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） 所屬技術領域
[0001] 本發明涉及一種波浪水面透射光的水下偏振場模擬方法，屬于光學遙感領域，對 水下目標探測技術研究和水下偏振導航應用方面具有重要意義。 (二）
【背景技術】
[0002] 波浪水面作為一種復雜的自然場景，其形態在空間上時刻發生變化。而水下透射 光攜帶強烈的偏振信息，并且在Snell窗中具有規律的分布與變化特征。研究發現一些水 生動物可以利用透射光的偏振特性進行導航迀徙。由于光的偏振特性與光的傳播方向有密 切關系，因此波浪水面的形態特征對水下透射光的偏振態分布有較大影響。隨著光的偏振 信息在光學遙感領域應用的廣泛與深入，本發明中波浪水面透射光偏振特性模擬的技術方 法對研究大氣海洋親合系統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值模擬的方法。而受 到探測設備和實驗環境的限制，測量水下透射光的全偏振分布極其困難；現有的數值模擬 手段以蒙特卡洛方法為主，又存在效率低的缺點。現有的技術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窗以內的偏振 場。實際上海洋一直處于波動中，Snell窗內外都存在偏振場，而且隨著海面的波動，水下偏 振場始終處于動態變化過程中。現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與水面波動的水下透射光偏振場模擬方法的報 道，本發明建立的波浪水面透射光偏振分布模型填補了這一空白。本發明方法是一種解析 方法，沒有數值計算誤差，模型參數可調，提高了適用性，可為水下目標偏振探測和水生動 物的偏振場感應研究提供有效的技術方法。 (三）
【發明內容】
[0004] 本發明涉及一種波浪水面透射光的水下偏振場模擬方法。技術解決方案是：建立 瑞利散射天空光的偏振模型，計算天空光的偏振態；建立波浪水面面元斜坡的概率分布模 型，統一入射光和透射光的參考坐標系；考慮風成浪的遮擋，得到波浪水面折射的Mueller 矩陣；結合Stokes參量表示法，最終可以模擬水下透射光的偏振態分布。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系，設定太陽方位參數和觀測幾何參數；
[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)根據太陽入射光與散射光方向的幾何關系計算散射角；
[0009] (4)計算入射天空光的偏振態；
[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；
[0013] (8)對采樣點進行加權平均從而實現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系，設定太陽方位參數和觀測幾何參 數"，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"根據太陽入射光與散射光方向的幾何關系計算散射角"，具 體計算過程如下：
[0017] 第一步：根據天空光偏振場坐標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"，具體計算過程如下：
[0020] 第一步：利用半經驗瑞利散射模型計算天空光的偏振度，
[0022] 其中δ _為經驗值，最大取1 ;
[0023] 第二步：設POS為散射平面，其中0點為坐標原點，其坐標為（0, 0, 0) ;S點為太陽 位置，
[0024] 其坐標為（Xs，Ys，Zs) ;Ρ點為遙感器觀測位置，其坐標為（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系；
[0037] 第二步：根據入射方向、折射方向、面元法向量的空間關系得到波浪面元的坡度在 X，y兩坐標軸的分量：
[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：旋轉參考面，旋轉矩陣為：
[0049] 其中i為參考面旋轉角度；
[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"，具體計算過程：根據步 驟⑷計算出的入射天空光的偏振態，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。
[0054] 9步驟（8)中所述的"對采樣點進行加權平均從而實現波浪水面下行透射光的偏 振場的模擬"，具體計算過程：根據步驟（2)中的天空光采樣點，在每一個觀測方向上逐個 計算入射天空光發生折射時的Stokes參量，再進行加權平均得到該觀測方向上的透射光 的偏振態。逐步計算每個觀測方向上透射光的偏振態就實現了水下偏振場的模擬。
[0055] 本發明與現有技術相比的優點在于：
[0056] (1)目前學術界缺少對波浪水