CN105181145B - 一种波浪水面透射光的水下偏振场模拟方法 - Google Patents
一种波浪水面透射光的水下偏振场模拟方法 Download PDFInfo
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- CN105181145B CN105181145B CN201510640938.4A CN201510640938A CN105181145B CN 105181145 B CN105181145 B CN 105181145B CN 201510640938 A CN201510640938 A CN 201510640938A CN 105181145 B CN105181145 B CN 105181145B
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Abstract
本发明涉及一种波浪水面透射光的水下偏振场模拟方法。其步骤如下：首先，建立基于瑞利散射天空光的偏振模型，计算入射天空光的偏振态；根据入射光E矢量平行分量和垂直分量对应的折射系数不同，得到平静水面折射过程的Mueller矩阵；其次，建立波浪水面面元坡度的概率分布模型，统一入射光和透射光的参考坐标系，考虑风成浪之间的遮挡效应，得到波浪水面折射的Mueller矩阵；最后，结合Stokes参量表示法得到水下透射光的偏振场分布模式。本发明能够有效地模拟不同太阳位置下的水下透射光的偏振特性分布，考虑了风速、风向对水下光场偏振特性分布的影响。同时可以揭示水下Snell窗内透射光的偏振态分布规律。
Description
(一)所属技术领域
本发明涉及一种波浪水面透射光的水下偏振场模拟方法，属于光学遥感领域，对水下目标探测技术研究和水下偏振导航应用方面具有重要意义。
(二)背景技术
波浪水面作为一种复杂的自然场景，其形态在空间上时刻发生变化。而水下透射光携带强烈的偏振信息，并且在Snell窗中具有规律的分布与变化特征。研究发现一些水生动物可以利用透射光的偏振特性进行导航迁徙。由于光的偏振特性与光的传播方向有密切关系，因此波浪水面的形态特征对水下透射光的偏振态分布有较大影响。随着光的偏振信息在光学遥感领域应用的广泛与深入，本发明中波浪水面透射光偏振特性模拟的技术方法对研究大气海洋耦合系统矢量辐射传输过程和水下偏振场的分布都有着重要的意义。
目前水下透射光的偏振特性研究主要集中于测量手段和数值模拟的方法。而受到探测设备和实验环境的限制，测量水下透射光的全偏振分布极其困难；现有的数值模拟手段以蒙特卡洛方法为主，又存在效率低的缺点。现有的技术方法要么没考虑入射光的偏振特性，将入射光视为自然光；要么没考虑波浪水面的干扰，仅研究了Snell窗以内的偏振场。实际上海洋一直处于波动中，Snell窗内外都存在偏振场，而且随着海面的波动，水下偏振场始终处于动态变化过程中。现有的研究是对真实物理场描述的一种非常粗略的近似。迄今为止，尚未有同时考虑入射光的偏振态与水面波动的水下透射光偏振场模拟方法的报道，本发明建立的波浪水面透射光偏振分布模型填补了这一空白。本发明方法是一种解析方法，没有数值计算误差，模型参数可调，提高了适用性，可为水下目标偏振探测和水生动物的偏振场感应研究提供有效的技术方法。
(三)发明内容
本发明涉及一种波浪水面透射光的水下偏振场模拟方法。技术解决方案是：建立瑞利散射天空光的偏振模型，计算天空光的偏振态；建立波浪水面面元斜坡的概率分布模型，统一入射光和透射光的参考坐标系；考虑风成浪的遮挡，得到波浪水面折射的Mueller矩阵；结合Stokes参量表示法，最终可以模拟水下透射光的偏振态分布。其具体步骤如下：
1一种波浪水面透射光的水下偏振场模拟方法。其特征在于包含以下步骤：
(1)建立天空光偏振场坐标系，设定太阳方位参数和观测几何参数；
(2)在半球天空上对入射天空光方向和观测位置进行空间立体角采样；
(3)根据太阳入射光与散射光方向的几何关系计算散射角；
(4)计算入射天空光的偏振态；
(5)建立波浪水面面元坡度概率分布模型；
(6)建立波浪水面透射过程的矢量辐射传输模型；
(7)计算波浪水面透射天空光的偏振态；
(8)对采样点进行加权平均从而实现波浪水面下行透射光的偏振场的模拟。
