一种偏振光在火星沙尘暴中传输的蒙特卡洛计算方法

摘要

本发明公开一种偏振光在火星沙尘暴中传输的蒙特卡洛计算方法，具体按照以下步骤实施：步骤1，在仿真过程中，确定入射光初始状态；步骤2，确定进入介质的光子每碰撞一次光子的位置；步骤3，确定散射角α、方位角β；步骤4，光子散射追踪及偏振态处理；步骤5，根据终止条件终止光子的追踪及确认总的偏振光的状态。该方法解决了计算中使用离散随机介质的平均物理特性的问题，为未来改善火星光学探测设备性能以及火星上无线激光通信提供理论支撑。

说明书

技术领域

本发明涉及火星大气成分光学探测技术领域，具体涉及一种偏振光在火星沙尘暴中传输的蒙特卡洛计算方法。

背景技术

火星是一个易发沙尘暴的类地行星，沙尘暴是火星上的主要气候之一，基本上每十年就会发生一次全球性的沙尘暴，火星复杂的大气环境会导致火星上的风速、沙尘的垂直分布以及沙尘暴的规模与地球不同。火星沙尘粒子会对入射到火星地表的太阳光进行吸收和散射作用，严重影响火星地表的热结构，进而影响火星光学探测以及未来火星上无线光通信的性能，而作为星地之间信息纽带的重点角色—通信系统，研究火星沙尘粒子对无线激光通信的影响是至关重要的。

偏振光在大气中进行传输时，会被大气中的各种各样的气溶胶粒子散射吸收，还会被背景辐射影响，这就对激光造成很多干扰，不仅能量遭到衰减、分布被破坏，而且相关物理性质也会发生改变，这就严重影响了激光能量的传递和携带信息的准确性，对于光通信、目标识别与跟踪、光电武器等对信息要求较高的领域产生不少不良影响。在火星探测领域，若是激光雷达，气溶胶对激光的衰减使激光作用的有效距离减短，无法持续有效的追踪探测火星地形和环境，为研究火星是否存在生命运动等信息造成巨大难点；

偏振光因其特有的性质，被广泛运用到探测领域，未来我国的火星探测也将装备偏振探测装置。入射偏振光与散射介质发生碰撞后，除了光强、运动方向会发生改变，激光的偏振态也会随之发生改变。

火星大气环境恶劣，而火星沙尘暴成为影响火星光学探测的主要因素。目前在大气辐射学里面，蒙特卡洛方法是模拟偏振光传输最成熟的方法之一，对多重散射使用蒙特卡洛模拟的方法提出了一种改进。放弃原来使用离散随机介质的平均物理特性，而是根据其尺寸分布，对每一次碰撞散射的光子进行随机抽样，这样在仿真过程中更符合实际情况。

发明内容

本发明的目的是提供一种偏振光在火星沙尘暴中传输的蒙特卡洛计算方法，解决了计算中使用离散随机介质的平均物理特性的问题，为未来改善火星光学探测设备性能以及火星上无线激光通信提供理论支撑。

本发明所采用的技术方案是，一种偏振光在火星沙尘暴中传输的蒙特卡洛计算方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，在仿真过程中，确定入射光初始状态；

步骤2，确定进入介质的光子每碰撞一次光子的位置；

步骤3，确定散射角α、方位角β；

步骤4，光子散射追踪及偏振态处理；

步骤5，根据终止条件终止光子的追踪及确认总的偏振光的状态。

本发明的特征还在于，

步骤1中，入射光初始状态包括光子的初始位置坐标(x,y,z)，运动方向坐标、偏振态权重和Stokes矢量参数确定偏振态。

步骤2的具体实施方式如下：

确定好光子初始位置，将偏振光入射，每碰撞一次光子位置的移动公式如下：

其中，x',y',z'为未碰撞之前光子位置的坐标值，μ

步骤3的具体实施方式如下：

步骤3.1，假设入射波的Stokes矢量为S

p(α,β)＝m

式中，α为散射角；β为方位角；I

m

S

步骤3.2对于产生非均匀分布的随机变量，这里使用“舍选抽样”法，对式(2)中的两个随机变量，先均匀抽样α

步骤4的具体实施方式如下：

步骤4.1，以散射粒子为坐标原点O建立坐标系，入射波方向为OA，散射波方向为OB，则散射平面为OAB，C为以O,A,B三点构成的单位圆与z轴的交点，COB与COA表示散射前后的两个子午面；

步骤4.2，从入射子午面旋转到散射面OAB，就是将子午面的Stokes参数旋转到散射面入射OAB,入射Stokes参量S与旋转矩阵

步骤4.3，散射面OAB上的变换，将Stokes参量在A点转移到B点，参考面不变，转换矩阵为Mueller矩阵

当|u

其他情况，

步骤4.4，由散射面OAB回到新的子午面，达到最后目标，此时的旋转矩阵为

若β∈(π，2π)，上式取正号；若β∈(0，π)，上式取负号；

最终的散射后的Stokes参量S

其中，

步骤5中，两种情况下终止光子的追踪：第一是光子逃逸出界面；第二是生命权重W小于设定值；Stokes参量同能量统计一样可以相加，是一个统计结果，所以最后总的偏振光的状态为：

