天空偏振光时域分布稳定性的实验研究

太阳光在穿过大气层时与大气粒子发生散射作用,形成了稳定的偏振光分布模式,与太阳的位置、观测地点的位置以及不同的大气介质等因素有关。瑞利散射模型描述了偏振光在大气中的分布模式,被广泛的用于研究偏振光与太阳的信息传递关系。本文研究基于瑞利散射模型的天空偏振光时域分布稳定性,设计了一个由偏振图像采集系统和方位对准系统组成的实验平台,实现对天空偏振光分布的长时间测量,解算各时刻的太阳方位角和太阳高度角。以天文学年历计算值为基准,得到太阳方位角误差1.34°(1σ)和太阳高度角误差-2.28°(1σ)作为稳定性参数,结果表明天空偏振光时域分布具有较强的稳定性。本实验拓展学生对天空偏振光和大气散射的认识,激发学生兴趣和创新的精神。     

低太阳高度角条件下的天空偏振模式模拟及大气折射影响研究

为模拟低太阳高度角条件下的天空偏振模式,自主开发了考虑大气球形几何及大气折射效应的辐射传输模式VSPART,并将其运用于漫射光偏振特性仿真.在模式中,基于射线追踪法实现了光线传播轨迹的追踪和入射光偏振态及透过率的计算,基于矩阵算法实现了辐射传输方程的求解.将VSPART模拟结果与基准值、SPDISORT模拟值进行了比较,验证了模型的准确性.在瑞利散射大气和含气溶胶大气条件下,模拟并分析了漫射光偏振度及偏振方向的分布特征,讨论了大气球形几何及折射效应对天空偏振度的影响.结果表明,低太阳高度角条件下,随着波长增加,瑞利散射大气对应的偏振度整体随之增强,中性点向大天顶角方向移动;气溶胶的存在并不改变天空偏振度分布特征,但对偏振方向影响显著,随着光学厚度的增加,天空偏振度值迅速降低;中性点的偏移可能与低阶散射过程紧密相关;大气球形几何和折射效应的主要影响区域为地平线区域、两中性点附近及天顶区域;瑞利散射大气条件下,随着波长增加,大气球形几何及折射效应的影响逐步减弱,特别在中性点附近及天顶区域,其影响逐步消失;随着气溶胶光学厚度的增加,其影响随之增强.     

基于Rayleigh大气偏振模式的太阳空间位置优化计算

为了满足偏振光导航对空间特征点空间位置信息的需求,提出一种基于Rayleigh大气偏振分布模式的太阳空间位置计算方法.首先,从大气光学的Rayleigh散射理论出发,建立了天空中偏振光的分布模型.然后将由大气偏振模式中的有限的采样点信息确定太阳空间位置的问题转化为非线性最小二乘优化问题,采用Gauss-Newton法简化算法结构,结合对初值的全局搜索以获取精确的太阳空间位置.仿真实验表明,在本文设定的采样方式下,不同时间、不同地点下利用偏振度信息求解,太阳高度角误差均小于10-5度,方位角误差小于10-6度;偏振角度求解时,太阳高度角和方位角求解误差均小于10-6度;并且在不同的采样方式下均保持了良好的优化准确度.实验证实该算法准确度高,对各种采样方式适应性好,可以有效地由偏振模式信息处理得到太阳空间位置.     

表面纳米粒子缺陷的偏振散射特性区分

为了区分纳米量级的表面上方颗粒物灰尘与表面下方气泡粒子这两种表面缺陷,且获得该方法的适用环境与最佳观测条件,根据瑞利散射理论结合偏振双向反射分布函数,建立了两种表面缺陷的偏振散射模型并进行了验证。在此基础上,通过仿真分析得到不同缺陷环境、不同观测条件对两种表面缺陷粒子偏振散射特性的影响。结果表明:利用p偏振光入射表面,而后探测p偏振光的双向反射分布函数值随散射方位角的变化趋势可区分两种表面缺陷;无论表面下方气泡粒子位置如何改变,均不影响该趋势的变化情况;不同光学元件表面材料、缺陷粒子种类、缺陷粒子大小对两种表面缺陷的偏振散射模型有一定影响,但整体趋势不变。实验中,针对本文所述两种表面缺陷进行区分时,可选取入射角度和探测散射角度均为45°,采用较小波长入射光进行实验。     

