水云条件下大气偏振特性研究及其模拟分析

研究了水云光学特性对大气偏振特性的影响,对水云条件下大气偏振模式进行了仿真。使用基于蒙特卡罗法的矢量辐射传输模式,模拟350~700nm波长下大气偏振特性随水云的光学厚度、有效半径的变化趋势。通过计算450nm波长处不同太阳高度角下的全天空离散点的Stocks矢量,对水云下大气的偏振分布模式进行研究,并与晴朗大气下的天空光偏振度和偏振方位角模式进行分析比对。结果表明,波长越大,偏振度随水云光学厚度增大而减小的趋势越明显。随着有效半径的减小偏振度有一定程度的减小,但对短波波段影响较小。随着太阳高度角的增大,天空可探测区域整体偏振度下降。天空光的偏振度近0区域,会对其附近偏振方位角的准确性产生一定影响。水云天气下的大气偏振分布研究为偏振光导航传感器的实际应用提供了理论基础。     

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.     

地表反照率对天空偏振模式的影响

研究了地表反照率对天空偏振模式的影响。针对目前缺乏实际环境下不同时间、不同地点单一影响因素的定量测试研究,先运用libRadtran二次开发软件,仿真分析不同地表反照率下的天空偏振模式,然后利用图像式测试系统,分别在草地和沥青地表、海洋和沥青地表进行同步异地测试,定量分析地表反照率对偏振方位角和偏振度的影响。结果表明:地表反照率对偏振方位角分布基本没有影响,分布始终稳定;而地表反照率对偏振度数值有较大的衰减作用,在同一天内同一时刻下,地表反照率越大,最大偏振度值越小;地表反照率相差越大,最大偏振度值的平均减小量越多,最大偏振度值减小的幅度越大。     

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。     

湿度影响下的气溶胶粒子的偏振特性

气溶胶散射特性对大气辐射和气候研究具有重要意义。为研究气溶胶在不同相对湿度下的散射特性,根据Mie散射理论建立了湿度偏振模型,在0.55μm的可见光下,分析比较了3种气溶胶的单粒子和粒子群在不同相对湿度下的偏振特性。结果表明,相对湿度变化对气溶胶偏振度有规律性的影响,尤其在120°～150°的后向散射角区域,3种粒子偏振度都随相对湿度的增大而增大,说明了部分后向散射角上散射光偏振度能有效反映气溶胶粒子随相对湿度变化的信息。     

气溶胶散射特性及其影响下大气偏振模式变化分析

气溶胶光学特性及其分布位置直接决定了偏振模式的外观形态及变化。文章以偏振光在气溶胶粒子中发生的米氏多次散射理论为基础,采用蒙特卡罗过程仿真、选取气溶胶特征参数半查找表的科学研究方法,对比分析337nm、514nm、1536nm三个波长分别在同温层、大陆层、近地层气溶胶出射时的大气偏振模式变化幅度和规律。模式仿真结果显示紫外波段在近地层气溶胶作用下消失,蓝绿波段相对稳定、尺度分布宽泛,红外波段的穿透性明显强于其他两个波段、起偏剧烈;统计分析构建模式中每个点的偏振度发现每个波段都有各自的稳定区间,模式中偏振度衰减或起偏均趋向于这个区间值。这为已知大气背景模式下,选取合适波段探测目标偏振扰动提供了一定的参考依据。     

利用CALIPSO卫星数据对大气气溶胶的去偏振度特性分析研究

应用CALIPSO(Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation)卫星数据,对大气中的气溶胶等目标进行了去偏振度计算及分析.结果表明,目标后向散射去偏振度信息,能够很好表征大气气溶胶的构成种类、目标特征、垂直高度分布等特性.气溶胶的去偏振特性,为大气气溶胶的特性与分布情况等研究提供了新的方法与定量化参考参数.CALIPSO数据研究方法和结果,对全球气候变化原因、大气污染、沙尘暴等研究有重要的参考价值.     

