合肥工业大学硕士学位论文基于蒙特卡洛理论的大气偏振特性分析姓名：徐飞申请学位级别：硕士专业：信号与信息处理指导教师：高隽；范之国2011-04基于蒙特卡洛理论的大气偏振特性分析基于蒙特卡洛理论的大气偏振特性分析 摘摘 要要 太阳光通过大气层时会与大气粒子间发生相互作用从而产生偏振光。天空中各种不同属性的偏振光叠加，便形成了包含大气信息参数在内的各种信息的偏振模式分布，这种偏振信息分布模式与太阳位置、大气粒子特性以及天气条件等因素密切相关。本文主要是通过对大气偏振特性机理的研究，在蒙特卡洛随即理论的基础上仿真其分布特性，并与相应的实验结果进行对比分析，为相关的应用研究提供理论基础。 本文的主要内容包括如下几个方面： （1）分析了光的本质及其偏振特性的数学原理，总结了大气的光学特性，并分析了瑞利散射和米式散射的基本原理与各自特点。 （2）在蒙特卡洛随机理论的基础上，根据实际环境参数，仿真全天域散射光线的偏振特性分布，并将其与单次瑞利散射模型进行比较分析。 （3） 应用实验室已有的大气偏振成像探测系统检测出天空中散射光的偏振特性分布，并将实际检测结果与理论仿真模型进行对比分析。 关键词：散射光 偏振特性 蒙特卡洛理论 偏振成像 Polarization in the Atmosphere based on Monte-Carlo Theory Abstract The sky is polarized due to sunlights scattering by particles and air molecules in the atmosphere. The sky polarization patterns which consists of different polarized skylight indicates the most conspicuous polarization information and directional information, which is mainly determined by the atmosphere particles, the location of the Sun and the weather conditions. In this paper, we have completed research on the theoretical celestial polarization patterns to model it based on the Monte-Carlo theory ,as well as make comparison between measured results and theoretical models, providing theoretical basic to related applied research. This dissertation includes the following contents: (1) Analysis on the essence of light and the mathematical principle of the light polarization; It summarized the physical characters of the atmosphere; Further more , it also analyzed the basic principle and the feature of Rayleigh scattering and Mie scattering. (2) Simulation on the celestial skylight polarization patterns with the real-time atmosphere parameters according to the Rayleigh and Monte Carlo modeling of light transport theories and compared it with single Rayleigh scattering modeling. (3) Detection of the skylight polarization with an imaging polarimeter, comparing with the theoretical models. Key words: Scattering light, Polarization characteristic, Monte-Carlo theory, Imaging polarimeters 插图清单插图清单 图 1- 1 大气层中光的散射示意图 . 1 图 2- 1 大气层的平面型结构图. 9 图 2- 2 图瑞利散射和米式散射. 10 图 3- 1 光在多层组织中传播的蒙特卡洛模型的流程图 . 14 图 3- 2 光在多层组织中传播仿真结果示意图 . 15 图 3- 3 散射光线与散射平面图. 16 图 3- 4 偏振蒙特卡洛仿真流程图 . 17 图 3- 5 初始子午面 COA 内 E 矢量的定义 . 18 图 3- 6 散射平面内的 E 矢量 . 18 图 3- 7 参考面的第二次旋转 . 19 图 3- 8 基于 MCML 随机理论的大气偏振模式仿真结果. 20 图 3- 9 基于复平面映射的 MCML 线偏振度分布. 21 图 3- 10 不同太阳高度角的瑞利散射模型 . 21 图 3- 11 中性点空间位置示意图 . 22 图 3- 12 中性点位置剖面示意图 . 22 图 4- 1 偏振成像检测系统 . 27 图 4- 2 一组偏振检测原始图像. 27 图 4- 3 原始图像经过处理后得到的偏振度图像（左）和偏振角图像（右） 28 图 4- 4 日落时分 Arago 中性点附近区域的偏振特性 . 29 图 4- 5 晴朗天空和多云天空天顶区域偏振特性对比 . 30 图 4- 6 实测线偏振度与仿真结果对比. 31 图 4- 7 线偏振度与太阳高度角的变化关系 . 32 插表清单插表清单 表 2- 1 斯托克斯矢量的取值范围和描述对象 . 8 表 4- 1 偏振成像系统器件的关键参数. 27 表 4- 2 实测线偏振度与仿真结果 . 31 独独 创创 性性 声声 明明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 合肥工业大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：徐 飞 签字日期：2011 年 4 月 30 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 合肥工业大学 有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权 合肥工业大学 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 学位论文作者签名：徐 飞 导师签名： 高 隽 签字日期：2011 年 4 月 30 日 签字日期：2011 年 4 月 30 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 电话： 通讯地址： 邮编： 1第一章第一章 绪绪 论论 1.1 研究的背景与意义研究的背景与意义 地球的表面被一层大气（Atmosphere）所包围，大气层是由空气分子、气溶胶粒子（气体介质和固态或液态分散相的分散体系）组成的混合物。太阳光在到达地面前需要穿过这一层厚厚的大气，而太阳光在传输的过程中，会被大气中的空气分子、气溶胶粒子散射和吸收（如图 1-1 所示） ，产生的散射光可以由传播方向、频率、相位角、振幅和幅度表示，同时幅度测量也可以得到光的散射强度等信息1。 图 1- 1 大气层中光的散射示意图 大气偏振特性研究的主要内容是太阳光在大气层中的传播问题，其中包括太阳光在大气中的空气分子以及气溶胶粒子如何发生散射折射吸收反射等作用，