大气环境下偏振光传输特性研究

第1章 绪论 1.1研究目的与意义 1.1.1研究目的 各种复杂大气环境的动态、静态物理特性对光电高技术装备的性能及效能影响一直是系统设计和仪器使用必须考虑的重要问题。利用环境模拟和仿真手段深入研究复杂大气环境特征及模型，对于优化光电高技术装备、提升环境适应能力都是非常必要的。 研究大气环境下光学传输特性仿真和模拟技术，可以为空间光电探测、激光通信系统等光电高技术装备的总体设计、性能测试、性能指标优化等提供依据，还可以为各种光电测控设备中的光学传输特性测试提供实验平台，加快新型光电高技术装备的研制速度，为各种以光学为工作对象的高技术装备在复杂大气环境下工作性能的研究提供基础条件。 以光学传输特性模拟、仿真与测试为基础，对装备性能和功能进一步提高，构建大气环境光学传输特性研究平台，深入开展大气光学探测、大气激光通信等装备在复杂大气环境光学传输特性研究，为上述装备和技术的应用提供有力的技术支撑。 在需求强烈和共性技术有一定支撑的背景下，研究复杂大气环境下光学传输特性的模拟、仿真和测试系统，将光学在不同大气环境下的传输特性模拟、仿真、测试进行综合集成，联合国内光学传输特性研究的相关技术能力和各种资源，推动该技术的工程化应用。 1.1.2研究意义 光学探测、光学成像、激光通信、激光测距等光电工程装备都是以光学为主要探测信息，搭载平台有星载 (航天)、机载 (航空)、舰载 (海上)、艇载 (临近空间)、车载(陆地)等。其工作的环境复杂多样，包括大气、海水、临近空间和太空。特别是，复杂大气环境对光学传输过程的影响，包括大气吸收、散射造成的衰减，以及各种尺度的湍流效应和热晕效应等。 长期以来，大气环境中的光学传输特性研究都只是以装备的具体应用环境和应用目标进行有针对性的研究。由于不同光电高技术装备的应用目标、技术参数和性能要求的巨大差异，其研究结果并不具有广泛的适应性。因此，研制复杂大气环境下光学传输特性仿真模拟及综合测试系统，开展多种波长和多种维度的复杂大气环境中光学传输特性的研究，可以从光学自身特点出发，结合不同光学高技术装备的适用环境、具体技术指标和性能要求，有针对性地控制实验条件进行系统地研究，得到的结果可以为这些光电高技术装备的性能优化和工作性能评估提供非常有价值的参考资料。 1.2国内外研究现状 1.2.1偏振传输特性 1. 国外研究现状 偏振光在大气中传输时会受到传输介质的类型、粒子形貌、粒径大小、粒子浓度等因素影响，导致目标偏振特性受到传输介质的散射、吸收和反射程度的不同，使偏振探测效果各异。瑞利 (Rayleigh)散射理论验证了自然光在传播过程中受大气气溶胶粒子的散射作用。散射作用会改变光的偏振特性，形成不同偏振态的偏振光。 1997年，Jeffrey等[1]将离散坐标法用于多尺度矢量辐射传输求解。其中的矢量离散坐标法适用于热源和平行光下的传输模型。把该方法应用于三维等温围场时发现，内部的辐射场是非偏振的，满足基尔霍夫定律。 2000年，美国进行了散射介质中可见光偏振成像的实验 [2]。实验在水体、烟雾类型的散射介质中进行偏振成像。实验表明，偏振成像能够提高散射介质中图像的对比度，特别是对全斯托克斯 (Stokes)偏振图像进行某些处理后效果更佳。利用偏振成像技术可以增强浑浊介质中的目标成像质量。 2001年，Hatcher[3]采用蒙特卡罗 (Monte Carlo)和多组分近似法研究矢量辐射传输，通过对穆勒 (Mueller)矩阵进行定义，多次对比两种方法计算两层浑浊介质的结果，验证求解矢量辐射传输的可行性。结果表明，两种方法都可以精确预测浑浊介质的散射性质。 2006年，密苏里大学哥伦比亚分校深入研究了可见光波段 (波长 633nm)条件下，浑浊介质的光学特性对目标偏振成像(包括线偏振成像和圆偏振成像)的影响[4]。