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大氣環境下偏振光傳輸特性研究 版權信息
- ISBN：9787030734600
- 條形碼：9787030734600 ; 978-7-03-073460-0
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
大氣環境下偏振光傳輸特性研究 內容簡介
本書系統介紹大氣環境下偏振光傳輸特性理論模型、環境模擬、測試技術、典型應用等。第1章主要介紹大氣環境下光傳輸特性研究目的與意義、國內外研究現狀，以及大氣環境特性。第2章主要介紹大氣環境光學傳輸模型與仿真。第3章主要論述偏振光傳輸模型與仿真。第4章主要研究大氣環境模擬技術，從對流式大氣湍流模擬，水霧、煙霧環境模擬兩方面進行論述。第5章主要介紹大氣環境偏振光傳輸強度特性測試。第6章主要介紹大氣環境偏振光傳輸偏振特性測試。第7部分主要介紹偏振光的應用，從基于微偏振片陣列的多譜段偏振成像、基于光源初始參數控制的部分相干部分偏振激光通信兩個方面進行論述。
大氣環境下偏振光傳輸特性研究 目錄
目錄
“偏振成像探測技術學術叢書”序
前言
第1章緒論1
1.1研究目的與意義1
1.1.1研究目的1
1.1.2研究意義1
1.2國內外研究現狀2
1.2.1偏振傳輸特性2
1.2.2大氣湍流模擬6
1.3大氣環境特性11
1.3.1大氣衰減11
1.3.2大氣光折射特性17
1.3.3大氣湍流17
1.3.4大氣湍流表征24
1.3.5大氣湍流模型27參考文獻35
第2章大氣環境光學傳輸模型及仿真39
2.1大氣衰減對光傳輸特性影響模型39
2.1.1朗伯-比爾定律39
2.1.2能見度經驗公式39
2.1.3LOWTRAN/MODTRAN/HITRAN等計算軟件40
2.2大氣湍流對光傳輸特性影響模型44
2.2.1光強閃爍44
2.2.2到達角起伏49
2.2.3光束漂移51
2.2.4光束擴展52
2.3大氣環境下激光傳輸仿真軟件53
2.3.1大氣湍流下激光傳輸光斑仿真53
2.3.2光斑遠場能量密度分布仿真62
參考文獻66
第3章大氣環境偏振光傳輸模型與仿真67
3.1偏振光學表征67
3.1.1偏振光的基礎理論67
3.1.2偏振光的表示方法72
3.1.3偏振光的散射理論78
3.2Monte Carlo仿真89
3.2.1常用的輻射傳輸解法89
3.2.2Monte Carlo方法的建模思想和求解路線90
3.2.3基于Monte Carlo方法的大氣環境下偏振光傳輸特性仿真92
3.3仿真結果與驗證98
3.3.1仿真結果分析98
3.3.2仿真實驗驗證100參考文獻104
第4章大氣環境模擬技術105
4.1大氣湍流環境模擬技術105
4.1.1對流式大氣湍流環境模擬原理105
4.1.2大氣湍流模擬裝置111
4.1.3湍流模擬裝置控制115
4.2水霧、煙霧環境模擬技術122
4.2.1注入式水霧、煙霧環境模擬裝置123
4.2.2非球形粒子煙霧環境模擬裝置139
4.2.3非均勻雙層水霧環境模擬裝置144參考文獻147
第5章大氣環境偏振光傳輸強度特性測試149
5.1大氣湍流模擬裝置光學參數性能測試149
5.1.1基于光電倍增管的光強閃爍頻譜測量151
5.1.2基于四象限探測器的到達角起伏頻譜測量155
5.2大氣湍流模擬裝置與真實大氣環境對比測試160
5.2.1實驗裝置組成160
5.2.2實驗結果分析162
5.2.3真實大氣環境與模擬大氣環境對比實驗167
5.3大氣湍流模擬裝置偏振光傳輸特性測試171
5.3.1激光傳輸特性測試方案及裝置171
5.3.2激光傳輸特性測試結果及分析175
參考文獻181
第6章大氣環境偏振光傳輸偏振特性測試183
6.1基于大氣湍流模擬裝置的偏振傳輸特性測試183
6.1.1測試系統184
6.1.2測試結果185
6.2基于水霧、煙霧環境模擬裝置的偏振傳輸特性測試187
6.2.1測試系統187
6.2.2測試結果188
6.3基于非球形粒子煙霧環境模擬裝置的偏振傳輸特性測試189
6.3.1測試系統189
6.3.2測試結果190
6.4基于非均勻雙層水霧環境模擬環境的偏振傳輸特性測試195
6.4.1測試系統195
6.4.2測試結果197
6.5真實大氣環境下偏振光傳輸偏振特性測試207
6.5.1測試系統207
6.5.2測試結果209參考文獻217
