[發(fā)明專(zhuān)利]基于地表菲涅耳反射的多因素大氣偏振建模方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010211885.1
• 申請(qǐng)日: 2010-06-25
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101887475A
• 公開(kāi)（公告）日: 2010-11-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 高雋;謝昭;王玲妹;紀(jì)松;林金金
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 合肥工業(yè)大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G06F17/50
• 分類(lèi)號(hào): G06F17/50
• 代理公司: 安徽省合肥新安專(zhuān)利代理有限責(zé)任公司 34101
• 代理人: 何梅生

1.一種基于地表菲涅耳反射的多因素大氣偏振建模方法，其特征是利用基于瑞利散射的單因素大氣偏振模型，通過(guò)地表菲涅耳反射模型的建模方法，獲得多因素大氣偏振模型：

所述基于瑞利散射的單因素大氣偏振模型是通過(guò)建立天球坐標(biāo)系與東北天坐標(biāo)系，針對(duì)自然光入射到大氣粒子發(fā)生瑞利散射的過(guò)程，獲得全天域散射偏振光的電場(chǎng)強(qiáng)度矢量分布；

所述地表菲涅耳反射模型的建模方法是以所述基于瑞利散射的單因素大氣偏振模型為基礎(chǔ)，利用全天域散射偏振光的電場(chǎng)強(qiáng)度矢量分布，以散射偏振光從天球表面?zhèn)鬏斨恋乇碛^測(cè)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)單次菲涅耳反射后再傳輸至天球表面，獲得反射偏振光的電場(chǎng)強(qiáng)度矢量分布；

所述多因素大氣偏振模型的建模方法是利用斯托克斯矢量描述基于瑞利散射的單因素大氣偏振模型的散射偏振光以及地表菲涅耳反射模型的反射偏振光，并在天球表面疊加所述斯托克斯矢量，獲得天空偏振光的大氣偏振信息分布，所述大氣偏振信息以偏振度和偏振方向矢量表征。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于地表菲涅耳反射的多因素大氣偏振建模方法，其特征所述地表菲涅耳反射模型的建模方法是按如下過(guò)程進(jìn)行：

選取地球表面上任一點(diǎn)為地表觀測(cè)點(diǎn)O，以所述地表觀測(cè)點(diǎn)O為坐標(biāo)原點(diǎn)，以所述地表觀測(cè)點(diǎn)O所在地平面的南向作為X₀軸方向，以所述地表觀測(cè)點(diǎn)O所在地平面的東向作為Y₀軸方向，以過(guò)所述地表觀測(cè)點(diǎn)O的鉛垂線(xiàn)并指向上的方向?yàn)閆₀軸方向，建立天球坐標(biāo)系X₀Y₀Z₀；

在所述天球坐標(biāo)系X₀Y₀Z₀中，利用觀測(cè)時(shí)刻、地表觀測(cè)點(diǎn)O的經(jīng)緯度獲得當(dāng)前時(shí)刻太陽(yáng)位置，所述當(dāng)前時(shí)刻太陽(yáng)位置是以太陽(yáng)在天球表面投影點(diǎn)S的高度角h_S和方位角a_S來(lái)表征；自然光入射方向SO沿太陽(yáng)在天球表面投影點(diǎn)S到地表觀測(cè)點(diǎn)O的連線(xiàn)并指向地表觀測(cè)點(diǎn)O；自然光沿所述自然光入射方向SO入射到被測(cè)點(diǎn)P發(fā)生單次瑞利散射，散射光傳播方向PO沿被測(cè)點(diǎn)P到地表觀測(cè)點(diǎn)O的連線(xiàn)并指向地表觀測(cè)點(diǎn)O；散射光沿所述散射光傳播方向PO傳輸至地表觀測(cè)點(diǎn)O發(fā)生單次菲涅耳反射，反射光二次傳輸至天球表面的點(diǎn)為反射點(diǎn)P′，反射光傳播方向OP′沿地表觀測(cè)點(diǎn)O到反射點(diǎn)P′的連線(xiàn)并指向反射點(diǎn)P′；利用被測(cè)點(diǎn)P和地表觀測(cè)點(diǎn)O的坐標(biāo)，根據(jù)球體的對(duì)稱(chēng)性，獲得反射點(diǎn)P′的坐標(biāo)有：

(X0P′,Y0P′,Z0P′)T=(-Rcos(hP)cosαP,-Rcos(hP)sinαP,Rsin(hP))T---(1)]]>

式(1)中的R為天球半徑；

在所述天球坐標(biāo)系X₀Y₀Z₀中，以Z₀軸正方向?yàn)榉ň€(xiàn)方向OZ，以散射光傳播方向PO與法線(xiàn)方向OZ之間的夾角為入射角θ_i；利用被測(cè)點(diǎn)P的高度角h_P，獲得入射角θ_i，有：

