大气散射ppt
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（19.1.20b）
(I , Q , u , v ) F (I , Q , u , v )
s s s s 0 0 0 0
椭圆偏振光的电矢量（或磁矢量）的端
点在平面内绘成一个椭圆
3
电矢量表示为
El al cos( 1 ) Er ar cos( 2 ) Ez 0
，
z
传播方向
r
l
k
2
t kR
O
传播常数，代表波的传播方向
ar
圆频率
R 传播路径
主要决定于：散射粒子的介电特性、形状、大小等物
理特性；入射光的波长与观测点的空间位臵。
19
对于球形粒子的散射 A3 A4 0
Ees A2 El0 s 0 Er A1 Er
应用Stokes参量的定义，推得散射波为
( I es , I rs , u s , v s ) F ' ( I e0 , I r0 , u 0 , v0 )
al 振幅， 1 2 位相
4
2、stokes参量描述
• 1852年，stokes引入更方便的stokes参量描述偏
振状态
• 令
2 2 Q al ar u 2al ar cos v 2al ar sin I al2 ar2
2 I 2 Q u 2 v2
( Els , Ers )
• 散射光：
或
s
( I , Q ,U ,V )
18
s
s
s
2、散射过程的描述
散射波相对与入射波可表示为：
Els A2 El0 A3 Er0 Ers A4 El0 A1Er0
Aj
（19.1.20a）
（j=1，2，3，4）代表散射前后电磁波振幅
的变化，一般为复数
（19.1.16）
U U1 U 2 V V1 V2
相互独立波的Stokes参量可加性原则
14
2、典型情况
自然光（分解为两相互独立的椭圆偏振光）
1 1 ( I , 0, 0, 0) ( I , Q1 ,U1 ,V1 ) ( I , Q2 ,U 2 ,V2 ) 2 2
Q1 Q2
E l cos sin E E r sin cos E
19.1.7
7
Stokes 参量
2 I E0 2 Q E0 cos 2 cos 2
u E cos 2 sin 2
2 0 2 v E 0 sin 2
（19.1.9）
I：波的强度 Q：相互正交方向上波强度分量之差，
v sin 2 I
：唯一决定了椭圆的椭率和旋转方向
u
Q
tg 2
：唯一决定了椭圆的取向角
8
二、实际波
1、研究方法
椭圆偏振光：电矢量两个分量之间具有固定的振 幅和位相关系。
自然光：电矢量的振幅和位相在每秒钟有上百万 次的变化，不在同一椭圆上。 部分偏振光：电矢量端点轨迹椭圆取向在某一方 向占一定优势，介于自然光与偏振光之间。
9
描述自然光的光学模型：自然光是由一系列
相继的简单波列组成的，每一波列持续时间10-6s 或更短，使每一波列在它持续时间内电矢量端点
轨迹仍是椭圆，前后不同波列之间位相随机变化，
互相独立。因此，在一段时间内，自然光电矢量
端点轨迹椭圆的取向在任一方向均具有同等概念。
10
2、实际波的Stokes参量
• 实际波研究统计特征：
I1 I I 2
1 2 2
16
五、散射波的Stokes参量
• 利用散射前后波的Stokes参量之间的相互关系描述
散射过程
1、概念
散射角：散射光与入射光方向的交角
散射平面： 散射光与入射光组成的平面 取l轴与散射平面平行 r轴与散射平面垂直
17
• 入射光：
或
( El0 , Er0 )
( I 0 , Q0 ,U 0 ,V 0 )
v 0, I 2 Q 2 u 2
Q u 0, I v
I 2 Q2 u2 v2
2 Q u v 0, I E0 0
Q、u、v均不为0, I 2 Q 2 u 2 v 2 部分偏振光
12
实际工作中，定义偏振度：
(Q 2 u 2 v 2 ) p
第十九章 大气散射wenku.baidu.com
大气物理教研室 魏阳春
1
§1 Stokes参量
• 概述：电磁波的特性：强度、偏振状态
• 散射：导致散射目标相对于入射波偏振状
态的改变，反之，偏振状态改变，又反映
出大气本身的特性
2
一、简单波——椭圆偏振波
1、一般描述
假定：单色平面波传播方向O
设：传播方向垂直于坐标平面，沿轴方向，
1 2
I
（19.1.11） P=I P=0
0 P 1
椭圆偏振元 （线，圆偏振） 自然元 部分偏振元
13
四、 波的分解与合成
1、相互独立的两束波
I ( , ) I1 ( , ) I 2 ( , )
（19.1.15）
Stokes参量
I I1 I 2
Q Q1 Q2
I al2 a r2 E 02
2 Q al2 a r2 E0 cos 2 cos 2 2 u 2al a r cos E0 cos 2 sin 2 2 v 2al a r sin E 0 sin 2
（19.1.10）
11
线偏振波 圆偏振波 椭圆偏振波 自然光
(19.1.4)
(19.1.5)
5
a E cos 0 b E0 sin tg b a
(19.1.6)
β：椭圆的椭率
0
电矢量相对于波传播方向是右手 螺旋 电矢量相对于波传播方向是左手 螺旋
0
6
对于olrz坐标和oξηz坐标，电矢量的变换关系为
u1 u2
v1 v2
两束光，I相同，椭率相同，β1=-β2方向 ，取 向正交
2 1
2
15
部分偏振光（分解为自然光+与之独立的椭圆偏
振光之和）
( I , Q,U ,V ) ( I1 , 0, 0, 0) ( I 2 , Q,U ,V )
