一种波浪水面天空漫反射光偏振场模拟方法
【专利摘要】本发明涉及一种波浪水面天空漫反射光偏振场模拟方法。其步骤如下：建立描述天空光偏振场的天球坐标系统；在天球坐标系中给定太阳点位置与观测点位置；在球面几何中计算天空光散射角；根据半分析瑞利散射模型计算任意点天空光的偏振度；根据太阳点位置和天空观测点坐标，通过向量的方法解算天空光的偏振角；计算波浪水面天空漫射光的偏振反射率与偏振度；根据天空光偏振度信息，结合STOKES矢量以及三角函数关系求出水面反射天空光的偏振角，从而实现水面反射天空光的偏振态的解算。本发明能实现天空光以任意偏振态入射，静止水面与波浪水面反射光的偏振态，能真实地描述自然水面的偏振特性。
【专利说明】一种波浪水面天空漫反射光偏振场模拟方法
(-)所属【技术领域】
[0001]本发明涉及一种波浪水面天空漫反射光偏振场模拟方法，属于光学遥感领域，在水色遥感技术研究和偏振遥感应用以及水生生态学研究方面具有重要意义。
(二)【背景技术】
[0002]在自然界，水面是一个天然的起偏器。水面反射过程显著地改变了太阳入射光与天空漫散射光的偏振态。在遥感应用领域，通过水面传感器所接收的反射光的偏振态可以推断波浪表面的几何结构特征与粗糙度信息。另外还可以根据场景内偏振态的差异进行水面目标的探测与识别。为此，必须对水面反射光的偏振态进行精确计算。对于入射到水面的太阳直射光，通常认为是非偏振光，其经过静止水面偏振态的改变可用菲涅尔反射定律加以描述，计算过程简单。但对于天空散射光，当入射到水面时，其来自于整个上半球空间而不是一个特定的角度，计算过程相对复杂。此外，天空光为部分偏振光，其偏振特性与大气状况，气溶胶含量等多种因素密切相关，难以定量描述。自然水体通常为起伏表面，因此来自不同方向的天空光入射到具有不同坡度与坡向的波浪表面，其偏振态的改变是一个非常复杂的问题。目前国内外现有的研究只停留在静止水面天空漫反射光的偏振模式，而缺乏对波浪情形的科学描述。
[0003]在水生生态学领域,大量的昆虫利用大气的偏振场信息与水面反射光的偏振信息而不是光的强度信息进行导航、扑食或逃生。尤其是在自然界部分线偏振光的主要光源是从水表面反射的。因此水面的反射偏振场分布模式在水生昆虫栖息研究中也占有非常重要的地位。
(三)
【发明内容】
[0004]本发明涉及一种波浪水面天空漫反射光偏振场模拟方法。技术解决方案是:通过建立天空光偏振场半球型模型，由光学几何参数经过推导得到天空光偏振状态，再由天空光的偏振状态得到波浪水面反射天空光的偏振状态。其具体步骤如下:
[0005]( I)建立描述天空光偏振场的天球坐标系统；
[0006](2)在天球坐标系统中给定太阳点位置与观测点位置；
[0007](3)根据步骤(2)给定的太阳点位置与观测点位置，在球面几何中计算天空观测点到太阳的角距离，即散射角；
[0008](4)根据半分析瑞利散射模型计算任意点天空光的偏振度；
[0009](5)根据步骤(2)中设定的太阳点位置和天空观测点位置的坐标，通过向量的方法解算天空光的偏振角；
[0010](6)计算波浪水面天空漫射光的偏振反射率；
[0011](7)根据步骤(6)得到的入射光水平方向和垂直方向的偏振反射率，计算水面反射天空光偏振度；
[0012](8)根据步骤(4)得到的天空光的偏振度，结合STOKES矢量以及三角函数关系求出水面反射天空光的偏振角，从而实现水面反射天空光的偏振状态的解算。
[0013]I根据权利I要求所述的一种波浪水面天空漫反射光偏振场模拟方法，其特征在于:步骤(1)中所述的“建立描述天空光偏振场的半球型系统”，要求在坐标系统中包含坐标原点O、太阳点位置S、天空观测点位置P，还标示出天空观测点所在子午圈、太阳点所在子午圈以及过P点且与散射面垂直的E矢量。
[0014]2根据权利I要求所述的一种波浪水面天空漫反射光偏振场模拟方法，其特征在于:步骤(2)中所述的“在天球坐标系中给定太阳点位置与观测点位置”，太阳点位置用太阳天顶角与太阳方位角描述，观测点位置用观测天顶角与观测方位角描述；用户可以任意设定太阳天顶角与观测天顶角，其取值范围为0°~90° ;用户可以任意设定太阳方位角与观测方位角，其取值范围为0°~360°。
[0015]3根据权利I要求所述的一种波浪水面天空漫反射光偏振场模拟方法，其特征在于:步骤(3)中所述的“根据步骤(2)给定的太阳点位置与观测点位置，在球面几何中计算天空观测点到太阳的角距离，即散射角”，具体计算过程如下: [0016]cos Y =Cos Θ scos Θ v+sin Θ ssin Θ vcos Φ