紫外光通信中基于大气散射理论的传输模型

在研究单次散射模型的基础上, 针对单次散射模型不能对天气变化对紫外光信号造成的影响做出模拟的不足, 结合大气散射理论构建了紫外光传输的二次散射模型。研究了瑞利散射和米氏(Mie)散射在四种典型天气条件下的散射相函数, 仿真得出了紫外光被大气中的粒子散射后的能量分布情况, 将其引入二次散射模型, 并确定了各种天气条件下的散射粒子浓度后对紫外光通信系统做出性能仿真。计算结果表明, 二次散射模型可以仿真不同的天气条件下的紫外光通信系统的性能, 从仿真结果上验证了非直视通信的可实现性。并得出, 在雨、雾天气下, 紫外光信号衰减剧烈, 接收仰角不可过大; 在天气晴好时, 能更好的实现紫外光非直视通信, 接收仰角可达到180°。长距离通信时, 天气状况变化对通信性能影响更大。     

基于大气偏振模式全局特征的中性点识别方法

中性点是大气偏振模式的重要分布特征之一,在偏振光导航、大气环境监测、遥感探测等方面具有重要价值。在分析大气偏振模式的偏振度分布特性和中性线分布特性的基础上,提出了两种中性点检测识别方法,实现了对中性点的自动识别。实验结果表明,两种方法均实现了对实际大气偏振模式中性点的识别。其中,基于中性线相交特性的中性点识别方法具有较高的精度;基于偏振度分布的中性点识别方法具有较好的稳定性,在正午时分,优于基于中性线相交特性的中性点识别方法。综合运用两种方法,可以进一步提高对中性点的检测与识别精度。     

多分散高浓度介质偏振光后向扩散散射的Monte Carlo仿真

建立了针对多分散高浓度介质偏振光后向扩散散射的Monte Carlo仿真模型，导出了多分散 系统的有效自由程分布函数. 给出了半径为50nm与550nm及其三种不同体积浓度比混合的聚 苯乙烯微球作为散射粒子的高浓度介质的仿真结果. 定性地分析了多分散介质偏振光后向扩 散散射的光强空间分布特征与粒子的体积浓度比的关系. 关键词： 后向扩散散射 偏振光 多分散高浓度介质 Monte Carlo仿真     

晴朗天气下满月偏振模式的研究

研究晴朗天气条件下满月天空偏振模式,分析并探索太阳光和月光天空偏振特性的分布规律。对夜间光源进行分析,以Rayleigh散射理论为基础对满月天空偏振模式进行了仿真。利用成像式全天空偏振光测试系统对太阳光、暮光和满月月光的天空偏振模式进行了测试,通过偏振模式中的特殊点——中性点和子午线方向进行对比分析。结果表明:晴朗天气下满月偏振模式与仿真结果基本一致,符合Rayleigh散射理论;暮光偏振模式同时受到月光和太阳光的影响;当太阳高度角和月亮高度角相近时,太阳光和月光分布规律是相似的;光强大小并不改变天空光偏振模式的分布规律和偏振度的大小。     

双波长米散射激光雷达探测对流层气溶胶消光特性

新近研制了一台基于532和1 064 nm的双波长米散射激光雷达(dual-wavelength lidar,简称DWL),用于探测对流层大气气溶胶可见和红外波段的消光特性及其时空分布,同时用于粒子尺度谱垂直分布特征的研究。系统采用4个通道分别用于接收对流层下部和中上部532及1 064 nm的大气回波信号,有效地缩短了获取大气信息的时间。采用窄带滤光片,并借助光阑,将接收的激光大气回波信号谱线(米散射和瑞利散射光谱)从天空太阳背景噪声中分离,提高系统的白天探测能力。叙述了雷达系统的总体结构和技术参数以及数据处理方法。利用该雷达对合肥地区(117.16°E, 31.90°N)上空的气溶胶进行了探测。给出了对流层大气气溶胶532及1 064 nm消光系数的垂直廓线及其时空分布典型探测结果。分析了气溶胶波长依赖指数的空间垂直分布。讨论了对流层大气气溶胶光学厚度月变化。观测和分析结果表明,双波长具备昼夜连续观测对流层大气气溶胶的能力,可以很好的反映气溶胶粒子的时间和空间分布特征。     

光子偏振度受大气散射影响的分析

采用矩阵形式描述光子的偏振态和大气散射理论, 分析了“BB84协议”中四个不同偏振光子经单次散射后光子的偏振度与前向散射角的关系。发现单次散射不改变偏振光子的总偏振度, 但改变偏振光子的线偏振度与圆偏振度, 尤其对垂直偏振光子的线偏振度与圆偏振度改变明显; 当前向散射角小于0.25 rad时, 四个不同偏振光子的线偏振度基本保持不变, 量子信息仍然保持; 同时分析了大气散射对不同波长的垂直偏振光子线偏振度的影响, 发现长波光子偏振度保持度高。     