实验研究的介质光学特性包括散射系数、吸收系数、反射系数；选取的不同类别的目标具有不同的散射、吸收和反射特性。浑浊介质的光学特性，以及目标的类别都会对偏振成像效果的改善有不同程度的影响。此外，文献 [4]特别指出浑浊介质中偏振成像的应用，即依据目标的偏振态辨别目标的类型。如果目标类型已知，那么依据不同偏振分量之间相关图像的清晰度可以揭示背景的某些光学特性。 2010年，Endre等[5]以大气 -海洋模型为背景，描述斯托克斯 (Stokes)矢量在介质中传输的过程，分析给出矢量辐射传输过程中的理论模型，并分别统计入射光为偏振光和非偏振光两种情况时海平面位置的 Stokes矢量值。同年， Benoit等[6]用积分矢量 Monte Carlo方法研究多次散射介质中的后向散射矩阵，并对充满均匀悬浮单次散射粒子的方盒进行模拟成像，研究不同 Mueller矩阵元素对不同粒子的敏感性。 2012年，Boris等[7]提出快速线对线模型，并计算垂直非齐次环境下短波辐射的 Stokes参数，评估云和气溶胶对传输的影响。 2017年，普林斯顿大学通过建立介质和有源波片中的多次散射分析模型，对光的水平、倾斜入射和吸收特性进行分析 [8]。 2021年，Alemanno等[9]用光谱偏振技术测定火星模拟物质的光学常数。同年，Jaiswal等[10]基于 Stokes矩阵，计算火星大气粒子 (水冰云、干冰、沙尘 )的单次散射和多次散射偏振特性，并对两种散射偏振特性进行比较分析。 2. 国内研究现状 在大气环境偏振光传输技术领域，国内尚未深入开展复杂环境下偏振信息传输特性的研究。基础研究工作的缺乏在一定程度上限制了我国大气环境偏振信息传输与探测技术的发展。 1992年，中国科学院安徽光学精密机械研究所 [11]研究了球形与非球形颗粒反射膜后向散射角的分布特性。结果表明，散射强度和角分布曲线与颗粒密度、颗粒尺寸、形状有关，选择合适的表面颗粒参数有可能控制其后向散射角的分布特性。 2001年，南京理工大学 [12]根据 T矩阵方法，发展了非球形回转体微粒消光特性的计算模型，编制出 T矩阵方法微粒消光特性计算程序，能够对固定取向和随机取向回转体微粒的消光截面、散射截面、吸收截面和散射相函数进行计算，并在此基础上讨论非球形微粒的取向、形状、粒径、表面特征等因素对消光特性的影响，得出采用薄片形和针形的微粒有利于提高消光性能。 2002年，北京大学[13，14]在瞬态矢量辐射传输，以及不同散射条件下 Mueller矩阵的详细解析表达式方面做了大量的研究，例如为求解高斯 (Gauss)平面脉冲波的全极化散射，推导与时间相关的 Mueller矩阵解析表达式；基于高阶 Mueller矩阵解，迭代反演非均匀地表植被分布和土壤湿度的图像。 2010年，哈尔滨工业大学 [15]运用谱元法求解双层介质矢量辐射传输的问题，运用切比雪夫多项式建立谱元的基本公式，并与基准解进行对比。数值结果显示，该方法在解决多尺度偏振辐射传输问题上具有精确性、灵活性和高效性。 2010年，西安电子科技大学 [16]研究了非球形混合气溶胶紫外和可见光的传输与散射特性，利用 T矩阵方法计算有限长柱状、椭球状和切比雪夫粒子的散射强度，并与等效球形粒子的散射强度进行了比较。此外，利用多分散 Monte Carlo方法计算粒径满足对数正态分布的水雾传输特性，并与等效近似方法计算结果进行比较。研究表明，等效球形粒子与非球形粒子的散射强度差距很大。当传输以多次散射为主时，等效近似方法计算结果与多分散 Monte Carlo方法的计算结果差距也比较大。 2012年，燕山大学研究了散射粒子形状改变对光波在二维随机介质系统中传输情况的影响。基于整体散射效应模型，建立非球形粒子作为散射粒子的二维随机介质的模型 [17]，构建麦克斯韦 (Maxwell)方程，采用非均匀网格划分的时域有限差分方法解 Maxwell方程，得到非球形粒子二维随机介质模型中的传输和空间分布。 