[0017]其中，03为太阳天顶角，θν*观测天顶角，φ为观测点与太阳的相对方位角，SP观测点与太阳子午圈的角距离，Y为天空观测点P到太阳S的角距离，即散射角。。
[0018]4根据权利I要求所述的一种波浪水面天空漫反射光偏振场模拟方法，其特征在于:步骤(4)中所述的“根据半分析瑞利散射模型计算任意点天空光的偏振度”，具体计算过程
[0019]如下:
[0020]
【权利要求】
1.一种波浪水面天空漫反射光偏振场模拟方法。其特征在于包含以下步骤: (1)建立描述天空光偏振场的天球坐标系统； (2)在天球坐标系统中给定太阳点位置与观测点位置； (3)根据步骤(2)给定的太阳点位置与观测点位置，在球面几何中计算天空观测点到太阳的角距离，即散射角； (4)根据半分析瑞利散射模型计算任意点天空光的偏振度； (5)根据步骤(2)中设定的太阳点位置和天空观测点位置的坐标，通过向量的方法解算天空光的偏振角； (6)计算波浪水面天空漫射光的偏振反射率； (7)根据步骤(6)得到的入射光水平方向和垂直方向的偏振反射率，计算水面反射天空光偏振度； (8)根据步骤(4)得到的天空光的偏振度，结合STOKES矢量以及三角函数关系求出水面反射天空光的偏振角，从而实现水面反射天空光的偏振状态的解算。
2.根据权利I要求所述的一种波浪水面天空漫反射光偏振场模拟方法，其特征在于:步骤(1)中所述的“建立描述天空光偏振场的半球型系统”，要求在坐标系统中包含坐标原点O、太阳点位置S、天空观测点位置P，还标示出天空观测点所在子午圈、太阳点所在子午圈以及过P点且与散射面垂直的E矢量。
3.根据权利I要求所述的一种波浪水面天空漫反射光偏振场模拟方法，其特征在于:步骤(2)中所述的“在天球坐标系中给定太阳点位置与观测点位置”，太阳点位置用太阳天顶角与太阳方位角描述，观测点位置用观测天顶角与观测方位角描述；用户可以任意设定太阳天顶角与观测天顶角，其取值范围为0°~90° ;用户可以任意设定太阳方位角与观测方位角，其取值范围为0°~360°。
4.根据权利I要求所述的一种波浪水面天空漫反射光偏振场模拟方法，其特征在于:步骤(3)中所述的“根据步骤(2)给定的太阳点位置与观测点位置，在球面几何中计算天空观测点到太阳的角距离，即散射角”，具体计算过程如下:
cos Y =Cos Θ scos Θ v+sin Θ ssin Θ vcos Φ 其中，03为太阳天顶角，θν*观测天顶角，φ为观测点与太阳的相对方位角，即观测点与太阳子午圈的角距离，Y为天空观测点P到太阳S的角距离，即散射角。
5.根据权利I要求所述的一种波浪水面天空漫反射光偏振场模拟方法，其特征在于:步骤(4)中所述的“根据半分析瑞利散射模型计算任意点天空光的偏振度”，具体计算过程 如下:
6.根据权利I要求所述的一种波浪水面天空漫反射光偏振场模拟方法，其特征在于:步骤(5)中所述的“通过向量的方法解算天空光的偏振角”，具体计算过程如下:根据定义，E矢量的方向垂直于POS三点组成的散射面，E矢量与观测点P点所在的子午圈的夹角，即为偏振角，具体解算如下: 设O点坐标为(O, 0，O)，S点坐标为(Xs, Ys, Zs)，P点坐标为(Xp, Yp, Zp)，则 OS= (Xs, Ys, Zs), OP= (Xp, Yp, Zp) 由于E矢量垂直于平面P0S，则E矢量垂直于向量OS和0P，设E= (X，Y, I)，则有 X.Xs+Y.Ys+Zs=0 X.Xp+Y.yρ+Ζρ=0
7.根据权利1要求所述的一种波浪水面天空漫反射光偏振场模拟方法，其特征在于:步骤(6)中所述的“计算波浪水面天空漫射光的偏振反射率”，具体计算过程如下: 对于静止水面，当入射光为非偏振光时，其在水面的反射过程遵循菲涅尔反射定律，即
8.根据权利I要求所述的一种波浪水面天空漫反射光偏振场模拟方法，其特征在于:步骤(12)中所述的“计算水面反射天空光偏振度”，具体计算过程如下:
【文档编号】G01J4/02GK103940515SQ201310565425
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2013年11月14日 优先权日:2013年11月14日
【发明者】周冠华, 赵慧洁, 邢健, 徐武健, 牛春跃 申请人:北京航空航天大学