2步骤(1)中所述的“建立天空光偏振场坐标系，设定太阳方位参数和观测几何参数”，确定入射光和散射光的0°参考方向，要求E矢量参考平面为入射光或散射光所在的子午面。
3步骤(2)中所述的“在半球天空上对入射天空光方向和观测位置进行空间立体角采样”，采样点要涵盖整个半球天空，确定入射光以及透射光的天顶角和方位角间隔。
4步骤(3)中所述的“根据太阳入射光与散射光方向的几何关系计算散射角”，具体计算过程如下：
第一步：根据天空光偏振场坐标系确定入射光和散射光的天顶角和方位角大小；
第二步：根据公式计算散射角γ。其中，θs为太阳天顶角，θ为观测天顶角，φ为相对方位角。
5步骤(4)中所述的“计算入射天空光的偏振态”，具体计算过程如下：
第一步：利用半经验瑞利散射模型计算天空光的偏振度，
其中δmax为经验值，最大取1；
第二步：设POS为散射平面，其中O点为坐标原点，其坐标为(0,0,0)；S点为太阳位置，
其坐标为(XS,YS,ZS)；P点为遥感器观测位置，其坐标为(XP,YP,ZP)，则
OS＝(XS,YS,ZS)，OP＝(XP,YP,ZP)
由于E矢量垂直于平面POS，则E矢量垂直于向量OS和OP，设E＝(X,Y,1)，则有
X·XS+Y·YS+ZS＝0
X·XP+Y·YP+ZP＝0
则偏振角余角的余弦为
ON为P点所在子午面的法向量；
第三步：最后得到计算偏振角的表达式：
6步骤(5)中所述的“建立波浪水面面元斜坡概率分布模型”，具体计算过程如下：
第一步：建立波浪水面透射过程的坐标系；
第二步：根据入射方向、折射方向、面元法向量的空间关系得到波浪面元的坡度在x，y两坐标轴的分量：
其中s表示入射向量，r表示折射(观测)向量；
第三步：基于Cox-Munk模型计算波浪面元坡度分布概率：
7步骤(6)中所述的“建立了波浪水面透射过程的矢量辐射传输模型”，具体计算过程如下：
第一步：计算透射方向的辐射通量：
dΦt＝t(ω)Es cosω secβ AP
其中A为面元面积，β为面元法线与天顶之间的夹角，ω为入射角大小，Es表示入射太阳辐照度，t(ω)为入射角为ω时水面的透过率；
第二步：考虑波浪面元遮挡问题，提出一个修正因子S；
第三步：旋转参考面，旋转矩阵为：
其中i为参考面旋转角度；
第四步：最后得到波浪面元透射的Mueller矩阵：
其中M为平静水面透射的Mueller矩阵。
8步骤(7)中所述的“计算波浪水面透射天空光的偏振态”，具体计算过程：根据步骤(4)计算出的入射天空光的偏振态，乘以步骤(6)得到的波浪水面透射的Mueller矩阵，就得到透射光的偏振态。
9步骤(8)中所述的“对采样点进行加权平均从而实现波浪水面下行透射光的偏振场的模拟”，具体计算过程：根据步骤(2)中的天空光采样点，在每一个观测方向上逐个计算入射天空光发生折射时的Stokes参量，再进行加权平均得到该观测方向上的透射光的偏振态。逐步计算每个观测方向上透射光的偏振态就实现了水下偏振场的模拟。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)目前学术界缺少对波浪水下透射光偏振特性的完备描述的技术方法，本发明具有显著的创新性，丰富了水体光学领域的理论知识，为开发水下偏振场探测仪器提供了技术参考；
(2)本发明考虑了入射光的偏振特性，不同于其他方法不考虑入射光的偏振特性，将入射光视为自然光；同时考虑了波浪水面的干扰，不同于其他方法将水面静态处理。因而计算结果更加真实准确；
(3)本发明是一种解析方法，相比于现有数值计算方法，本发明精度高，速度快，参数可调，适应性大大增强。
(四)附图说明
图1为本发明的技术流程图。
图2为基于本发明方法得到的不同太阳位置水下透射光的偏振场模拟图，其中，
图2(a)：不同太阳天顶角θs水下透射光的偏振度分布图；
图2(b)：不同太阳天顶角θs水下透射光的偏振角分布图。
(五)具体实施方式
为了更好地说明本发明涉及的一种波浪水面透射光的水下偏振场模拟方法，利用本发明的方法进行了测试计算，取得了良好的效果，具体实施步骤如下：
(1)建立天空光偏振场坐标系，设定太阳方位参数和观测几何参数；
(2)在半球天空上对入射天空光方向和观测位置进行空间立体角采样；
(3)根据太阳入射光与散射光方向的几何关系计算散射角；
(4)计算入射天空光的偏振态；
(5)建立波浪水面面元坡度概率分布模型；
(6)建立波浪水面透射过程的矢量辐射传输模型；