2015年，浙江工业大学 [18]采用双光路检测配置条件，结合米 (Mie)散射理论，运用 Stokes矢量形式，以烟雾模拟特定气溶胶环境，探究偏振光经过不同烟雾环境的传输变化情况。实验表明，烟雾质量浓度不同时，水平线偏振光的偏振特性基本不改变，右旋偏振光和 45°线偏振光退偏程度随烟雾质量浓度的增加而增加， 460nm和 556nm波长的偏振光在变化趋势上保持一致。 2015年，解放军理工大学 [19]对偏振光在非球形气溶胶中的传输特性进行仿真研究，系统给出矢量辐射传输 Monte Carlo模型，并验证其准确度；考虑入射光偏振态，讨论不同方向漫射光 Stokes矢量对气溶胶形状的敏感性。 2016年，长春理工大学 [20]针对自然界中多数沙尘、烟煤粒子的非球形问题，研究非球形椭球粒子的折射率、有效半径、粒子形状等参数变化对光偏振特性的影响，采用基于 T矩阵的非球形粒子仿真方法，模拟非偏振光经椭球粒子传输后光的偏振特性及其与球形粒子间的差异，并以实际沙尘、海洋、烟煤三种气溶胶粒子为例说明结果的正确性。研究表明，在光传输过程中，椭球粒子多数情况下无法近似为球形粒子进行计算。 2016年，山东理工大学 [21]基于矢量辐射传输理论，利用矩阵算法研究海洋 -大气耦合系统中海雾气溶胶对太阳光的偏振散射特性。研究表明，多波长多角度偏振度(degree of polarization，DOP)信息随海洋表面和大气环境变化敏感，可以结合辐射强度和 DOP对海洋背景下的气溶胶特性进行遥感反演。 2017年，西安电子科技大学 [22]利用离散偶极子方法对从简单到复杂的雾霾簇团粒子散射特性进行仿真计算，并利用 Monte Carlo方法计算具有一定尺度分布的雾霾介质中的光透射率随传输距离的变化趋势。结果表明，光在雾中传输时，波长越长透射率越大。雾的海洋型分布对光的衰减比大陆型分布更严重，所以分布对透射率的影响比较大。 2017年，北京大学 [23]通过理论分析验证了在大气湍流的情况下，多个偏振参数对于地面光传输的特性。首先，基于扩展的惠更斯 -菲涅耳原理导出偏振参数的**力矩特征和第二力矩特征。然后，针对不同的传播距离、光源特性和湍流强度，给出数值模拟。昀后，进行一系列的测试，验证具有湍流控制条件的理论，其中分别在两个波长处测量偏振态。因此，理论预测与实验数据密切相关。随着湍流强度的增加，偏振参数的一阶矩在不同的趋势中随之变化，而其二阶矩增加。所提方法有望用于建立全面的偏振统计模型，并改善自由空间光通信链路的性能。 2017年，长春理工大学 [24]针对红外波段下湿度对偏振光传输特性的影响问题，以自然界中常见的烟煤粒子作为研究对象，采用 Monte Carlo方法仿真研究不同红外波段下湿度对线偏振光和圆偏振光传输特性的影响情况及其之间的差异特性。研究结果表明，在短波波段，线偏振光与圆偏振光的 DOP随湿度的增加呈现逐渐上升的趋势；在中波波段，随湿度的增加，两种偏振光都呈现下降趋势；在长波波段，湿度对偏振状态几乎没有影响。进一步比较可知，在短波波段，圆偏振光具有更好的偏振特性；在中长波段，线偏振光的偏振特性更加显著。因此，在应用红外偏振进行探测时，该研究对波段的选取、湿度的控制及偏振态的应用具有重要的指导意义。 2019年，长春理工大学 [25]采用Ｔ矩阵算法研究椭球、圆柱、切比雪夫粒子的偏振传输特性及其与球形粒子偏振传输特性的差异。研究结果表明，对于横纵轴之比为中等的椭球粒子，当散射角小于 60°时，不同形状椭球粒子的 DOP差异较小，可用 Mie散射方法进行粒子偏振特性的近似计算；当散射角大于 60°时，DOP横纵轴之比的变化较大，且球形与椭球粒子的 DOP差异随着横纵