一种基于CE318太阳光度计的大气散射光偏振特性分析方法技术

本发明专利技术提出一种基于CE318太阳光度计的大气散射光偏振特性分析方法，使用CE318太阳光度计中的PPP、PPL、ALL以及ALR四个通道测量获得天空光的光强；测量时，将CE318太阳光度计偏振轮上的9个偏振片分为3组，每组中3个偏振片的偏振轴夹角为60°，使用PPP通道和PPL通道采用主平面扫描的方式测量获得不同天顶角下的天空光光强，使用ALL通道和ALR通道采用等天顶角扫描的方式测量获得不同方位角下的天空光光强；根据每次测量获得的光强信号计算线偏振度，从而对大气散射光偏振特性进行分析。本发明专利技术考虑了太阳方位、探测波长以及天气条件的影响，利用CE318太阳光度计接收入射光的强度信号，可以快速测量并计算出多波长下入射光的线偏振度。

Polarization analysis method of atmospheric scattering light based on CE318 sun photometer

This invention proposes an analysis method of polarization characteristics of atmospheric scattering light based on the CE318 solar photometer, and uses four channels of PPP, PPL, ALL and ALR in the CE318 solar photometer to measure the light intensity of the sky. When measuring, the 9 polarizing plates on the polarization wheel of the CE318 solar photometer are divided into 3 groups, and 3 polarizing pieces in each group are biased. The angle of the vibration axis is 60 degrees, using the PPP channel and the PPL channel to measure the sky light intensity under the different zenith angle using the main plane scanning method. Using the ALL channel and the ALR channel, the sky light intensity under the azimuth angle is measured by the equal zenith angle scanning, and the degree of polarization of the line is calculated according to the intensity signal obtained by each measurement. The polarization characteristics of the scattered light are analyzed. The invention considers the influence of the sun azimuth, the detection wavelength and the weather conditions, and uses the CE318 solar photometer to connect the intensity signal of the incoming light, and can quickly measure and calculate the linear polarization degree of the incident light at multiple wavelengths.

