一種波浪水面透射光的水下偏振場模擬方法
【專利說明】一種波浪水面透射光的水下偏振場模擬方法 (一） 所屬技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種波浪水面透射光的水下偏振場模擬方法，屬于光學(xué)遙感領(lǐng)域，對 水下目標(biāo)探測技術(shù)研究和水下偏振導(dǎo)航應(yīng)用方面具有重要意義。 (二）
【背景技術(shù)】
[0002] 波浪水面作為一種復(fù)雜的自然場景，其形態(tài)在空間上時刻發(fā)生變化。而水下透射 光攜帶強烈的偏振信息，并且在Snell窗中具有規(guī)律的分布與變化特征。研究發(fā)現(xiàn)一些水 生動物可以利用透射光的偏振特性進行導(dǎo)航迀徙。由于光的偏振特性與光的傳播方向有密 切關(guān)系，因此波浪水面的形態(tài)特征對水下透射光的偏振態(tài)分布有較大影響。隨著光的偏振 信息在光學(xué)遙感領(lǐng)域應(yīng)用的廣泛與深入，本發(fā)明中波浪水面透射光偏振特性模擬的技術(shù)方 法對研究大氣海洋親合系統(tǒng)矢量福射傳輸過程和水下偏振場的分布都有著重要的意義。
[0003] 目前水下透射光的偏振特性研究主要集中于測量手段和數(shù)值模擬的方法。而受 到探測設(shè)備和實驗環(huán)境的限制，測量水下透射光的全偏振分布極其困難；現(xiàn)有的數(shù)值模擬 手段以蒙特卡洛方法為主，又存在效率低的缺點?，F(xiàn)有的技術(shù)方法要么沒考慮入射光的偏 振特性，將入射光視為自然光；要么沒考慮波浪水面的干擾，僅研究了 Snell窗以內(nèi)的偏振 場。實際上海洋一直處于波動中，Snell窗內(nèi)外都存在偏振場，而且隨著海面的波動，水下偏 振場始終處于動態(tài)變化過程中?，F(xiàn)有的研究是對真實物理場描述的一種非常粗略的近似。 迄今為止，尚未有同時考慮入射光的偏振態(tài)與水面波動的水下透射光偏振場模擬方法的報 道，本發(fā)明建立的波浪水面透射光偏振分布模型填補了這一空白。本發(fā)明方法是一種解析 方法，沒有數(shù)值計算誤差，模型參數(shù)可調(diào)，提高了適用性，可為水下目標(biāo)偏振探測和水生動 物的偏振場感應(yīng)研究提供有效的技術(shù)方法。 (三）

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明涉及一種波浪水面透射光的水下偏振場模擬方法。技術(shù)解決方案是：建立 瑞利散射天空光的偏振模型，計算天空光的偏振態(tài)；建立波浪水面面元斜坡的概率分布模 型，統(tǒng)一入射光和透射光的參考坐標(biāo)系；考慮風(fēng)成浪的遮擋，得到波浪水面折射的Mueller 矩陣；結(jié)合Stokes參量表示法，最終可以模擬水下透射光的偏振態(tài)分布。其具體步驟如下：
[0005] 1 -種波浪水面透射光的水下偏振場模擬方法。其特征在于包含以下步驟：
[0006] (1)建立天空光偏振場坐標(biāo)系，設(shè)定太陽方位參數(shù)和觀測幾何參數(shù)；
[0007] (2)在半球天空上對入射天空光方向和觀測位置進行空間立體角采樣；
[0008] (3)根據(jù)太陽入射光與散射光方向的幾何關(guān)系計算散射角；
[0009] (4)計算入射天空光的偏振態(tài)；
[0010] (5)建立波浪水面面元坡度概率分布模型；
[0011] (6)建立波浪水面透射過程的矢量輻射傳輸模型；
[0012] (7)計算波浪水面透射天空光的偏振態(tài)；
[0013] (8)對采樣點進行加權(quán)平均從而實現(xiàn)波浪水面下行透射光的偏振場的模擬。
[0014] 2步驟（1)中所述的"建立天空光偏振場坐標(biāo)系，設(shè)定太陽方位參數(shù)和觀測幾何參 數(shù)"，確定入射光和散射光的0°參考方向，要求E矢量參考平面為入射光或散射光所在的 子午面。
