基于矢量辐射传输的天空偏振特性研究

摘要

太阳光是自然光，光是一种电磁波，电磁波在传输过程中经过大气分子、气溶胶粒子、云等的散射吸收以及下垫面的吸收反射，产生了偏振特性。偏振特性是光的重要特性之一，天空偏振特性的研究在偏振导航、大气遥感探测等许多领域有着极大的作用，是国内外研究的热门课题。为了研究多种因素对天空偏振特性的影响，分析实际大气状况下的天空偏振特性，本文基于矢量辐射传输进行了天空偏振建模，模拟分析了多种因素对天空偏振特性的影响，并测试分析了实际大气条件下的天空偏振特性，为天空偏振特性的实际应用提供了理论支持和实验数据。 首先，本文从大气辐射传输理论出发，阐述了大气介质对辐射传输的散射理论，分析了天空偏振特性的产生原因，着重描述了大气矢量辐射传输方程。利用蒙特卡罗原理通过数值模拟解算方程，同时结合大气模式、气溶胶模型、云参数等，介绍了以矢量辐射传输方程为理论基础的天空偏振建模方法。 其次，本文利用基于矢量辐射传输方程的天空偏振模型，仿真分析了大气模式、地表反照率、气溶胶模型、水云等对天空偏振特性的影响。结果表明，大气模式对偏振特性没有影响；地表反照率的变化对偏振方位角无影响，偏振度随着地表反照率的增强而下降；偏振度随着不同气溶胶模型所含组分浓度的升高而不断减小，随着气溶胶光学厚度的增大而不断下降，但是气溶胶对偏振方位角基本没有影响；水云很大程度的影响偏振特性的分布，水云会破坏偏振方位角的分布，也会衰减偏振度的数值，随着水云光学厚度的增大，偏振度快速下降。 最后，本文利用图像式天空偏振特性测试系统，进行了若干次测试实验，通过数据处理分析研究了气溶胶、云等对天空偏振特性的影响规律。研究结果表明：偏振度以太阳为中心呈环状分布，沿太阳子午线先增大后减小；偏振方位角分布稳定，在太阳子午线上为±90度，这和仿真结果一致。偏振度随PM10和PM2.5的浓度增大而减小，云层也会减弱偏振度并破坏其环状分布。偏振方位角基本不受气溶胶和少量云的影响，但太阳附近的偏振方位角由于过曝光的原因会引起数值界限不清晰。

目录

声明

1 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文主要内容

2 大气辐射传输及天空偏振特性

2.1 大气辐射传输

2.1.1 Rayleigh 散射和Mie散射

2.1.2 矢量辐射传输方程

2.2 天空偏振特性的数学表征

2.3 天空偏振特性的测量原理

2.4 本章小结

3 基于矢量辐射传输的天空偏振建模

3.1 参考坐标系

3.2 天空偏振建模的影响因素

3.3 基于蒙特卡罗法的矢量辐射传输模型

（1）蒙特卡罗法

（2）矢量辐射传输模型

3.4 本章小结

4 不同影响因素下天空偏振特性的仿真分析

4.1 分子大气浓度对偏振特性的影响

4.2 地表反照率对偏振特性的影响

4.3 大气气溶胶对偏振特性的影响

4.3.1 气溶胶浓度对偏振特性的影响

4.3.2 气溶胶光学厚度对偏振特性的影响

4.4 水云光学厚度对偏振特性的影响

4.5 本章小结

5 实际大气条件下的天空偏振特性测试分析

5.1 天空偏振特性测试系统

5.2 天空偏振特性的实际测试分析

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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