一種波浪水面天空漫反射光偏振場(chǎng)模擬方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種波浪水面天空漫反射光偏振場(chǎng)模擬方法。其步驟如下：建立描述天空光偏振場(chǎng)的天球坐標(biāo)系統(tǒng)；在天球坐標(biāo)系中給定太陽(yáng)點(diǎn)位置與觀測(cè)點(diǎn)位置；在球面幾何中計(jì)算天空光散射角；根據(jù)半分析瑞利散射模型計(jì)算任意點(diǎn)天空光的偏振度；根據(jù)太陽(yáng)點(diǎn)位置和天空觀測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)，通過(guò)向量的方法解算天空光的偏振角；計(jì)算波浪水面天空漫射光的偏振反射率與偏振度；根據(jù)天空光偏振度信息，結(jié)合STOKES矢量以及三角函數(shù)關(guān)系求出水面反射天空光的偏振角，從而實(shí)現(xiàn)水面反射天空光的偏振態(tài)的解算。本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)天空光以任意偏振態(tài)入射，靜止水面與波浪水面反射光的偏振態(tài)，能真實(shí)地描述自然水面的偏振特性。
【專利說(shuō)明】一種波浪水面天空漫反射光偏振場(chǎng)模擬方法
(-)所屬【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種波浪水面天空漫反射光偏振場(chǎng)模擬方法，屬于光學(xué)遙感領(lǐng)域，在水色遙感技術(shù)研究和偏振遙感應(yīng)用以及水生生態(tài)學(xué)研究方面具有重要意義。
(二)【背景技術(shù)】
[0002]在自然界，水面是一個(gè)天然的起偏器。水面反射過(guò)程顯著地改變了太陽(yáng)入射光與天空漫散射光的偏振態(tài)。在遙感應(yīng)用領(lǐng)域，通過(guò)水面?zhèn)鞲衅魉邮盏姆瓷涔獾钠駪B(tài)可以推斷波浪表面的幾何結(jié)構(gòu)特征與粗糙度信息。另外還可以根據(jù)場(chǎng)景內(nèi)偏振態(tài)的差異進(jìn)行水面目標(biāo)的探測(cè)與識(shí)別。為此，必須對(duì)水面反射光的偏振態(tài)進(jìn)行精確計(jì)算。對(duì)于入射到水面的太陽(yáng)直射光，通常認(rèn)為是非偏振光，其經(jīng)過(guò)靜止水面偏振態(tài)的改變可用菲涅爾反射定律加以描述，計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單。但對(duì)于天空散射光，當(dāng)入射到水面時(shí)，其來(lái)自于整個(gè)上半球空間而不是一個(gè)特定的角度，計(jì)算過(guò)程相對(duì)復(fù)雜。此外，天空光為部分偏振光，其偏振特性與大氣狀況，氣溶膠含量等多種因素密切相關(guān)，難以定量描述。自然水體通常為起伏表面，因此來(lái)自不同方向的天空光入射到具有不同坡度與坡向的波浪表面，其偏振態(tài)的改變是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的研究只停留在靜止水面天空漫反射光的偏振模式，而缺乏對(duì)波浪情形的科學(xué)描述。
[0003]在水生生態(tài)學(xué)領(lǐng)域,大量的昆蟲(chóng)利用大氣的偏振場(chǎng)信息與水面反射光的偏振信息而不是光的強(qiáng)度信息進(jìn)行導(dǎo)航、撲食或逃生。尤其是在自然界部分線偏振光的主要光源是從水表面反射的。因此水面的反射偏振場(chǎng)分布模式在水生昆蟲(chóng)棲息研究中也占有非常重要的地位。
(三)
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明涉及一種波浪水面天空漫反射光偏振場(chǎng)模擬方法。技術(shù)解決方案是:通過(guò)建立天空光偏振場(chǎng)半球型模型，由光學(xué)幾何參數(shù)經(jīng)過(guò)推導(dǎo)得到天空光偏振狀態(tài)，再由天空光的偏振狀態(tài)得到波浪水面反射天空光的偏振狀態(tài)。其具體步驟如下:
[0005]( I)建立描述天空光偏振場(chǎng)的天球坐標(biāo)系統(tǒng)；
[0006](2)在天球坐標(biāo)系統(tǒng)中給定太陽(yáng)點(diǎn)位置與觀測(cè)點(diǎn)位置；