θ_i＝90°-h_p?????????????????????????????????????????????????????????????(2)

在所述天球坐標(biāo)系X₀Y₀Z₀中，利用自然光入射基于瑞利散射的單因素大氣偏振模型后被測(cè)點(diǎn)P的散射光電場(chǎng)強(qiáng)度分量和獲得入射線(xiàn)偏振光和有：

(3)

式(3)和式(4)中的C是旋轉(zhuǎn)關(guān)系矩陣，有：

F是所述散射光電場(chǎng)強(qiáng)度分量和的常數(shù)項(xiàng)，有：r是被測(cè)點(diǎn)P距離散射粒子位移，且有：r＝3a；θ為散射角，是以自然光入射方向SO與散射光傳播方向PO之間的夾角；為被測(cè)點(diǎn)P的觀測(cè)角；和分別是所述天球坐標(biāo)系X₀Y₀Z₀中的X₀軸、Y₀軸和Z₀軸對(duì)應(yīng)的單位方向矢量；

在所述天球坐標(biāo)系X₀Y₀Z₀中，以散射光傳播方向PO和反射光傳播方向OP′所在平面為入射面POP′；利用地表觀測(cè)點(diǎn)O、被測(cè)點(diǎn)P及反射點(diǎn)P′的坐標(biāo)，獲得入射面POP′法線(xiàn)向量有：

n→=2R2sin(hP)cos(hP)sinαP·e→x0-2R2sin(hP)cos(hP)cosαP·e→y0=A·e→x0+B·e→y0---(5)]]>

以入射線(xiàn)偏振光和的電矢量振動(dòng)方向與入射面POP′法線(xiàn)向量的夾角為和沿迎著光的傳播方向看去，當(dāng)振動(dòng)方向繞光的傳播方向順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，夾角取為正；利用入射線(xiàn)偏振光的單位方向矢量和入射面POP′法線(xiàn)向量獲得所述夾角和有：

sinαθ(i)=|Amθ+Bnθ|A2+B2·mθ2+nθ2+pθ2---(6)]]>

將所述入射線(xiàn)偏振光和分別以平行于所述入射面POP′和垂直于所述入射面POP′的方向分解為四個(gè)入射光電場(chǎng)強(qiáng)度分量和其中，

和是平行分量，和是垂直分量，有：

E0θ//(i)=E0θ(i)cosαθ(i)---(8)]]>

E0θ⊥(i)=E0θ(i)sinαθ(i)---(9)]]>

式(8)、式(9)、式(10)和式(11)中的和分別是所述四個(gè)入射光電場(chǎng)強(qiáng)度分量和的矢量大小；

所述四個(gè)入射光電場(chǎng)強(qiáng)度分量和經(jīng)過(guò)菲涅耳反射后，獲得四個(gè)反射光電場(chǎng)強(qiáng)度分量和有：

E0θ//(r)=tan(θi-θt)tan(θi+θt)E0θ//(i)=n2cosθi-n1cosθtn2cosθi+n1cosθtE0θ//(i)---(12)]]>

E0θ⊥(r)=sin(θi-θt)sin(θi+θt)E0θ⊥(i)=n1cosθi-n2cosθtn1cosθi+n2cosθtE0θ⊥(i)---(13)]]>

式(12)、式(13)、式(14)和式(15)中的和分別是所述四個(gè)反射光電場(chǎng)強(qiáng)度分量和的矢量大小；n₁、n₂分別為分界面兩側(cè)的折射率；θ_t為折射角，利用所述分界面兩側(cè)的折射率、入射角θ_i，獲得折射角θ_t，有：

θt=arcsin(n1n2sinθi)---(16)]]>

所述四個(gè)反射光電場(chǎng)強(qiáng)度分量和中，和的振動(dòng)方向一致，平行于所述入射面POP′；和的振動(dòng)方向一致，垂直于所述入射面POP′；以和振動(dòng)方向?qū)?yīng)的單位矢量為以和振動(dòng)方向?qū)?yīng)的單位矢量為有：

S→//(r)=-sin(hP)cosαP·e→x0-sin(hP)sinαP·e→y0-cos(hP)·e→z0---(17)]]>

S→⊥(r)=-sinαP·e→x0+cosαP·e→y0---(18)]]>

將所述四個(gè)反射光電場(chǎng)強(qiáng)度分量和以振動(dòng)方向相同的兩個(gè)分量為一組進(jìn)行矢量疊加，獲得反射點(diǎn)P′的反射光電場(chǎng)強(qiáng)度分量和有：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于地表菲涅耳反射的多因素大氣偏振建模方法，其特征所述多因素大氣偏振模型的建模方法是按如下過(guò)程進(jìn)行：