[0015] 3步驟⑵中所述的"在半球天空上對入射天空光方向和觀測位置進行空間立體 角采樣"，采樣點要涵蓋整個半球天空，確定入射光以及透射光的天頂角和方位角間隔。
[0016] 4步驟（3)中所述的"根據(jù)太陽入射光與散射光方向的幾何關(guān)系計算散射角"，具 體計算過程如下：
[0017] 第一步：根據(jù)天空光偏振場坐標(biāo)系確定入射光和散射光的天頂角和方位角大小；
[0018] 第二步：根據(jù)公式cosy =CosGi 〇)8θ+??ηθ、sin0 cosqH十算散射角γ。其中，Θ 3為 太陽天頂角，Θ為觀測天頂角，φ為相對方位角。
[0019] 5步驟（4)中所述的"計算入射天空光的偏振態(tài)"，具體計算過程如下：
[0020] 第一步：利用半經(jīng)驗瑞利散射模型計算天空光的偏振度，
[0022] 其中δ _為經(jīng)驗值，最大取1 ;
[0023] 第二步：設(shè)POS為散射平面，其中0點為坐標(biāo)原點，其坐標(biāo)為（0, 0, 0) ;S點為太陽 位置，
[0024] 其坐標(biāo)為（Xs，Ys，Zs) ;Ρ點為遙感器觀測位置，其坐標(biāo)為（XP，YP，Zp)，則
[0025] OS = (Xs, Ys, Zs), OP = (XP, YP, ΖΡ)
[0026] 由于E矢量垂直于平面P0S，則E矢量垂直于向量OS和0Ρ，設(shè)E = (X，Υ, 1)，則有
[0027] X · Xs+Y · Ys+Zs= 0
[0028] X · Xp+Y · Yp+Zp= 0
[0030] 則偏振角余角的余弦為
[0032] ON為P點所在子午面的法向量；
[0033] 第三步：最后得到計算偏振角的表達式：
[0035] 6步驟（5)中所述的"建立波浪水面面元斜坡概率分布模型"，具體計算過程如下：
[0036] 第一步：建立波浪水面透射過程的坐標(biāo)系；
[0037] 第二步：根據(jù)入射方向、折射方向、面元法向量的空間關(guān)系得到波浪面元的坡度在 X，y兩坐標(biāo)軸的分量：
[0038] CN 105181145 A 說明書 3/4 頁
[0039] 其中s表示入射向量，r表示折射（觀測）向量；
[0040] 第三步：基于Cox-Munk模型計算波浪面元坡度分布概率：
[0042] 7步驟（6)中所述的"建立了波浪水面透射過程的矢量輻射傳輸模型"，具體計算 過程如下：
[0043] 第一步：計算透射方向的輻射通量：
[0044] (1Φ t= t (ω) E s cos ω sec β AP
[0045] 其中A為面元面積，β為面元法線與天頂之間的夾角，ω為入射角大小，Es表示 入射太陽輻照度，t(co)為入射角為ω時水面的透過率；
[0046] 第二步：考慮波浪面元遮擋問題，提出一個修正因子S ;
[0047] 第三步：旋轉(zhuǎn)參考面，旋轉(zhuǎn)矩陣為：
[0049] 其中i為參考面旋轉(zhuǎn)角度；
[0050] 第四步：最后得到波浪面元透射的Mueller矩陣：
[0052] 其中M為平靜水面透射的Mue 11 er矩陣。
[0053] 8步驟（7)中所述的"計算波浪水面透射天空光的偏振態(tài)"，具體計算過程：根據(jù)步 驟⑷計算出的入射天空光的偏振態(tài)，乘以步驟（6)得到的波浪水面透射的Mueller矩陣， 就得到透射光的偏振態(tài)。
[0054] 9步驟（8)中所述的"對采樣點進行加權(quán)平均從而實現(xiàn)波浪水面下行透射光的偏 振場的模擬"，具體計算過程：根據(jù)步驟（2)中的天空光采樣點，在每一個觀測方向上逐個 計算入射天空光發(fā)生折射時的Stokes參量，再進行加權(quán)平均得到該觀測方向上的透射光 的偏振態(tài)。逐步計算每個觀測方向上透射光的偏振態(tài)就實現(xiàn)了水下偏振場的模擬。
[0055] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：
[0056] (1)目前學(xué)術(shù)界缺少對波浪水