[0007](3)根據(jù)步驟(2)給定的太陽(yáng)點(diǎn)位置與觀測(cè)點(diǎn)位置，在球面幾何中計(jì)算天空觀測(cè)點(diǎn)到太陽(yáng)的角距離，即散射角；
[0008](4)根據(jù)半分析瑞利散射模型計(jì)算任意點(diǎn)天空光的偏振度；
[0009](5)根據(jù)步驟(2)中設(shè)定的太陽(yáng)點(diǎn)位置和天空觀測(cè)點(diǎn)位置的坐標(biāo)，通過(guò)向量的方法解算天空光的偏振角；
[0010](6)計(jì)算波浪水面天空漫射光的偏振反射率；
[0011](7)根據(jù)步驟(6)得到的入射光水平方向和垂直方向的偏振反射率，計(jì)算水面反射天空光偏振度；
[0012](8)根據(jù)步驟(4)得到的天空光的偏振度，結(jié)合STOKES矢量以及三角函數(shù)關(guān)系求出水面反射天空光的偏振角，從而實(shí)現(xiàn)水面反射天空光的偏振狀態(tài)的解算。
[0013]I根據(jù)權(quán)利I要求所述的一種波浪水面天空漫反射光偏振場(chǎng)模擬方法，其特征在于:步驟(1)中所述的“建立描述天空光偏振場(chǎng)的半球型系統(tǒng)”，要求在坐標(biāo)系統(tǒng)中包含坐標(biāo)原點(diǎn)O、太陽(yáng)點(diǎn)位置S、天空觀測(cè)點(diǎn)位置P，還標(biāo)示出天空觀測(cè)點(diǎn)所在子午圈、太陽(yáng)點(diǎn)所在子午圈以及過(guò)P點(diǎn)且與散射面垂直的E矢量。
[0014]2根據(jù)權(quán)利I要求所述的一種波浪水面天空漫反射光偏振場(chǎng)模擬方法，其特征在于:步驟(2)中所述的“在天球坐標(biāo)系中給定太陽(yáng)點(diǎn)位置與觀測(cè)點(diǎn)位置”，太陽(yáng)點(diǎn)位置用太陽(yáng)天頂角與太陽(yáng)方位角描述，觀測(cè)點(diǎn)位置用觀測(cè)天頂角與觀測(cè)方位角描述；用戶可以任意設(shè)定太陽(yáng)天頂角與觀測(cè)天頂角，其取值范圍為0°~90° ;用戶可以任意設(shè)定太陽(yáng)方位角與觀測(cè)方位角，其取值范圍為0°~360°。
[0015]3根據(jù)權(quán)利I要求所述的一種波浪水面天空漫反射光偏振場(chǎng)模擬方法，其特征在于:步驟(3)中所述的“根據(jù)步驟(2)給定的太陽(yáng)點(diǎn)位置與觀測(cè)點(diǎn)位置，在球面幾何中計(jì)算天空觀測(cè)點(diǎn)到太陽(yáng)的角距離，即散射角”，具體計(jì)算過(guò)程如下: [0016]cos Y =Cos Θ scos Θ v+sin Θ ssin Θ vcos Φ
[0017]其中，03為太陽(yáng)天頂角，θν*觀測(cè)天頂角，φ為觀測(cè)點(diǎn)與太陽(yáng)的相對(duì)方位角，SP觀測(cè)點(diǎn)與太陽(yáng)子午圈的角距離，Y為天空觀測(cè)點(diǎn)P到太陽(yáng)S的角距離，即散射角。。
[0018]4根據(jù)權(quán)利I要求所述的一種波浪水面天空漫反射光偏振場(chǎng)模擬方法，其特征在于:步驟(4)中所述的“根據(jù)半分析瑞利散射模型計(jì)算任意點(diǎn)天空光的偏振度”，具體計(jì)算過(guò)程
[0019]如下:
[0020]
【權(quán)利要求】
1.一種波浪水面天空漫反射光偏振場(chǎng)模擬方法。其特征在于包含以下步驟: (1)建立描述天空光偏振場(chǎng)的天球坐標(biāo)系統(tǒng)； (2)在天球坐標(biāo)系統(tǒng)中給定太陽(yáng)點(diǎn)位置與觀測(cè)點(diǎn)位置； (3)根據(jù)步驟(2)給定的太陽(yáng)點(diǎn)位置與觀測(cè)點(diǎn)位置，在球面幾何中計(jì)算天空觀測(cè)點(diǎn)到太陽(yáng)的角距離，即散射角； (4)根據(jù)半分析瑞利散射模型計(jì)算任意點(diǎn)天空光的偏振度； (5)根據(jù)步驟(2)中設(shè)定的太陽(yáng)點(diǎn)位置和天空觀測(cè)點(diǎn)位置的坐標(biāo)，通過(guò)向量的方法解算天空光的偏振角； (6)計(jì)算波浪水面天空漫射光的偏振反射率； (7)根據(jù)步驟(6)得到的入射光水平方向和垂直方向的偏振反射率，計(jì)算水面反射天空光偏振度； (8)根據(jù)步驟(4)得到的天空光的偏振度，結(jié)合STOKES矢量以及三角函數(shù)關(guān)系求出水面反射天空光的偏振角，從而實(shí)現(xiàn)水面反射天空光的偏振狀態(tài)的解算。