在所述天球坐標(biāo)系X₀Y₀Z₀中，利用所述反射點(diǎn)P′的反射光電場(chǎng)強(qiáng)度分量和根據(jù)電場(chǎng)強(qiáng)度矢量與斯托克斯矢量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，獲得反射光平行分量的斯托克斯矢量[I_//?M_//?C_//?S_//]^T和反射光垂直分量的斯托克斯矢量[I_⊥?M_⊥?C_⊥?S_⊥]^T，有：

I//M//C//S//=(E0//(r))2(E0//(r))200---(21)]]>

I⊥M⊥C⊥S⊥=(E0⊥(r))2-(E0⊥(r))200---(22)]]>

式(21)和式(22)中的和分別是反射光電場(chǎng)強(qiáng)度分量和的矢量大小；

將所述反射光平行分量的斯托克斯矢量[I_//?M_//?C_//?S_//]^T和反射光垂直分量的斯托克斯矢量[I_⊥?M_⊥?C_⊥?S_⊥]^T相互疊加，獲得反射光的斯托克斯矢量[I_R?M_R?C_R?S_R]^T，有：

IRMRCRSR=I⊥M⊥C⊥S⊥=(E0⊥(r))2-(E0⊥(r))200,θi=θB---(23)]]>

IRMRCRSR=I//M//C//S//+I⊥M⊥C⊥S⊥=(E0//(r))2+(E0⊥(r))2(E0//(r))2-(E0⊥(r))200,θi≠θB---(24)]]>

式(23)和式(24)中的θ_B是布儒斯特角，利用所述分界面兩側(cè)的折射率n₁、n₂，獲得布儒斯特角θ_B為：

對(duì)所述反射點(diǎn)P′的反射光電場(chǎng)強(qiáng)度分量與進(jìn)行矢量大小比較，以矢量大小較大的反射光電場(chǎng)強(qiáng)度分量所對(duì)應(yīng)的單位方向矢量作為反射偏振光的偏振方向矢量，以反射偏振光的偏振方向矢量表征反射點(diǎn)P′的反射偏振方向；

在所述天球坐標(biāo)系X₀Y₀Z₀中，利用自然光入射基于瑞利散射的單因素大氣偏振模型，獲得反射點(diǎn)P′的散射光電場(chǎng)強(qiáng)度分量和有：

式(25)和式(26)中的F′是所述反射點(diǎn)P′的散射光電場(chǎng)強(qiáng)度分量和的常數(shù)項(xiàng)，有：r′是反射點(diǎn)P′距離散射粒子位移，且有：r′＝3a；散射角θ′是以自然光入射方向SO與反射點(diǎn)P′對(duì)應(yīng)的散射光傳播方向P′O之間的夾角；是反射點(diǎn)P′的觀測(cè)角；

利用所述反射點(diǎn)P′的散射光電場(chǎng)強(qiáng)度分量和根據(jù)電場(chǎng)強(qiáng)度矢量與斯托克斯矢量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，散射光的斯托克斯矢量[I_S?M_S?C_S?S_S]^T，有：

式(27)中的E′_sθ和分別是反射點(diǎn)P′的散射光電場(chǎng)強(qiáng)度分量和的矢量大小；

對(duì)所述反射點(diǎn)P′的散射光電場(chǎng)強(qiáng)度分量與進(jìn)行矢量大小比較，以矢量大小較大的散射光電場(chǎng)強(qiáng)度分量所對(duì)應(yīng)的單位方向矢量作為散射偏振光的偏振方向矢量，以散射偏振光的偏振方向矢量表征反射點(diǎn)P′的散射偏振方向；

將所述散射光的斯托克斯矢量[I_S?M_S?C_S?S_S]^T和反射光的斯托克斯矢量[I_R?M_R?C_R?S_R]^T在反射點(diǎn)P′上相互疊加，獲得基于地表菲涅耳反射的多因素大氣偏振光的斯托克斯矢量[I?M?C?S]^T，有：

IMCS=ISMSCSSS+IRMRCRSR---(28)]]>

利用基于地表菲涅耳反射的多因素大氣偏振光的斯托克斯矢量[I?M?C?S]^T和偏振度的定義，獲得反射點(diǎn)P′的偏振度P_P′，有：

PP′=(M2+C2+S2)1/2I---(29)]]>

將所述反射點(diǎn)P′的散射偏振方向矢量和反射點(diǎn)P′的反射偏振方向矢量在反射點(diǎn)P′上相互疊加，獲得基于地表菲涅耳反射的多因素大氣偏振光的偏振方向矢量，以此偏振方向矢量表征基于地表菲涅耳反射的多因素大氣偏振光的偏振方向。