【技术实现步骤摘要】
一种基于CE318太阳光度计的大气散射光偏振特性分析方法
本专利技术属于大气偏振建模仿真
，具体涉及一种基于CE318太阳光度计的多波长全天域大气散射光偏振特性分析方法。
技术介绍
偏振是天空散射光的重要特性之一，太阳辐射在进入地球大气之前是非偏振的自然光，经过大气分子和气溶胶的散射后成为部分偏振光，来自四周的偏振光形成了大气偏振模式。偏振光导航系统中偏振传感单元、信号滤波电路与数学处理软件模型的设计依赖于大气散射光偏振特性，太阳偏振光特性又随着太阳散射角(SA)、天气情况变化而变化，大气偏振特性的研究对于降低自然扰动对导航系统的误差，优化系统设计具有重要意义。Rayleigh创立了Rayleigh散射理论，该理论的创建验证了自然光在传播过程中受空气分子的散射作用，会改变本身的偏振特性，形成拥有不同偏振态的偏振光，奠定了偏振光学的物理学基础。随后人们从Rayleigh散射定律中得到启发，构建出了大气偏振的Rayleigh散射理论模型，获得了晴朗天空下的大气偏振光的分布规律。Mie给出了均匀介质球形粒子在单色平面电磁波照射下散射问题的精确解，即Mie散射理论。目前国内外对大气散射光偏振特性的研究主要考虑不同天气条件下其偏振特性的变化，但由于大气偏振光特性不仅与天气条件有关，而且还与太阳散射角及方位角相关，因此，研究大气偏振特性不能仅考虑不同天气的影响，还必须考虑太阳散射角及散射粒子形态的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种基于CE318太阳光度计的多波长全天域大气散射光偏振特性分析方法，本方法在传统大气散射的基础上考虑了太阳方位、探测波长以及天气条件的影响，利用CE318太阳光度计接收入射光的强度信号，快速测量并计算出多波长下入射光的线偏振度。为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于CE318太阳光度计的大气散射光偏振特性分析方法，使用CE318太阳光度计中的PPP、PPL、ALL以及ALR四个通道测量获得天空光的光强；测量时，将CE318太阳光度计偏振轮上的9个偏振片分为3组，每组中3个偏振片的偏振轴夹角为60°，3组偏振片对应三种偏振态，使用PPP通道和PPL通道采用主平面扫描的方式测量获得不同天顶角下的天空光光强，使用ALL通道和ALR通道采用等天顶角扫描的方式，测量获得不同方位角下的天空光光强；每进行一次测量操作获得三种偏振态下对应的三个光强信号LP1、LP2和LP3；根据每次测量获得的三个光强信号LP1、LP2和LP3，按照公式公式(1)所示方法计算线偏振度，其中，DOP表示计算获得的线偏振度；根据计算获得的线偏振度，对大气散射光偏振特性进行分析。进一步，使用PPP通道和PPL通道进行主平面扫描时，天顶角步长为5°，在天顶角0°-150°范围内扫描。进一步，使用ALL通道和ALR通道进行等天顶角扫描，方位角步长为15°。本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于，(1)本专利技术不需要得到散射光Stokes矢量即可直接计算线偏振度，节省了因计算散射光Stokes矢量所花费的时间，提高了处理效率高；(2)本专利技术利用CE318太阳光度计得到大气散射光光强信号的数据库，可以对任意探测波长和天气条件下的线偏振度进行计算，适用性强；(3)本专利技术中，由于CE318太阳光度计探测角度划分细致，可以得到不同散射角或方位角下的连续偏振度曲线，精确度高，可以应用于海面溢油光学检测等领域。附图说明图1是本专利技术方法流程图。图2是CE318太阳光度计随太阳高度角变化的观测几何示意图。图3是CE318太阳光度计随太阳方位角变化的观测几何示意图。图4是440nm波长下三种天气条件的散射光偏振度随高度角变化关系图。图5是无云天气条件下三种波长的散射光偏振度随高度角变化关系图。图6是670nm波长下三种天气条件的散射光偏振度随高度角变化关系图。图7是薄云天气条件下三种波长的散射光偏振度随高度角变化关系图。图8是870nm波长下三种天气条件的散射光偏振度随高度角变化关系图。图9是多云天气条件下三种波长的散射光偏振度随高度角变化关系图。图10是440nm波长无云天气条件下散射光偏振度随太阳方位角变化关系图。具体实施方式容易理解，依据本专利技术的技术方案，在不变更本专利技术的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本专利技术基于CE318太阳光度计的多波长全天域大气散射光偏振特性分析方法的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本专利技术的技术方案的示例性说明，而不应当视为本专利技术的全部或者视为对本专利技术技术方案的限制或限定。结合图1，本专利技术提出的基于CE318太阳光度计的多波长全天域大气散射光偏振特性分析方法的步骤如下：步骤一：太阳坐标确定，以便使用CE318太阳光度计测量天空光的光强。由观测点的经纬度、观测日期及观测时刻，能够获得当前时刻太阳高度角hs和太阳方位角αs：sin(hs)＝sinδsinβ+cosβcosδcost(1)cos(αs)＝(sin(hs)sinβ-sinδ)/cos(hs)cosβ(2)式中：δ为太阳赤纬角；β为观测点的纬度；t为太阳时角。根据观测日期计算太阳赤纬角δ：α＝2πd/365.2422(3)d＝N-N0(N为积日)(4)N0＝79.6764+0.2422×(年份-1985)-INT[(年份-1985)/4](5)由α计算太阳赤纬角δ：δ＝0.3723+23.2567sinα+0.1149sin2α-0.1712sin3α-0.758cosα+0.3656cos2α+0.0201cos3α(6)根据观测时刻及观测点的经纬度计算太阳时角t：Sd＝S+{F-[120°-(JD+JF/60)]×4}/60(7)式中：Sd为地方时；S为观测时刻的时；F为观测时刻的分；JD和JF分别为观测点的经度和经分；由α计算时差Et：Et＝0.0028-1.9857sinα+9.9059sin2α-7.0924cosα-0.6882cos2α(8)由时差Et修正太阳时：St＝Sd+Et/60(9)根据真太阳时St，计算太阳时角t为：t＝(St-12)×15°(10)步骤二：观测模型建立及辐射信号接收。CE318型太阳光度计是由法国CIMEL公司开发的大气气溶胶和柱水汽总量观测仪器，CE318-DP型多波长偏振自动太阳光度计在8个波段(中心波长为340nm，380nm，440nm，500nm，670nm，870nm，1020nm和1640nm)观测太阳和天空辐射及其偏振特性，通过滤光片和偏振片的组合实现多波长偏振的分时快速测量。利用PPP和PPL通道进行主平面扫描，即方位角为常值而天顶角改变。在0°-150°，以步长5°，仅做一次扫描。天顶角按照步长5°每增加一次，进行一次天空光的光强测量。利用ALL和ALR通道进行等天顶角扫描，即观测天顶角等于太阳天顶角，在方位角平面上进行天空辐射测量，方位角步长为15°。方位角每增加15°，进行一次天空光的光强测量。对于主平面扫描，可获得相同方位角下，大气散射光在三种偏振态下的光强值。同理，对于等天顶角扫描，也可获得大气散射光在三种偏振态下的光强值。步骤三：线偏振度计算。CE318型太阳光度计偏振轮上的9个偏振片分为3组，每组中的3个片偏振片分别适用于不同波长范围。观测时本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于CE318太阳光度计的大气散射光偏振特性分析方法，其特征在在于，使用CE318太阳光度计中的PPP、PPL、ALL以及ALR四个通道测量获得天空光的光强；测量时，将CE318太阳光度计偏振轮上的9个偏振片分为3组，每组中3个偏振片的偏振轴夹角为60°，3组偏振片对应三种偏振态，使用PPP通道和PPL通道采用主平面扫描的方式测量获得不同天顶角下的天空光光强，使用ALL通道和ALR通道采用等天顶角扫描的方式，测量获得不同方位角下的天空光光强；每进行一次测量操作获得三种偏振态下对应的三个光强信号LP1、LP2和LP3；根据每次测量获得的三个光强信号LP1、LP2和LP3，按照公式公式(1)所示方法计算线偏振度，

【技术特征摘要】
1.一种基于CE318太阳光度计的大气散射光偏振特性分析方法，其特征在在于，使用CE318太阳光度计中的PPP、PPL、ALL以及ALR四个通道测量获得天空光的光强；测量时，将CE318太阳光度计偏振轮上的9个偏振片分为3组，每组中3个偏振片的偏振轴夹角为60°，3组偏振片对应三种偏振态，使用PPP通道和PPL通道采用主平面扫描的方式测量获得不同天顶角下的天空光光强，使用ALL通道和ALR通道采用等天顶角扫描的方式，测量获得不同方位角下的天空光光强；每进行一次测量操作获得三种偏振态下对应的三个光强信号LP1、LP2和L...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱惟贤，张海越，周骁骏，徐将，田杰，过玲钰，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32