(7)计算波浪水面透射天空光的偏振态；
(8)对采样点进行加权平均从而实现波浪水面下行透射光的偏振场的模拟。
Claims (1)
1.一种波浪水面透射光的水下偏振场模拟方法，其特征在于包含以下步骤：
(1)建立天空光偏振场坐标系，设定太阳方位参数和观测几何参数；
(2)在半球天空上对入射天空光方向和观测位置进行空间立体角采样；
(3)根据太阳入射光与散射光方向的几何关系计算散射角；
(4)计算入射天空光的偏振态；
(5)建立波浪水面面元坡度概率分布模型；
(6)建立波浪水面透射过程的矢量辐射传输模型；
(7)计算波浪水面透射天空光的偏振态；
(8)对采样点进行加权平均从而实现波浪水面下行透射光的偏振场的模拟；
所述的“建立波浪水面面元斜坡概率分布模型”，具体计算过程如下：
第一步：建立波浪水面透射过程的坐标系；
第二步：根据入射方向、折射方向、面元法向量的空间关系得到波浪面元的坡度在x，y两坐标轴的分量：
其中s表示入射向量，r表示折射(观测)向量；
第三步：基于Cox-Munk模型计算波浪面元坡度分布概率：
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所述的“建立波浪水面透射过程的矢量辐射传输模型”，具体计算过程如下：
第一步：计算透射方向的辐射通量：
dφt＝t(ω)EscosωsecβAP
其中A为面元面积，β为面元法线与天顶之间的夹角，ω为入射角大小，Es表示入射太阳辐照度，t(ω)为入射角为ω时水面的透过率；
第二步：考虑波浪面元遮挡问题，提出一个修正因子S；
第三步：旋转参考面，旋转矩阵为：
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其中i为参考面旋转角度；
第四步：最后得到波浪面元透射的Mueller矩阵：
其中M为平静水面透射的Mueller矩阵；
所述步骤(1)中所述的“建立天空光偏振场坐标系，设定太阳方位参数和观测几何参数”，确定入射光和散射光的0°参考方向，要求E矢量参考平面为入射光或散射光所在的子午面；
所述步骤(2)中所述的“在半球天空上对入射天空光方向和观测位置进行空间立体角采样”，采样点要涵盖整个半球天空，确定入射光以及透射光的天顶角和方位角间隔；
所述步骤(3)中所述的“根据太阳入射光与散射光方向的几何关系计算散射角”，具体计算过程如下：
第一步：根据天空光偏振场坐标系确定入射光和散射光的天顶角和方位角大小；
第二步：根据公式计算散射角γ，其中，θs为太阳天顶角，θ为观测天顶角，φ为相对方位角；
所述步骤(4)中所述的“计算入射天空光的偏振态”，具体计算过程如下：
第一步：利用半经验瑞利散射模型计算天空光的偏振度，
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其中δmax为经验值，最大取1；
第二步：设POS为散射平面，其中O点为坐标原点，其坐标为(0,0,0)；S点为太阳位置，其坐标为(XS,YS,ZS)；P点为遥感器观测位置，其坐标为(XP,YP,ZP)，则
OS＝(XS,YS,ZS)，OP＝(XP,YP,ZP)
由于E矢量垂直于平面POS，则E矢量垂直于向量OS和OP，设E＝(X,Y,1)，
则有
X·XS+Y·YS+ZS＝0
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ON为P点所在子午面的法向量；
第三步：最后得到计算偏振角的表达式：
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所述步骤(7)中所述的“计算波浪水面透射天空光的偏振态”，具体计算过程：根据步骤(4)计算出的入射天空光的偏振态，乘以步骤(6)得到的波浪水面透射的Mueller矩阵，就得到透射光的偏振态；
所述步骤(8)中所述的“对采样点进行加权平均从而实现波浪水面下行透射光的偏振场的模拟”，具体计算过程：根据步骤(2)中的天空光采样点，在每一个观测方向上逐个计算入射天空光发生折射时的Stokes参量，再进行加权平均得到该观测方向上的透射光的偏振态，逐步计算每个观测方向上的透射光的偏振态就实现了水下偏振场的模拟。
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