黄海海域天空光偏振分布仿真与测试

研究了黄海海域的天空光偏振分布模式,分析了海洋上空日光和月光的偏振特性分布规律以及云层对其产生的影响。基于瑞利散射理论对日光和月光的偏振分布模式进行仿真,利用图像式全天空偏振模式测试系统对黄海海域的天空偏振模式进行测试,分别将日光和月光的偏振测试结果与对应的理论仿真结果进行对比,并重点分析子午线方向和中性点的异同。结果表明:测试得到的日光和月光的子午线方向与对应的理论模式基本一致;测试得到日光的偏振模式中性点与理论仿真结果基本相同,但是测试得到月光的偏振模式中性点与理论仿真结果明显不同,在民用暮光阶段,天空光的偏振模式会受到月光和日光的双重影响。此外,云层会影响偏振方位角和偏振度的观测,致使测试仪器目前无法识别部分区域的偏振分布结果。     

观测几何对大气偏振光谱的影响

研究大气偏振光谱在太阳天顶角SZA、观测天顶角VZA和相对方位角RAA构成的观测几何变化时的特征。采用离散坐标法求解大气矢量辐射传输方程,结合真实大气环境与结构参数,以MODTRAN太阳参照光谱仿真大气层顶初始光谱,考虑下垫面反照、气溶胶垂直分层与成分混合比及痕量气体吸收的影响,仿真计算相对方位角为0°和90°时0.4~3 μm波段大气偏振光谱,丰富大气偏振光谱信息。仿真结果表明：(1)相对方位角为0°时,偏振度DoP和Q/I随SZA的变化分别呈“V形”和倒“U”形, U/I很微弱,量级低于10-7,V/I在任何观测几何下都很微弱;(2)晨暮时段,若太阳不在视场内,大气偏振度在波长0.51和2.75 μm附近为极大值,在1.5 μm附近为极小值。因此,在不同的观测几何条件下,选择相应的波段和偏振信号,将有利于实体目标探测。     

北京奥运前期典型天气喇曼激光雷达观测研究

以自行研制的双波长三通道拉曼激光雷达、振荡天平(PM10、PM2.5)、碳黑(BC)气溶胶分析仪及能见度仪相结合对"好运北京"2008年奥运会前期典型天气状况进行了测量与分析,给出了北京奥运主场馆上空气溶胶消光系数的垂直分布及其时空变化关系,计算了气溶胶的消光散射比,并分析了灰霾天气条件下大气能见度、气溶胶颗粒物PM10、PM2.5、BC及气溶胶消光系数垂直分布之间的相互关系.研究结果表明,灰霾天气条件下,大气能见度、颗粒物质量浓度与气溶胶颗粒物消光系数之间具有直接的相关性.     

基于激光雷达探测技术的PM2.5浓度辨识研究

针对颗粒物浓度的大气分布难以测量的问题,采用532 nm激光雷达,对淮南地区2016年6月1日至12月31日进行连续观测。利用大气边界层高度、气溶胶光学厚度、温度、相对湿度、风速、能见度和实测的颗粒物浓度建立回归预测模型,实现了对颗粒物浓度的辨识研究。由于传统的反向传播(BP)神经网络易陷入局部极小,依据数据特点采用基于遗传算法的反向传播(GA-BP)神经网络进行研究,利用遗传算法寻找最优的权值和阈值,以平衡全局与局部的矛盾。通过两个回归模型的比较,可知GA-BP方法明显优于BP方法,BP方法的测试集的相关指数R~2是0.623,平均预测误差是24.692μg/m~3;GA-BP方法的测试集的相关指数R~2是0.899,平均预测误差是7.122μg/m~3。由此说明激光雷达可以有效地监测大气颗粒物的分布,并为淮南地区的颗粒物监测提供数据支持和参考依据。     

PM2.5质量浓度廓线的激光雷达反演研究

针对PM2.5质量浓度在空间不同高度上的分布测量较难这一问题,采用激光雷达和大气透射仪以及粒径谱仪进行联合探测,反演PM2.5质量浓度廓线.考虑相对湿度等因素的影响,通过大气透射仪和粒径谱仪建立地面PM2.5质量浓度与大气透过率之间的函数关系.以大气透射仪所测地面大气透过率值为基准,修正激光雷达大气透过率在高空的边界值,结合Fernald后向积分法反演出大气透过率的垂直分布.依据建立的函数关系和大气透过率垂直分布,得到PM2.5质量浓度廓线,并采用HYSPLIT后向轨迹分析不同高度层气溶胶的输送和动态变化.通过激光雷达、大气透射仪和粒径谱仪的联合探测实验,结果表明:经大气透射仪修正后,大气透过率垂直分布精度得到了提高,PM2.5质量浓度廓线很好的反映了气溶胶垂直分布的微物理变化特征.     

