北大学电子测试技术重点实验室,山西太原030051;中北大学信息与通信工程学院,山西太原030051;中北大学电子测试技术重点实验室,山西太原030051;中北大学仪器与电子学院,山西太原030051;中北大学电子测试技术重点实验室,山西太原030051;中北大学仪器与电子学院,山西太原030051;中北大学电子测试技术重点实验室,山西太原030051;中北大学仪器与电子学院,山西太原030051;中北大学电子测试技术重点实验室,山西太原030051;中北大学仪器与电子学院,山西太原030051;中北大学电子测试技术重点实验室,山西太原030051;中北大学仪器与电子学院,山西太原030051;中北大学电子测试技术重点实验室,山西太原030051;中国电子科技集团第四十一研究所,山东青岛266555【正文语种】中文【中图分类】P401;O241.2【相关文献】1.基于大气偏振模式对称性检测的航向角获取方法 [J], 田柳;高隽;范之国;王昕2.仿生复眼光学偏振传感器及其大气偏振E矢量检测应用 [J], 丁宇凯;唐军;王飞;王晨光;翟超;曹卫达;周智君;赵鹏飞;刘俊3.基于瑞利散射的大气偏振模式Stokes矢量建模仿真 [J], 王子谦;范之国;张旭东;王昕4.基于有限样本的大气偏振模式生成方法 [J], 甘鑫;高欣健;钟彬彬;王昕;叶子瑞;高隽5.全偏振大气偏振模式成像系统的设计与优化分析 [J], 王成;范之国;金海红;汪先球;华豆因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
低太阳高度角条件下的天空偏振模式模拟及大气折射影响研究
低太阳高度角条件下的天空偏振模式模拟及大气折射影响研究∗胡帅;高太长;李浩;程天际;刘磊;黄威;江诗阳【期刊名称】《物理学报》【年(卷),期】2016(0)1【摘要】To simulate the atmospheric polarization pattern for small solar elevation angle, we develop a the vector radiative transfer model VSPART (vector pseudo-spherical radiative transfer model considering refraction), and use it to calculate the polarization state of downwelling diffuse light.In this model, the propagation trajectory, transmittance rate and polarization states of directly transmitted light are tracked by ray-tracing method for spherical refractive atmosphere. Based on the matrix algorithm, an improved method to solve the radiative transfer equation is proposed. Output of this model includes not only the Stokes vector and degree of polarization of diffuse light, but also the polarized irradiance. The precision of VSPART is validated against the benchmark results, literature results and SPDISORT, and excellent agreement is achieved. DOP (degree of polarization) and AOP (angle of polarization) are simulated for pure Rayleigh scattering atmosphere and atmosphere with aerosol, and the characteristics of their angular distributions are analyzed. In addition, the influences of atmospheric spherical geometry and refraction effect on the sky DOP are discussed as well. Simulation results show that for low solarelevation angle, with the increasing of wavelength, DOP increases gradually, and the Arago and Babinet neutral points move towards the horizon when Rayleigh scattering atmosphere is considered. Although the existence of aerosol does not change the basic distribution of DOP, it has a significant influence on AOP. With the increasing of aerosol optical depth, DOP decreases gradually, and the distribution of AOP changes dramatically. By comparing the sky distribution of DOP, it could also be concluded that the neutral points might arise from low order scattering. The area affected by atmospheric spherical geometry and atmospheric refraction effect mainly includes the area near horizontal directions, the area near the neutral points and the area perpendicular to the ground. For pure Rayleigh scattering atmosphere, the influence is reduced with the increasing of the wavelength of incident light, especially for the areas near the neutral points, where the influence gradually disappears as wavelength increases. For atmosphere with aerosol, with their optical depth increasing, the effects of atmospheric spherical geometry and atmospheric refraction are gradually enhanced.