利用大气偏振模式确定姿态参数的方法

为了满足无人飞行器自主导航对姿态参数提取的需求,提出一种利用大气偏振模式稳定性分布的特征提取飞行器俯仰角和滚转角的方法.从刻画大气光学传输特性的Rayleigh散射理论出发,建立了天空偏振光分布的理论和实测两种模式.利用优化算法,从偏振信息中提取出导航用的天空特征点——太阳空间位置,并利用太阳和天顶固定的时空关系,获取天顶点位置信息.利用天顶点坐标建立姿态变换矩阵,解算俯仰角和滚转角大小.通过模拟飞行器控制台,利用理论和实测两种偏振模式数据分析验证,解算的俯仰角均方根误差分别为0.002°和0.0031°,滚转角均方根误差分别为0.0236°和0.0227°.该偏振方法获取姿态参数时计算简单,解算精确度高.     

群体粒子场圆偏入射光侧向散射的角分布实验研究(英文)

对圆偏振光入射到群体粒子场时侧向散射光随角度分布的特性进行了实验研究,散射介质为直径0.065μm和1.24μm的粒子与过滤的蒸馏水所构成的不同浓度的悬浮液。实验结果表明,粒子侧向散射光的各种成分在探测平面内相对散射角度始终呈现对称分布的规律,而随着粒子尺寸、浓度、探测深度的变化,散射光强也相应出现变化,但变化不明显。     

紫外激光雷达后向散射光强的模拟计算

根据瑞利散射和米散射理论建立了大气散射的模型,确定了米散射和瑞利散射的体角散射系数的计算公式,讨论了大气对激光任意方向的散射强度及散射光的偏振特性。对于波长为266nm的紫外光,通过仿真计算得到相应条件下的大气分子和气溶胶的后向散射系数及后向散射比,并对计算结果进行了分析。结果表明紫外波段具有散射强度大,抗干扰性强等优点,可以用于近距离的大气分子探测。通过对近距离探测大气的脉冲激光雷达的大气后向散射光强的仿真计算,合理的设置小孔光阑的参数,解决近端较强散射光的问题。这些仿真研究对紫外激光雷达系统的设计提供了指导。     

基于时域有限差分法的非球型气溶胶和卷云粒子散射特性研究

本文选取3种气溶胶粒子和3种卷云粒子,利用时域有限差分法,对椭球型气溶胶粒子和六棱柱卷云粒子在不同波长下散射相位函数进行了仿真分析,并讨论了入射方向对粒子散射特性的影响。仿真结果表明,尺寸参数较小时散射相位函数变化较平稳,尺寸参数较大时曲线出现震荡,且随尺寸参数增大震荡剧烈;粒子单次散射能量主要集中在前向散射,随散射角增大呈指数下降;气溶胶粒子散射相位函数在90~150°之间出现明显的波谷;卷云粒子散射相位函数一般不出现明显波谷。当入射角度改变时,气溶胶粒子在整个0~180°之内的散射相位函数都有101数量级的变化,卷云粒子则在0~90°前向散射内保持稳定。本文的研究方法和结论可以为研究天空偏振光模式的形成机理和变化规律提供参考。     

偏振门用于对散射介质成像的蒙特卡罗模拟研究

通过蒙特卡罗模拟研究偏振光在散射介质中的传播,对通过散射介质的偏振光的强度分布进行模拟,分析了偏振门和空间滤波对成像的影响.模拟结果表明,对于Rayleigh散射体,偏振门与空间滤波可以减小散射光的影响,提高图像对比度,圆偏振光入射比线偏振光具有更高的对比度.对于Mie散射粒子,偏振门的作用有限,不同偏振光的结果差别不大.对双组分的散射介质也进行了模拟,偏振门在这种体系中仍能提高图像对比度.     

基于Mie散射理论的C@H_2O复合粒子散射特性研究

大气中大量存在的复合粒子会对激光传输效率产生很大影响。由于空气中水蒸气含量较高,以C作为凝结核外层包裹以水的核壳结构微粒对光传输具有明显的散射效应。本文应用Mie散射理论对C@H_2O核壳结构微粒的散射特性进行了理论分析和数值计算,首先给出了不同入射波长、核粒子半径以及水膜厚度条件下散射强度分布变化曲线;其次给出了不同入射波长、核粒子半径以及水膜厚度条件下偏振变化情况;最后讨论了光学截面与粒子半径之间的关系。结果表明各参数对前向散射强度影响较大,入射波长越大散射强度越弱,C核半径增大粒子的前向散射增强,水膜厚度增大粒子的前向散射增强,而后向散射无明显影响;入射波长较大时,粒子在多个角度出现线偏振光,入射波长增大、碳核半径变大、水膜厚度增大,偏振度峰值都会增多;随着入射波长的增大,散射截面最大峰值位置向着半径增大的方向移动,并伴随一定的振荡现象,散射和消光截面在碳核半径为0.1μm左右达到最大值。     