基于偏振特性的海洋溢油油种识别研究

针对海面溢油探测时存在虚警率高、油种识别单一等问题,基于菲涅尔理论建立粗糙海面溢油在不同方位角和天顶角下的偏振度模型,并分析其对偏振度分布的影响。在室外搭建可见光偏振双向反射分布测试装置,分别获取重油、原油、汽油、柴油等四种典型海洋溢油在不同观测方位角和天顶角下的可见光偏振度图像。通过提取图像灰度数据对比分析不同油种的偏振度差异,试验证明了理论模型的正确性。试验结果表明:不同溢油的可见光偏振特性存在明显差异,偏振对比度普遍高于5%。利用可见光偏振区分油种,是对传统溢油探测手段的有益补充,对提高海洋污染治理能力具有重要意义。     

基于迭代算法的大气HONO和NO2开放光路宽带腔增强吸收光谱测量

气态亚硝酸(HONO)作为羟基(OH)自由基的重要前体物,在大气中浓度低、寿命短、易损耗且活性强,针对大气HONO的高灵敏度测量具有一定的挑战.本文介绍了基于迭代算法的开放光路宽带腔增强吸收光谱(OP-BBCEAS)技术应用于大气HONO和NO₂的测量.常规BBCEAS技术通过将经滤膜过滤后的环境空气由泵压入/抽入光学腔内进行测量,尽管可以减小气溶胶消光对测量的影响,但针对一些活性组分的测量则需要考虑光学腔和采样造成的吸附损耗和二次生成等壁效应.本文采用OP-BBCEAS技术,开放光路的测量模式避免了上述壁效应的影响,基于迭代反演算法通过多次迭代确定有效吸收光程,然后采用差分光学吸收光谱的光谱拟合方法对光谱中HONO和NO₂的吸收进行定量,克服了气溶胶颗粒Mie散射消光和光源波动的宽带变化影响.在轻度(PM_2.5 <75μg/m~3)和中度(PM_2.5> 75μg/m~3)不同气溶胶污染状况下测量了实际大气HONO和NO₂浓度,并同时与常规封闭腔BBCEAS系统开展...     

伪装涂层材料的二向偏振散射研究

目标的偏振散射特征研究是偏振遥感应用的基础。在不同的条件下测量了伪装涂层的偏振参数,研究了入射角、观测方位角对涂层偏振散射特征的影响。研究发现,伪装涂层的面散射会产生较大的偏振度,而体散射具有消偏振效应;深色涂层因为面散射起主要作用而具有较大的偏振度;涂层散射光的偏振度与入射角成正比,在观测方位角接近镜面反射方向时最大,随着方位角的增加而迅速减小;草地的偏振度很小,与伪装涂层形成鲜明对比。利用偏振遥感可以有效地识别草地背景中的伪装目标,偏振测量在遥感和目标识别方面具有重要意义。     

球形雾霾粒子的紫外光散射偏振特性研究

在我国经济社会快速发展的同时,雾霾天气成为了突出的环境问题,雾霾粒子的测量非常重要。偏振紫外光与大气雾霾粒子发生散射后,散射光偏振状态(Stokes矢量以及偏振度)的改变能反映雾霾粒子的相关物理特性(粒径、复杂折射率等)。基于Mie散射理论建立了紫外光雾霾球形粒子直视和非直视单次散射模型,研究了单个球形粒子和链状结构球形粒子物理特性的改变对散射光偏振状态的影响,并用蒙特卡洛仿真分析已知粒径分布的雾霾粒子浓度对散射光偏振状态的影响。结果表明：针对单个球形粒子,随着粒子粒径的增大Stokes矢量中散射光光强(I_s)随之增强,粒子复折射率虚部为先增大后较小,偏振度也是在不断增大,且复折射率虚部较小时,偏振度增加趋势快;对于粒径分布不变的雾霾粒子,随着粒子的浓度增加,雾霾粒子的散射系数、消光系数和吸收系数均呈线性增加,但是I_s先增大后减小。针对链状球形粒子,随着粒子个数的增加,I_s均呈现增大的趋势,且偏振度可用于区分链状球形粒子是否由相同球形粒子组成; 相同球形粒子组成链状结构中,I_s随着粒子数量的增加而线性增大,偏振度不改变;不同球形粒子组成的链状结构,I_s以及偏振度的变化趋势可以区分粒子物理特性。     

