大气偏振建模与仿真研究

论文摘要

太阳光在大气传输过程中,由于大气中的空气分子、气溶胶粒子的散射作用以及云层、地表等非金属表面的反射作用,产生的大量偏振光在天空中形成了特定的偏振态分布,称为大气偏振模式。大气偏振模式是仿生偏振光导航、空中目标检测等领域的理论基础,也是遥感探测、大气光学分析的重要对象。研究大气偏振建模与仿真,计算并分析模式的状态特征、变化规律,能够为以上各种应用性研究提供理论基础,具有重要的指导意义。本文采用新的光波描述方式,分别构建出理想与实际大气偏振模型,结合真实环境状况,仿真并分析大气偏振数据。本文的主要工作如下:(1)综述了现有大气偏振建模与仿真的研究现状,指出现有方法存在的问题。研究大气偏振模式的形成机制,分析了光的大气散射过程及地表反射过程的简化模型。(2)采用电矢分量法结合斯托克斯矢量描述光波,分析了单点单次瑞利散射过程。利用电矢量特性解释了现有模型中偏振角的物理意义,并定义了新的大气偏振信息表征方法。(3)建立了一种基于电矢量描述的理想大气偏振模型。建立天球坐标系与东北天坐标系,利用两坐标系之间的转换关系,将单次瑞利散射分析方法应用于全天域,实现了理想情况下大气偏振信息的计算。仿真结果显示模型正确有效,解决了现有理想模型无法扩展到实际模型的问题。(4)建立了一种基于光波传输过程的实际大气偏振模型。研究气象状况与能见距离的关系,设计并定义天气分类及其属性。将菲涅耳公式应用于天球坐标系,实现了光的地表反射建模。叠加光的散射模型、大气传输模型及地表反射模型,获得全天域天空偏振光的描述。结合真实地表环境、天气情况设计仿真实验,初步分析了实际大气偏振模式的变化规律。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 致谢
• 1 绪论
• 1.1 论文选题背景及意义
• 1.2 国内外研究现状分析
• 1.3 论文的研究内容
• 1.4 论文的章节安排
• 2 大气偏振模式的形成机制研究
• 2.1 光的偏振现象
• 2.2 大气偏振模式的形成
• 2.3 大气散射与吸收
• 2.3.1 散射与吸收
• 2.3.2 大气成分
• 2.3.3 大气散射过程分析
• 2.4 地表反射
• 2.4.1 地表反射过程分析
• 2.4.2 地表分类及属性
• 2.5 本章小结
• 3 基于电矢量描述的理想大气偏振建模
• 3.1 电矢量描述方法的提出
• 3.1.1 现有理想大气偏振模型的缺陷
• 3.1.2 光波描述方法概述
• 3.1.3 光波描述方法的选取
• 3.2 基于电矢量描述的单次瑞利散射过程分析
• 3.3 全天域理想大气偏振建模
• 3.3.1 坐标系的建立与转换
• 3.3.2 参数计算
• 3.3.3 大气偏振信息的定义与计算
• 3.4 全天域理想大气偏振模型的仿真
• 3.4.1 单次瑞利散射模型仿真结果
• 3.4.2 理想大气偏振模型仿真结果
• 3.5 本章小结
• 4 基于光波传输过程的实际大气偏振建模
• 4.1 实际大气偏振建模思路
• 4.2 光的大气传输过程建模
• 4.2.1 比尔-布格-郎伯定律
• 4.2.2 天气分类及属性
• 4.3 光的地表反射过程建模
• 4.3.1 天球坐标系中地表反射过程分析
• 4.3.2 相关参数计算
• 4.3.3 反射光斯托克斯矢量的计算与方向的定义
• 4.4 光的云层反射过程分析
• 4.5 全天域实际大气偏振建模
• 4.6 全天域实际大气偏振模型的仿真
• 4.6.1 仿真实验一：地表环境不同
• 4.6.2 仿真实验二：天气情况不同
• 4.7 本章小结
• 5 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 研究生期间主要科研工作及成果