基于矢量辐射传输的天空偏振特性研究

论文摘要

太阳光是自然光,光是一种电磁波,电磁波在传输过程中经过大气分子、气溶胶粒子、云等的散射吸收以及下垫面的吸收反射,产生了偏振特性。偏振特性是光的重要特性之一,天空偏振特性的研究在偏振导航、大气遥感探测等许多领域有着极大的作用,是国内外研究的热门课题。为了研究多种因素对天空偏振特性的影响,分析实际大气状况下的天空偏振特性,本文基于矢量辐射传输进行了天空偏振建模,模拟分析了多种因素对天空偏振特性的影响,并测试分析了实际大气条件下的天空偏振特性,为天空偏振特性的实际应用提供了理论支持和实验数据。首先,本文从大气辐射传输理论出发,阐述了大气介质对辐射传输的散射理论,分析了天空偏振特性的产生原因,着重描述了大气矢量辐射传输方程。利用蒙特卡罗原理通过数值模拟解算方程,同时结合大气模式、气溶胶模型、云参数等,介绍了以矢量辐射传输方程为理论基础的天空偏振建模方法。其次,本文利用基于矢量辐射传输方程的天空偏振模型,仿真分析了大气模式、地表反照率、气溶胶模型、水云等对天空偏振特性的影响。结果表明,大气模式对偏振特性没有影响;地表反照率的变化对偏振方位角无影响,偏振度随着地表反照率的增强而下降;偏振度随着不同气溶胶模型所含组分浓度的升高而不断减小,随着气溶胶光学厚度的增大而不断下降,但是气溶胶对偏振方位角基本没有影响;水云很大程度的影响偏振特性的分布,水云会破坏偏振方位角的分布,也会衰减偏振度的数值,随着水云光学厚度的增大,偏振度快速下降。最后,本文利用图像式天空偏振特性测试系统,进行了若干次测试实验,通过数据处理分析研究了气溶胶、云等对天空偏振特性的影响规律。研究结果表明:偏振度以太阳为中心呈环状分布,沿太阳子午线先增大后减小;偏振方位角分布稳定,在太阳子午线上为±90度,这和仿真结果一致。偏振度随PM10和PM2.5的浓度增大而减小,云层也会减弱偏振度并破坏其环状分布。偏振方位角基本不受气溶胶和少量云的影响,但太阳附近的偏振方位角由于过曝光的原因会引起数值界限不清晰。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 选题背景及意义
•   1.2 国内外研究现状
•   1.3 论文主要内容
• 2 大气辐射传输及天空偏振特性
•   2.1 大气辐射传输
•     2.1.1 Rayleigh散射和Mie散射
•     2.1.2 矢量辐射传输方程
•   2.2 天空偏振特性的数学表征
•   2.3 天空偏振特性的测量原理
•   2.4 本章小结
• 3 基于矢量辐射传输的天空偏振建模
•   3.1 参考坐标系
•   3.2 天空偏振建模的影响因素
•   3.3 基于蒙特卡罗法的矢量辐射传输模型
•   3.4 本章小结
• 4 不同影响因素下天空偏振特性的仿真分析
•   4.1 分子大气浓度对偏振特性的影响
•   4.2 地表反照率对偏振特性的影响
•   4.3 大气气溶胶对偏振特性的影响
•     4.3.1 气溶胶浓度对偏振特性的影响
•     4.3.2 气溶胶光学厚度对偏振特性的影响
•   4.4 水云光学厚度对偏振特性的影响
•   4.5 本章小结
• 5 实际大气条件下的天空偏振特性测试分析
•   5.1 天空偏振特性测试系统
•   5.2 天空偏振特性的实际测试分析
•   5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张西光

导师: 崔岩

关键词: 大气辐射,天空偏振特性,矢量辐射传输,蒙特卡罗法

来源: 大连理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 数学,物理学

单位: 大连理工大学

分类号: O436.3;O175

DOI: 10.26991/d.cnki.gdllu.2019.000460

总页数: 60

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