2.根據(jù)權(quán)利I要求所述的一種波浪水面天空漫反射光偏振場(chǎng)模擬方法，其特征在于:步驟(1)中所述的“建立描述天空光偏振場(chǎng)的半球型系統(tǒng)”，要求在坐標(biāo)系統(tǒng)中包含坐標(biāo)原點(diǎn)O、太陽(yáng)點(diǎn)位置S、天空觀測(cè)點(diǎn)位置P，還標(biāo)示出天空觀測(cè)點(diǎn)所在子午圈、太陽(yáng)點(diǎn)所在子午圈以及過(guò)P點(diǎn)且與散射面垂直的E矢量。
3.根據(jù)權(quán)利I要求所述的一種波浪水面天空漫反射光偏振場(chǎng)模擬方法，其特征在于:步驟(2)中所述的“在天球坐標(biāo)系中給定太陽(yáng)點(diǎn)位置與觀測(cè)點(diǎn)位置”，太陽(yáng)點(diǎn)位置用太陽(yáng)天頂角與太陽(yáng)方位角描述，觀測(cè)點(diǎn)位置用觀測(cè)天頂角與觀測(cè)方位角描述；用戶可以任意設(shè)定太陽(yáng)天頂角與觀測(cè)天頂角，其取值范圍為0°~90° ;用戶可以任意設(shè)定太陽(yáng)方位角與觀測(cè)方位角，其取值范圍為0°~360°。
4.根據(jù)權(quán)利I要求所述的一種波浪水面天空漫反射光偏振場(chǎng)模擬方法，其特征在于:步驟(3)中所述的“根據(jù)步驟(2)給定的太陽(yáng)點(diǎn)位置與觀測(cè)點(diǎn)位置，在球面幾何中計(jì)算天空觀測(cè)點(diǎn)到太陽(yáng)的角距離，即散射角”，具體計(jì)算過(guò)程如下:
cos Y =Cos Θ scos Θ v+sin Θ ssin Θ vcos Φ 其中，03為太陽(yáng)天頂角，θν*觀測(cè)天頂角，φ為觀測(cè)點(diǎn)與太陽(yáng)的相對(duì)方位角，即觀測(cè)點(diǎn)與太陽(yáng)子午圈的角距離，Y為天空觀測(cè)點(diǎn)P到太陽(yáng)S的角距離，即散射角。
5.根據(jù)權(quán)利I要求所述的一種波浪水面天空漫反射光偏振場(chǎng)模擬方法，其特征在于:步驟(4)中所述的“根據(jù)半分析瑞利散射模型計(jì)算任意點(diǎn)天空光的偏振度”，具體計(jì)算過(guò)程 如下:
6.根據(jù)權(quán)利I要求所述的一種波浪水面天空漫反射光偏振場(chǎng)模擬方法，其特征在于:步驟(5)中所述的“通過(guò)向量的方法解算天空光的偏振角”，具體計(jì)算過(guò)程如下:根據(jù)定義，E矢量的方向垂直于POS三點(diǎn)組成的散射面，E矢量與觀測(cè)點(diǎn)P點(diǎn)所在的子午圈的夾角，即為偏振角，具體解算如下: 設(shè)O點(diǎn)坐標(biāo)為(O, 0，O)，S點(diǎn)坐標(biāo)為(Xs, Ys, Zs)，P點(diǎn)坐標(biāo)為(Xp, Yp, Zp)，則 OS= (Xs, Ys, Zs), OP= (Xp, Yp, Zp) 由于E矢量垂直于平面P0S，則E矢量垂直于向量OS和0P，設(shè)E= (X，Y, I)，則有 X.Xs+Y.Ys+Zs=0 X.Xp+Y.yρ+Ζρ=0
7.根據(jù)權(quán)利1要求所述的一種波浪水面天空漫反射光偏振場(chǎng)模擬方法，其特征在于:步驟(6)中所述的“計(jì)算波浪水面天空漫射光的偏振反射率”，具體計(jì)算過(guò)程如下: 對(duì)于靜止水面，當(dāng)入射光為非偏振光時(shí)，其在水面的反射過(guò)程遵循菲涅爾反射定律，即
8.根據(jù)權(quán)利I要求所述的一種波浪水面天空漫反射光偏振場(chǎng)模擬方法，其特征在于:步驟(12)中所述的“計(jì)算水面反射天空光偏振度”，具體計(jì)算過(guò)程如下:
【文檔編號(hào)】G01J4/02GK103940515SQ201310565425
【公開(kāi)日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2013年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月14日
【發(fā)明者】周冠華, 趙慧潔, 邢健, 徐武健, 牛春躍 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)