[發明專利]一種波浪水面天空漫反射光偏振場模擬方法

有效

• 申請號: 201310565425.2
• 申請日: 2013-11-14
• 公開（公告）號: CN103940515A
• 公開（公告）日: 2014-07-23
• 發明（設計）人: 周冠華;趙慧潔;邢健;徐武健;牛春躍
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01J4/02
• 分類號: G01J4/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

（一）所屬技術領域

本發明涉及一種波浪水面天空漫反射光偏振場模擬方法，屬于光學遙感領域，在水色遙感技術研究和偏振遙感應用以及水生生態學研究方面具有重要意義。?

（二）背景技術

在自然界，水面是一個天然的起偏器。水面反射過程顯著地改變了太陽入射光與天空漫散射光的偏振態。在遙感應用領域，通過水面傳感器所接收的反射光的偏振態可以推斷波浪表面的幾何結構特征與粗糙度信息。另外還可以根據場景內偏振態的差異進行水面目標的探測與識別。為此，必須對水面反射光的偏振態進行精確計算。對于入射到水面的太陽直射光，通常認為是非偏振光，其經過靜止水面偏振態的改變可用菲涅爾反射定律加以描述，計算過程簡單。但對于天空散射光，當入射到水面時，其來自于整個上半球空間而不是一個特定的角度，計算過程相對復雜。此外，天空光為部分偏振光，其偏振特性與大氣狀況，氣溶膠含量等多種因素密切相關，難以定量描述。自然水體通常為起伏表面，因此來自不同方向的天空光入射到具有不同坡度與坡向的波浪表面，其偏振態的改變是一個非常復雜的問題。目前國內外現有的研究只停留在靜止水面天空漫反射光的偏振模式，而缺乏對波浪情形的科學描述。?

在水生生態學領域，大量的昆蟲利用大氣的偏振場信息與水面反射光的偏振信息而不是光的強度信息進行導航、撲食或逃生。尤其是在自然界部分線偏振光的主要光源是從水表面反射的。因此水面的反射偏振場分布模式在水生昆蟲棲息研究中也占有非常重要的地位。?

（三）發明內容

本發明涉及一種波浪水面天空漫反射光偏振場模擬方法。技術解決方案是：通過建立天空光偏振場半球型模型，由光學幾何參數經過推導得到天空光偏振狀態，再由天空光的偏振狀態得到波浪水面反射天空光的偏振狀態。其具體步驟如下：?

（1）建立描述天空光偏振場的天球坐標系統；?

（2）在天球坐標系統中給定太陽點位置與觀測點位置；?

（3）根據步驟（2）給定的太陽點位置與觀測點位置，在球面幾何中計算天空觀測點到?太陽的角距離,即散射角；?

（4）根據半分析瑞利散射模型計算任意點天空光的偏振度；?

（5）根據步驟（2）中設定的太陽點位置和天空觀測點位置的坐標，通過向量的方法解算天空光的偏振角；?

（6）計算波浪水面天空漫射光的偏振反射率；?

（7）根據步驟（6）得到的入射光水平方向和垂直方向的偏振反射率，計算水面反射天空光偏振度；?

（8）根據步驟（4）得到的天空光的偏振度，結合STOKES矢量以及三角函數關系求出水面反射天空光的偏振角，從而實現水面反射天空光的偏振狀態的解算。?

1根據權利1要求所述的一種波浪水面天空漫反射光偏振場模擬方法，其特征在于：步驟（1）中所述的“建立描述天空光偏振場的半球型系統”，要求在坐標系統中包含坐標原點O、太陽點位置S、天空觀測點位置P，還標示出天空觀測點所在子午圈、太陽點所在子午圈以及過P點且與散射面垂直的E矢量。?

2根據權利1要求所述的一種波浪水面天空漫反射光偏振場模擬方法，其特征在于：步驟（2）中所述的“在天球坐標系中給定太陽點位置與觀測點位置”，太陽點位置用太陽天頂角與太陽方位角描述，觀測點位置用觀測天頂角與觀測方位角描述；用戶可以任意設定太陽天頂角與觀測天頂角，其取值范圍為0°～90°；用戶可以任意設定太陽方位角與觀測方位角，其取值范圍為0°～360°。?

3根據權利1要求所述的一種波浪水面天空漫反射光偏振場模擬方法，其特征在于：步驟（3）中所述的“根據步驟（2）給定的太陽點位置與觀測點位置，在球面幾何中計算天空觀測點到太陽的角距離,即散射角”，具體計算過程如下：?

cosγ=cosθ_scosθ_v+sinθ_ssinθ_vcosφ?

其中，θ_s為太陽天頂角，θ_v為觀測天頂角，φ為觀測點與太陽的相對方位角，即觀測點與太陽子午圈的角距離，γ為天空觀測點P到太陽S的角距離，即散射角。。?

4根據權利1要求所述的一種波浪水面天空漫反射光偏振場模擬方法，其特征在于：步驟（4）中所述的“根據半分析瑞利散射模型計算任意點天空光的偏振度”，具體計算過程?

如下：?