湍流对椭圆偏振激光传输中偏振特性的影响分析EI北大核心CSCD

根据推广的惠更斯-菲涅耳原理和Rytov相位结构函数二次近似,推导出高斯-谢尔模型光束在湍流大气传输中交叉谱密度矩阵的表达式,研究了湍流对椭圆偏振高斯-谢尔模型光束传输中的偏振特性影响,并与部分偏振高斯-谢尔模型光束进行了对比分析.结果表明,相对于部分偏振高斯-谢尔模型光束,椭圆偏振高斯-谢尔模型光束在湍流大气传输中偏振度、方位角以及椭圆度的变化受湍流的影响较小.同时得到椭圆偏振高斯-谢尔模型光束在湍流大气斜程传输中偏振度的变化幅度比部分偏振高斯-谢尔模型光束的小,而方位角和椭圆度的变化幅度比部分偏振高斯-谢尔模型光束的大.     

利用T-matrix计算非球形粒子散射特性的研究

本文用T-matrix方法计算了非球形气溶胶粒子的光学特性,得到了气溶胶粒子的消光截面、散射截面、吸收截面与气溶胶粒子形状的关系,不同形状气溶胶粒子的有着相同的散射相函数和不同的偏振度,非球形气溶胶粒子的散射相函数对其复折射指数的实部和虚部都不太敏感,而偏振相函数对其实部和虚部都比较敏感.此结论为研究大气辐射传输提供了较好的方法,尤其是偏振度与偏振相函数的提出为用偏振的方法进一步的反演气溶胶的光学参数提供了理论基础.     

基于多角度多光谱Stokes参数Q和U测量反演气溶胶偏振相函数

偏振相函数是气溶胶重要的光学参数之一,它对气溶胶复折射指数、粒子尺度和形状都十分敏感。多角度多光谱偏振遥感可以有效获取气溶胶偏振相函数信息。新一代CIMEL太阳-天空偏振辐射计CE318-DP作为高精度地基气溶胶偏振遥感仪器已被引入全球气溶胶自动观测网AERONET(AErosol RObotic NETwork),并作为扩展多波长偏振测量的太阳-天空辐射计观测网SONET(Sun/sky-radiometer Observation NETwork)的主要仪器,已在不同类型气溶胶观测站点积累了多年的偏振数据。但目前偏振反演仅能利用线偏振度或偏振辐亮度。与线偏振度和偏振辐亮度相比,Stokes参数Q和U不仅包含天空光线偏振强度信息还包含偏振方向信息。利用CE318-DP多光谱多角度测量的天空光Stokes参数Q和U反演气溶胶偏振相函数的方法。针对CE318-DP标准主平面偏振观测模式PPP(Polarized Principal Plane)下Stokes参数U对气溶胶特性变化不敏感、信息难以利用的不足,测试了新的平纬圈偏振扫描模式ALMP(ALMucantar Polarization)获取Stokes参数Q和U,并成功应用于偏振相函数的反演。系统分析了340～1 640 nm多光谱通道上典型生物质燃烧型气溶胶和水溶性气溶胶的-P₁₂/P₁₁反演结果并测试了反演方法在晴朗和灰霾不同大气条件下的适用性。无论在主平面还是平纬圈观测几何下,反演结果在可见光和近红外通道上均与真实值具有较好的一致性。进一步讨论了模型中基于气溶胶参数初始值和大气气溶胶参数真实值计算的“大气单次散射/大气散射”的比值近似相等的假设条件在短波通道不能很好地满足是造成紫外波段反演结果偏差较大的原因之一。后续有待进一步提高反演模型在短波通道的适用性,为利用不同光谱通道上-P₁₂/P₁₁的变化特征改进气溶胶微物理参数反演奠定了基础。     

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。