沙尘气溶胶粒子模型的线退偏比特性

利用离散偶极子近似法研究了旋转椭球体沙尘气溶胶粒子模型在尺度参数变化范围为0.1~23时(波长0.55μm对应有效半径为0.01~2μm)的线退偏比特性。通过分析比较不同轴半径比时线退偏比特性的差别,研究了粒子非球形性程度对单分散和多分散沙尘气溶胶粒子退偏比特性的影响。对单分散系,旋转椭球体沙尘气溶胶的线退偏比在瑞利散射区和米散射区随散射角的变化有不同的分布特征;在瑞利散射区,散射角分别为0°和180°的前后向散射方向,线退偏比较小,其值在1%的量级,而在散射角为90°附近的侧向,线退偏比有最大值,可达100%;在米散射区,线退偏比则无明显的极值分布,但有明显的后向增强;单分散沙尘粒子明显的非球形性特征,会增加在瑞利散射区的线退偏比,但却不会明显增加米散射区的线退偏比。而对多分散系,除了出现线退偏比最大值的侧向附近(80°~100°)之外,沙尘粒子非球形性特征越明显,其线退偏比越大。     

偏振光大气传输的前向散射新模型

建立了偏振光空间传输前向散射的物理模型。对各向同性散射介质,在非相干性假设条件下,导出了偏振光双散射和多散射前向散射的有效Mueller矩阵,给出了偏振光Mie散射前向有效Mueller矩阵各矩阵元之间的对称性关系,即Mueller矩阵的16个矩阵元中只有7个是独立的,其他9个矩阵元通过组合及一定角度的旋转即可得到。利用Monte Carol方法模拟了偏振光在空间传输10km的前向散射的有效Mueller矩阵,模拟结果表明各矩阵元存在一定的对称性关系,与基于本模型导出的偏振光前向散射的有效Mueller矩阵元具有较好的一致性。     

冰云对天空偏振模式的影响

不同冰云条件对以偏振模式为导航信息源的偏振导航影响较大,为探究冰云大气相关参数（冰晶粒子形状、有效半径、冰水含量以及光学厚度等）对天空偏振模式的影响,建立了基于蒙特卡罗法的矢量传输模型,利用libRadtran模拟了实际冰云大气辐射传输过程,分析了不同冰云大气相关参数对天空偏振模式的影响,并通过图像式测试系统,实地测试了大连地区10组实际大气条件下天空偏振模式随冰云大气相关参数的变化情况。结果表明：冰晶粒子形状对冰云大气偏振度影响较大,对冰云大气偏振方位角影响较小。并且冰云大气偏振度随有效半径的增大而增大,随光学厚度和冰水含量的增大而减小,后逐渐趋于稳定的状态。在不同日期同一时刻下,大连地区实际冰云大气偏振度变化规律与仿真基本一致,验证了本文方法的有效性,为偏振导航的在实际冰云大气条件下的工程应用提供了理论支撑。     

水汽探测拉曼激光雷达的新型光谱分光系统设计与分析

提出并设计了一套新型的大气水汽和气溶胶探测用紫外域拉曼激光雷达系统, 以二向色镜和超窄带滤光片构成高效率拉曼光谱分光系统, 实现激光雷达大气回波信号中米-瑞利散射信号、 氮气和水汽的振动拉曼散射信号的精细分离和高效率提取. 利用美国标准大气的分子散射模型和实测的大气米散射信号模型, 对分光系统的米-瑞利散射信号的抑制率、大气水汽测量的信噪比和误差进行数值仿真设计. 搭建实验系统对西安地区夜间的大气水汽进行实验观测, 并利用有云天气下实测的激光雷达回波信号, 反演获得大气后向散射比和水汽混合比的相关特性, 验证了该拉曼光谱分光系统对米-瑞利信号的抑制率达到10^-7以上量级. 理论和实验结果表明, 设计的新型拉曼光谱分光系统可以在大气后向散射比为17时, 实现水汽探测误差小于15%, 满足拉曼激光雷达系统对大气水汽的高效率探测. 关键词： 拉曼激光雷达 水汽混合比 大气后向散射比