多次散射因素影响下天空偏振光模式的解析模型-物理学报.PDFVIP

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 63, No. 11 (2014) 114201 多次散射因素影响下天空偏振光模式的解析模型 吴良海 张骏 范之国 高隽 (合肥工业大学, 计算机与信息学院, 合肥 230009) ( 2013 年10 月20 日收到; 2014 年2 月28 日收到修改稿) 为了解决天空偏振光模式的描述问题, 从经典的瑞利散射模型出发, 考虑大气粒子尤其是气溶胶粒子的 多次散射特性, 构建了一种天空偏振光模式的解析模型. 首先分析大气分子的瑞利散射, 并结合Perez 光强分 布模型描述光强分布, 而后考虑二次散射因素, 分析不同尺度不同组分典型粒子的散射相位函数, 根据其角度 分布特征, 解决二次散射积分的求解问题, 最终得到本模型. 仿真实验表明, 与瑞利散射模型相比, 本模型能 够解决实际天空中存在的中性点的描述问题. 与晴朗天气下不同时刻实际测量结果之间的对比进一步说明, 本模型不仅可以定性地描述实际天空中偏振光模式的角度变化趋势、中性点以及对称性等重要特征, 而且具 体数值与实际分布之间的符合程度要优于单次散射模型, 其中偏振度的相似度最高可以达到75% 左右. 关键词: 偏振光, 多次散射, 解析模型, 中性点 PACS: 42.68.Mj, 11.80.La, 42.68.–w, 52.25.Tx DOI: 10.7498/aps.63.114201 点不同, 建模方法主要包括两类: 其一, 从光的物 1 引 言 理传输理论出发, 研究偏振光模式的产生、传输与 响应变化问题; 其二, 从天空偏振光分布特征出发, 偏振光模式是由太阳光与大气层之间的相互 研究偏振光模式分布的解析模型. 第一类方法主 作用而产生的. 当太阳光在大气中传输时, 与大气 要从矢量辐射传输方程(vector radiative transfer 粒子之间发生散射和吸收作用, 使得部分透过大气 equation, VRTE) 的求解出发, 具体方法包括离散 层到达地球表面的光线具有偏振特性, 并在全天 坐标法、累加倍增法、球形谐波法、多成分法以及 域范围内形成偏振光模式[12] . 偏振光模式能够反 Monte Carlo 方法等等[14−17] . 但是这一类方法的 映包括光强、线偏振度、偏振方向等在内的多维信 求解需要完成复杂的传输过程建模, 并依赖完备而 息, 其中含有丰富的大气层结构与参数信息, 以及 空间方位信息[2−4] . 对偏振光模式的获取和分析可 准确的大气成分和结构信息, 使得这一方法的实现 在很多领域得以应用, 例如, 在自主导航与定位领 存在困难, 并且存在代价成本高, 运算过程复杂, 计 域. 鉴于自然界中的许多生物都具有对偏振光模式 算过程缺乏实时性等问题. 第二类方法从实际天空 的感知能力, 并以此为依托进行导航、定位甚至信 偏振光模式特征的解析描述出发, 已有学者提出了 息交流等等, 受其启发很多研究机构都在开展以生 几种天空偏振光模式的解析模型, 主要包括: 经典 [3−6] 的瑞利散射模型[13] [18]