【总页数】15页(P93-107)【作者】胡帅;高太长;李浩;程天际;刘磊;黄威;江诗阳【作者单位】解放军理工大学气象海洋学院，南京 211101;解放军理工大学气象海洋学院，南京 211101;解放军理工大学气象海洋学院，南京 211101;解放军理工大学气象海洋学院，南京 211101;解放军理工大学气象海洋学院，南京 211101;解放军理工大学气象海洋学院，南京 211101;解放军理工大学气象海洋学院，南京 211101【正文语种】中文【相关文献】1.天空偏振模式对仿生偏振光定向的影响及实验 [J], 范晨;胡小平;何晓峰;练军想;王玉杰2.多种天气条件下的天空光偏振模型 [J], 张颖;张熠;赵慧洁3.太阳高度角对大气偏振模式航向解算误差影响分析 [J], 李大林;唐军;刘丽双4.基于微偏振阵列成像的实时天空偏振光导航 [J], 张文静;马龙;赵立双;曹毓5.偏振遥感测量中土壤偏振度随太阳高度角的变化规律初探 [J], 杜嘉;赵云升;宋开山;吴太夏因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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赵开春，等：王ｌ且ｙｋｉｇｈ大气天空光偏振分布仿真与预测
国２天空Ｐ点ｅ矢量偏振信息
ｎｇ．２和咖ｒ’ｐｏⅫ盈吐蚰ｌｎｌ栅∞伽ｎ埘ｎ坤Ｐｐｏ蛳
妯ｔｂｅｓ时
在球面三角形ｚＰｓ中，由正弦定理知：
意铲茜＝掣㈣
８ｉｎ（９０。
一＾ｓ）Ｂｉｎ口
…
进一步变化为：
ｓｉｎ（９０。
训＝型葛盟．８ｉｎ（９０。
“）
（６）
得：
删＝堕岳盟…ｓｋ（７）
耵Ⅱ口
而天空Ｐ点的偏振度由（３）式求得。
Ｐ一可以用全
天空偏振成像计测定给出。
由（７）可以计算出偏振
方位角廿。
利用斯托克斯参量完整描述一束光性质，
每一个参量都为强度的量纲。
设全偏振分量的总光
强为ｊ，偏振度为Ｐ，方位角为妒和椭率角为ｓ，任意
ｓｔｏｋｅＢ矢量可写成如下形式：
Ｓ＝岛只是昱
天空中散射光主要是线偏振光，是分量表示椭圆偏振光，故Ｓ＝ｏ，即ｓｉⅡ２ｓ＝ｏ。
为了简化计算，假设太阳发出的光强为单位光强ｌ，则天空中偏振光的ｓｔｏｋｅ８矢量形式如下：
ｓ：『一酬㈤３计算机仿真
根据上述的理论分析，对于天空中偏振光分布模式进行了计算机仿真。
图３是软件的启动界面。
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Ｐ点光束偏振度和偏振方位角计算。
本程序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，还可阻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Ｓｔｏｋｅｓ矢量。
太阳视位置对于天空的偏振模式有很大的影响。
在一天的某一时刻‘，在某一地理位置，可以通过球面三角形知识来求解太阳在天空中的位置。
太阳高度角ｋ是地球表面上某点和太阳的连线与地平面之间的夹角，可用式（１０）计算。
圈３程序界面
ｎｇ．３ｈＤｇｍｍ岫ｔ日ｆ籼
Ｂｉｎ＾ｓ＝ｇｉ呻ｓｉ嵋＋ｃｏ啦ｃｏｓ＆ｏ时（１０）太阳方位角Ａ。
为太阳至地面上某给定点连线在地面上的投影与南向（当地子午线）的夹角。
太阳偏东时为负．偏西时为正，其计算公式为：
：三！喜ｓｉｍ
ｃｏｓ虬
此式算得的ｓｉＩｌＡ；大于ｌ或ｓｉｎＡ。
的绝对值较小时，换用式（１２）计算：
”峨＝等等（１２）
ＣｏＳⅡｔＣｏ岫
其中，ｋ为太阳高度角；如为太阳方位角；ｔ为当地太阳时角，表明时间的变化；妒为地理纬度，表明观察点所在的位置；６为赤纬，表明季节（日期）的变化。
根据以上公式，对于选定的时间，可以计算出此时本地子午线的时角。
对于选定的地点，即地理的经度纬度已知，天体的赤纬可以通过查寻《天文年历＞，将《天文年历》的数据输人计算机，作为数。
荸
２９０四川大学学报（工程科学版）第３９卷
据库资料。
这样，可以算出太阳的高度角和方位角。
图４显示的是软件的整体流程图，选择查询的日期、时间，查询程序后台的数据库，经过差值运算，得出太阳此时刻的视赤经、视赤纬和时差。
根据输入观测地理位置的经纬度，得出当地太阳时角，太阳高度角和方位角；然后根据选择的天空测定光束方向计算出该方向光束的偏振度和偏振方位角，最后得出测定方向光束的ｓｔｏｋｅｓ参量。
图３的软件界面计算出了所需的各种数据。
在程序开发中，利用Ｏ”ｎＧＬ三维图形软件包和ｖｉｍａｌＣ＋＋绘制出了天空中偏振光模式图。
图５描述的是天空中偏振光模式图。
天空中出现最大偏振发生在与太阳有９０。
角距的位置处。
图中用紧密的粗虚线表示。
其余位置处的偏振有虚线表示，虚线的粗度表示偏振度，虚线的朝向表示为偏振方位角。
图４系统流程图
Ｆ电．４ｎ呷吐ａｒｔ０ｆ昭ｓＩｅｍ
比较。
图６描述了地理位置纬度３４．２。
Ｎ、经度１１１．
４。
ｗ地区，２００１年９月７日的正南方向高度角２００
的太阳光束的偏振方位角随时间变化趋势。
其太阳
光束偏振度和文献资料中实际测试的结果相比，偏
差为Ｏ．１。
这说明本应用软件的计算理论和计算
围５天空偏振光分布模式
Ｆ喀Ｓ１ｈｅｄｉｓ州ｂｕｔｉ叩Ⅲｏｄｄ０ｆｓｂｌ吐蛳舯Ｉａ—盟ｔＩ明天空偏振光模式图相对应的各种参数，如时间、地理位置也显示在相同界面的上半部分。
程序有３种图形显示模式：实时、定时和动画。
天空中通过Ｐ点的短线表示Ｐ点Ｐ矢量的振动方向，它与通过Ｐ点子午线方向的夹角就是过Ｐ点光束的偏振方位角。
将本文的计算结果与文献中的实测结果进行了结果是准确可信的。
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＼２００１年９月７日
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＝—●一偏振角一时间’＼
围６偏振方位角一时间的曲线
№．６Ｐ‘Ｉｈｒ．衄吐姐姐ｉ叫也ａⅡ掣ｅ一血眦哪ｒ＂
４讨论
详细地描述了天空中偏振光产生的机理，具体计算了在单分子散射模型中天空中测定光束的
Rayleigh大气天空光偏振分布仿真与预测
作者：赵开春， 褚金奎， 姚弘轶， 张强， 王体昌
作者单位：大连理工大学,精密与特种加工教育部重点实验室,辽宁,大连,116023
本文链接：/Conference_6435044.aspx
授权使用：中北大学图书馆(zbdxtsg)，授权号：a97674b6-8774-4539-a9e5-9e00010ed1f6
下载时间：2010年9月29日。