第7章大氣環境偏振成像與偏振通信應用219
7.1基于微偏振片陣列的多譜段偏振成像探測219
7.1.1偏振成像探測技術219
7.1.2基于微偏振片陣列的多譜段偏振成像探測方案225
7.1.3偏振成像探測實驗229
7.2部分相干偏振激光通信235
7.2.1部分相干光傳輸特性模型235
7.2.2部分相干光偏振傳輸特性241
7.2.3基于光源初始參數控制的部分相干偏振激光通信方案253
7.2.4基于偏振位移鍵控的激光通信256
參考文獻264
“偏振成像探測技術學術叢書”序
前言
第1章緒論1
1.1研究目的與意義1
1.1.1研究目的1
1.1.2研究意義1
1.2國內外研究現狀2
1.2.1偏振傳輸特性2
1.2.2大氣湍流模擬6
1.3大氣環境特性11
1.3.1大氣衰減11
1.3.2大氣光折射特性17
1.3.3大氣湍流17
1.3.4大氣湍流表征24
1.3.5大氣湍流模型27參考文獻35
第2章大氣環境光學傳輸模型及仿真39
2.1大氣衰減對光傳輸特性影響模型39
2.1.1朗伯-比爾定律39
2.1.2能見度經驗公式39
2.1.3LOWTRAN/MODTRAN/HITRAN等計算軟件40
2.2大氣湍流對光傳輸特性影響模型44
2.2.1光強閃爍44
2.2.2到達角起伏49
2.2.3光束漂移51
2.2.4光束擴展52
2.3大氣環境下激光傳輸仿真軟件53
2.3.1大氣湍流下激光傳輸光斑仿真53
2.3.2光斑遠場能量密度分布仿真62
參考文獻66
第3章大氣環境偏振光傳輸模型與仿真67
3.1偏振光學表征67
3.1.1偏振光的基礎理論67
3.1.2偏振光的表示方法72
3.1.3偏振光的散射理論78
3.2Monte Carlo仿真89
3.2.1常用的輻射傳輸解法89
3.2.2Monte Carlo方法的建模思想和求解路線90
3.2.3基于Monte Carlo方法的大氣環境下偏振光傳輸特性仿真92
3.3仿真結果與驗證98
3.3.1仿真結果分析98
3.3.2仿真實驗驗證100參考文獻104
第4章大氣環境模擬技術105
4.1大氣湍流環境模擬技術105
4.1.1對流式大氣湍流環境模擬原理105
4.1.2大氣湍流模擬裝置111
4.1.3湍流模擬裝置控制115
4.2水霧、煙霧環境模擬技術122
4.2.1注入式水霧、煙霧環境模擬裝置123
4.2.2非球形粒子煙霧環境模擬裝置139
4.2.3非均勻雙層水霧環境模擬裝置144參考文獻147
第5章大氣環境偏振光傳輸強度特性測試149
5.1大氣湍流模擬裝置光學參數性能測試149
5.1.1基于光電倍增管的光強閃爍頻譜測量151
5.1.2基于四象限探測器的到達角起伏頻譜測量155
5.2大氣湍流模擬裝置與真實大氣環境對比測試160
5.2.1實驗裝置組成160
5.2.2實驗結果分析162
5.2.3真實大氣環境與模擬大氣環境對比實驗167
5.3大氣湍流模擬裝置偏振光傳輸特性測試171
5.3.1激光傳輸特性測試方案及裝置171
5.3.2激光傳輸特性測試結果及分析175
參考文獻181
第6章大氣環境偏振光傳輸偏振特性測試183
6.1基于大氣湍流模擬裝置的偏振傳輸特性測試183
6.1.1測試系統184
6.1.2測試結果185
6.2基于水霧、煙霧環境模擬裝置的偏振傳輸特性測試187
6.2.1測試系統187
6.2.2測試結果188
6.3基于非球形粒子煙霧環境模擬裝置的偏振傳輸特性測試189
6.3.1測試系統189
6.3.2測試結果190
6.4基于非均勻雙層水霧環境模擬環境的偏振傳輸特性測試195
6.4.1測試系統195
6.4.2測試結果197
6.5真實大氣環境下偏振光傳輸偏振特性測試207
6.5.1測試系統207
6.5.2測試結果209參考文獻217
第7章大氣環境偏振成像與偏振通信應用219
7.1基于微偏振片陣列的多譜段偏振成像探測219
7.1.1偏振成像探測技術219
7.1.2基于微偏振片陣列的多譜段偏振成像探測方案225
7.1.3偏振成像探測實驗229
7.2部分相干偏振激光通信235
7.2.1部分相干光傳輸特性模型235
7.2.2部分相干光偏振傳輸特性241
7.2.3基于光源初始參數控制的部分相干偏振激光通信方案253
7.2.4基于偏振位移鍵控的激光通信256
參考文獻264
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大氣環境下偏振光傳輸特性研究 節選