I 2 (Q2 U 2 V )
(I , Q , u , v ) F (I , Q , u , v )
s s s s 0 0 0 0
椭圆偏振光的电矢量（或磁矢量）的端
点在平面内绘成一个椭圆
3
电矢量表示为
El al cos( 1 ) Er ar cos( 2 ) Ez 0
，
z
传播方向
r
l
k
2
t kR
O
传播常数，代表波的传播方向
ar
圆频率
R 传播路径
主要决定于：散射粒子的介电特性、形状、大小等物
理特性；入射光的波长与观测点的空间位臵。
19
对于球形粒子的散射 A3 A4 0
Ees A2 El0 s 0 Er A1 Er
应用Stokes参量的定义，推得散射波为
( I es , I rs , u s , v s ) F ' ( I e0 , I r0 , u 0 , v0 )
al 振幅， 1 2 位相
4
2、stokes参量描述
• 1852年，stokes引入更方便的stokes参量描述偏
振状态
• 令
2 2 Q al ar u 2al ar cos v 2al ar sin I al2 ar2
2 I 2 Q u 2 v2
( Els , Ers )
• 散射光：
或
s
( I , Q ,U ,V )
18
s
s
s
2、散射过程的描述
散射波相对与入射波可表示为：
Els A2 El0 A3 Er0 Ers A4 El0 A1Er0
Aj
（19.1.20a）
（j=1，2，3，4）代表散射前后电磁波振幅
的变化，一般为复数
（19.1.16）
U U1 U 2 V V1 V2
相互独立波的Stokes参量可加性原则
14
2、典型情况
自然光（分解为两相互独立的椭圆偏振光）
1 1 ( I , 0, 0, 0) ( I , Q1 ,U1 ,V1 ) ( I , Q2 ,U 2 ,V2 ) 2 2
Q1 Q2
E l cos sin E E r sin cos E
19.1.7
7
Stokes 参量
2 I E0 2 Q E0 cos 2 cos 2
u E cos 2 sin 2
2 0 2 v E 0 sin 2
（19.1.9）
I：波的强度 Q：相互正交方向上波强度分量之差，
v sin 2 I
：唯一决定了椭圆的椭率和旋转方向
u
Q
tg 2
：唯一决定了椭圆的取向角
8
二、实际波
1、研究方法
椭圆偏振光：电矢量两个分量之间具有固定的振 幅和位相关系。
自然光：电矢量的振幅和位相在每秒钟有上百万 次的变化，不在同一椭圆上。 部分偏振光：电矢量端点轨迹椭圆取向在某一方 向占一定优势，介于自然光与偏振光之间。
9
描述自然光的光学模型：自然光是由一系列
相继的简单波列组成的，每一波列持续时间10-6s 或更短，使每一波列在它持续时间内电矢量端点
轨迹仍是椭圆，前后不同波列之间位相随机变化，
互相独立。因此，在一段时间内，自然光电矢量
端点轨迹椭圆的取向在任一方向均具有同等概念。
10
2、实际波的Stokes参量
• 实际波研究统计特征：
I1 I I 2
1 2 2
16
五、散射波的Stokes参量
• 利用散射前后波的Stokes参量之间的相互关系描述
散射过程
1、概念
散射角：散射光与入射光方向的交角
散射平面： 散射光与入射光组成的平面 取l轴与散射平面平行 r轴与散射平面垂直
17
• 入射光：
或
( El0 , Er0 )
( I 0 , Q0 ,U 0 ,V 0 )
v 0, I 2 Q 2 u 2
Q u 0, I v
I 2 Q2 u2 v2
2 Q u v 0, I E0 0
Q、u、v均不为0, I 2 Q 2 u 2 v 2 部分偏振光
12
实际工作中，定义偏振度：
(Q 2 u 2 v 2 ) p
第十九章 大气散射wenku.baidu.com
大气物理教研室 魏阳春
1
§1 Stokes参量
• 概述：电磁波的特性：强度、偏振状态
• 散射：导致散射目标相对于入射波偏振状
态的改变，反之，偏振状态改变，又反映
出大气本身的特性
2
一、简单波——椭圆偏振波
1、一般描述
假定：单色平面波传播方向O
设：传播方向垂直于坐标平面，沿轴方向，
1 2
I
（19.1.11） P=I P=0
0 P 1
椭圆偏振元 （线，圆偏振） 自然元 部分偏振元
13
四、 波的分解与合成
1、相互独立的两束波
I ( , ) I1 ( , ) I 2 ( , )
（19.1.15）
Stokes参量
I I1 I 2
Q Q1 Q2
I al2 a r2 E 02
2 Q al2 a r2 E0 cos 2 cos 2 2 u 2al a r cos E0 cos 2 sin 2 2 v 2al a r sin E 0 sin 2
（19.1.10）
11
线偏振波 圆偏振波 椭圆偏振波 自然光
(19.1.4)
(19.1.5)
5
a E cos 0 b E0 sin tg b a
(19.1.6)
β：椭圆的椭率
0
电矢量相对于波传播方向是右手 螺旋 电矢量相对于波传播方向是左手 螺旋
0
6
对于olrz坐标和oξηz坐标，电矢量的变换关系为
u1 u2
v1 v2
两束光，I相同，椭率相同，β1=-β2方向 ，取 向正交
2 1
2
15
部分偏振光（分解为自然光+与之独立的椭圆偏
振光之和）
( I , Q,U ,V ) ( I1 , 0, 0, 0) ( I 2 , Q,U ,V )
I 2 (Q2 U 2 V )