式中，

本发明的有益效果是：

(1)本发明方法目的是对偏振光在火星沙尘暴中的传输特性进行研究，可以分析火星沙尘粒子散射系数、吸收系数和不对称因子随粒径尺寸的变化关系，利用偏振蒙特卡洛方法模拟了偏振光在火星大气中的多重散射，通过计算可以分析波长、粒径分布、风速、高度、粒子数浓度对偏振光传输特性的影响。

(2)本发明方法采用相对标量蒙特卡洛，矢量的蒙特卡洛模拟与其有几个非常重要的修改。一是在理解上不再拘泥于光子能量的追踪，还要加上对偏振等能量的追踪。二是在散射角的随机选取上，需要在另外的函数进行散射角和方位角的关联舍选抽样。三是在单次散射的坐标转换上，需要对光子的偏振态进行的三步转换。

(3)本发明方法解决了计算中使用离散随机介质的平均物理特性的问题，通过研究偏振光在火星沙尘暴中的传输特性，找出它们的变化规律，不仅可以进行相应补偿，也可以根据变化规律获得相关的有用信息，为未来改善火星光学探测设备性能以及火星上无线激光通信提供理论支撑。

附图说明

图1是本发明一种偏振光在火星沙尘暴中传输的蒙特卡洛计算方法的流程图；

图2是本发明方法中散射面与子午面的坐标图；

图3是本发明方法中入射子午面旋转到散射面坐标转换图；

图4是本发明方法中A点转移到B点坐标转换图；

图5是本发明方法中散射面旋转到子午面坐标转换图；

图6是仿真实验中不同风速下在粒子半径为r

图7是仿真实验中不同风速下在粒子半径为r

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供一种偏振光在火星沙尘暴中传输的蒙特卡洛计算方法，如图1所示，具体按照以下步骤实施：

步骤1，在仿真过程中，确定入射光初始状态；

步骤1中，入射光初始状态包括光子的初始位置坐标(x,y,z)，运动方向坐标、偏振态权重和Stokes矢量参数确定偏振态。

步骤2，确定进入介质的光子每碰撞一次光子的位置；

步骤2的具体实施方式如下：

确定好光子初始位置，将偏振光入射，进入介质的光子会因与粒子产生碰撞而改变传播方向并产生移动步长L，移动步长L后光子依旧存在的几率用exp(-μ

其中，x',y',z'为未碰撞之前光子位置的坐标值，μ

步骤3，偏振蒙特卡洛中对散射角α和方位角β的选择也非常重要。这两个角的获得要在相函数抽取的基础上多加一步“舍选抽样”的过程，通过比较P

步骤3的具体实施方式如下：

步骤3.1，假设入射波的Stokes矢量为S

p(α,β)＝m

式中，α为散射角；β为方位角；I

m

S

步骤3.2对于产生非均匀分布的随机变量，这里使用“舍选抽样”法，对式(2)中的两个随机变量，先均匀抽样α

步骤4，光子散射追踪及偏振态处理；将散射角α与方位角β成功选取后，还需要对Stokes参量进行转换，首先需要从入射子午面旋转到散射面，再在散射面进行两点转动参考面不变，最后再由散射面到出射的新的子午面，通过这三步转换完成散射后的Stokes参量

步骤4的具体实施方式如下：

步骤4.1，如图2所示，其中我们以散射粒子为坐标原点O建立坐标系，入射波方向为OA，散射波方向为OB，则散射平面为OAB，C为以O,A,B三点构成的单位圆与z轴的交点，COB与COA表示散射前后的两个子午面；

步骤4.2，如图3所示，从入射子午面旋转到散射面OAB，就是将子午面的Stokes参数旋转到散射面入射OAB,入射Stokes参量S与旋转矩阵

步骤4.3，如图4所示，散射面OAB上的变换，将Stokes参量在A点转移到B点，参考面不变，转换矩阵为Mueller矩阵

当|u

其他情况，

步骤4.4，如图5所示，由散射面OAB回到新的子午面，达到最后目标，此时的旋转矩阵为

若β∈(π，2π)，上式取正号。若β∈(0，π)，上式取负号。

最终的散射后的Stokes参量

其中，

步骤5，根据终止条件终止光子的追踪及确认总的偏振光的状态。

步骤5中，两种情况下终止光子的追踪：第一是光子逃逸出界面；第二是生命权重W小于设定值；Stokes参量同能量统计一样可以相加，是一个统计结果，所以最后总的偏振光的状态为：

式中，

仿真如下：

根据总的偏振光的状态可以计算不同高度、粒子浓度随传播距离的退偏程度变化；选取人眼最为敏感的入射波长0.55m(绿光)，对应的复折射率为1.52+0.007i，计算并分析不同高度、粒子浓度对偏振光在火星沙尘暴中的影响,沙尘环境中不同的沙尘粒子是通过有效半径r

通过研究不同高度、粒子浓度对偏振光在火星沙尘暴中的传输的影响，找出了传输距离与退偏度成正比、当粒子浓度相同时，粒径小的退偏更严重以及风速越小，粒子数浓度越大的规律，不仅可以进行相应补偿，也可以根据变化规律获得有用信息，为未来改善火星光学探测设备性能以及火星上无线激光通信提供支撑。