基于Mie散射天空偏振光特性的研究

摘要

近年来天空偏振光的特性及其在仿生导航系统上的应用成为国内外学者的研究热点。光经过地球大气气溶胶的散射在天空形成特定的偏振分布。沙蚁和蜜蜂等对偏振方向极其敏感的视觉神经系统利用太阳光的特定的偏振分布进行导航、定位、觅食、回巢;蜣螂利用月光的偏振分布导航、定位、觅食、回穴;此外，鱼虾，候鸟也都利用大气偏振分布进行地磁导航辅助矫正;偏振光导航较其他导航方式有许多优势。因此对虽然人眼无法感知的偏振光的特性及其分布规律的进行测量与分析的工作具有重要意义。
　　本文利用大气光学的Mie散射理论和Stokes矢量，理论上论述了偏振光产生机理。然后提出基于Stokes矢量和Mueller矩阵的偏振光偏振信息获取方案，搭建了偏振光偏振信息测量系统。利用matlab编程语言进行了编程工作，完成了基于Mie散射理论的偏振光偏振度的计算软件的设计，偏振光测量数据处理软件的设计。其中基于Mie散射理论的偏振光偏振度的计算软件对不同光波，不同大小的气溶胶粒子对光的散射过程进行模拟计算;偏振光测量数据处理软件能够实现对测量数据的分波段处理，能够显示所测偏振光的偏振度、Stokes矢量等，并以图形方式显示偏振光偏振分布。
　　利用该测量系统及数据处理软件，我们对大气偏振光的偏振度进行了大量的测试与处理分析。测量结果表明该测量系统能够有效地获得天空偏振光偏振度的分布。而后分别就不同空间区域的不同光段进行了处理分析，得到了各种情况下的偏振度及分布规律。验证了基于Mie散射理论的偏振光偏振度的计算软件的正确性，偏振光偏振度与光波波长之间的关系。通过上述分析进而讨论了大气偏振光应用于仿生导航的在各种情况下的波长选择。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题依据及意义

1．2 天空偏振光研究国内外现状

1．3 论文主要工作

2 天空偏振光的基本理论

2．1 天空偏振光的产生

2．1．1 大气散射的过程

2．1．2 大气散射的分类

2．1．3 大气Mie散射

2．2 天空偏振光的Stokes描述

2．3 天空偏振光的测量方法

3 基于Mie散射理论的单粒子散射的仿真

3．1 大气层仿真参数的选择

3．2 基于Mie散射散射幅度函数值的仿真计算

3．3 基于Mie散射偏振光偏振度的仿真计算

4 天空偏振光特性的测量

4．1 天空偏振光测量系统的设计

4．2 测量数据处理软件的设计

4．3 测量系统的性能参数

4．4 偏振光偏振特性测量

4．4．1 光源所在空域偏振光偏振特性测量

4．4．2 无光源空域偏振光偏振特性测量

4．4．3 实验数据汇总

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