第1章 緒論 1.1研究目的與意義 1.1.1研究目的 各種復雜大氣環境的動態、靜態物理特性對光電高技術裝備的性能及效能影響一直是系統設計和儀器使用必須考慮的重要問題。利用環境模擬和仿真手段深入研究復雜大氣環境特征及模型，對于優化光電高技術裝備、提升環境適應能力都是非常必要的。 研究大氣環境下光學傳輸特性仿真和模擬技術，可以為空間光電探測、激光通信系統等光電高技術裝備的總體設計、性能測試、性能指標優化等提供依據，還可以為各種光電測控設備中的光學傳輸特性測試提供實驗平臺，加快新型光電高技術裝備的研制速度，為各種以光學為工作對象的高技術裝備在復雜大氣環境下工作性能的研究提供基礎條件。 以光學傳輸特性模擬、仿真與測試為基礎，對裝備性能和功能進一步提高，構建大氣環境光學傳輸特性研究平臺，深入開展大氣光學探測、大氣激光通信等裝備在復雜大氣環境光學傳輸特性研究，為上述裝備和技術的應用提供有力的技術支撐。 在需求強烈和共性技術有一定支撐的背景下，研究復雜大氣環境下光學傳輸特性的模擬、仿真和測試系統，將光學在不同大氣環境下的傳輸特性模擬、仿真、測試進行綜合集成，聯合國內光學傳輸特性研究的相關技術能力和各種資源，推動該技術的工程化應用。 1.1.2研究意義 光學探測、光學成像、激光通信、激光測距等光電工程裝備都是以光學為主要探測信息，搭載平臺有星載 (航天)、機載 (航空)、艦載 (海上)、艇載 (臨近空間)、車載(陸地)等。其工作的環境復雜多樣，包括大氣、海水、臨近空間和太空。特別是，復雜大氣環境對光學傳輸過程的影響，包括大氣吸收、散射造成的衰減，以及各種尺度的湍流效應和熱暈效應等。 長期以來，大氣環境中的光學傳輸特性研究都只是以裝備的具體應用環境和應用目標進行有針對性的研究。由于不同光電高技術裝備的應用目標、技術參數和性能要求的巨大差異，其研究結果并不具有廣泛的適應性。因此，研制復雜大氣環境下光學傳輸特性仿真模擬及綜合測試系統，開展多種波長和多種維度的復雜大氣環境中光學傳輸特性的研究，可以從光學自身特點出發，結合不同光學高技術裝備的適用環境、具體技術指標和性能要求，有針對性地控制實驗條件進行系統地研究，得到的結果可以為這些光電高技術裝備的性能優化和工作性能評估提供非常有價值的參考資料。 1.2國內外研究現狀 1.2.1偏振傳輸特性 1. 國外研究現狀 偏振光在大氣中傳輸時會受到傳輸介質的類型、粒子形貌、粒徑大小、粒子濃度等因素影響，導致目標偏振特性受到傳輸介質的散射、吸收和反射程度的不同，使偏振探測效果各異。瑞利 (Rayleigh)散射理論驗證了自然光在傳播過程中受大氣氣溶膠粒子的散射作用。散射作用會改變光的偏振特性，形成不同偏振態的偏振光。 1997年，Jeffrey等[1]將離散坐標法用于多尺度矢量輻射傳輸求解。其中的矢量離散坐標法適用于熱源和平行光下的傳輸模型。把該方法應用于三維等溫圍場時發現，內部的輻射場是非偏振的，滿足基爾霍夫定律。 2000年，美國進行了散射介質中可見光偏振成像的實驗 [2]。實驗在水體、煙霧類型的散射介質中進行偏振成像。實驗表明，偏振成像能夠提高散射介質中圖像的對比度，特別是對全斯托克斯 (Stokes)偏振圖像進行某些處理后效果更佳。利用偏振成像技術可以增強渾濁介質中的目標成像質量。 2001年，Hatcher[3]采用蒙特卡羅 (Monte Carlo)和多組分近似法研究矢量輻射傳輸，通過對穆勒 (Mueller)矩陣進行定義，多次對比兩種方法計算兩層渾濁介質的結果，驗證求解矢量輻射傳輸的可行性。結果表明，兩種方法都可以精確預測渾濁介質的散射性質。 2006年，密蘇里大學哥倫比亞分校深入研究了可見光波段 (波長 633nm)條件下，渾濁介質的光學特性對目標偏振成像(包括線偏振成像和圓偏振成像)的影響[4]。實驗研究的介質光學特性包括散射系數、吸收系數、反射系數；選取的不同類別的目標具有不同的散射、吸收和反射特性。渾濁介質的光學特性，以及目標的類別都會對偏振成像效果的改善有不同程度的影響。此外，文獻 [4]特別指出渾濁介質中偏振成像的應用，即依據目標的偏振態辨別目標的類型。如果目標類型已知，那么依據不同偏振分量之間相關圖像的清晰度可以揭示背景的某些光學特性。 2010年，Endre等[5]以大氣 -海洋模型為背景，描述斯托克斯 (Stokes)矢量在介質中傳輸的過程，分析給出矢量輻射傳輸過程中的理論模型，并分別統計入射光為偏振光和非偏振光兩種情況時海平面位置的 Stokes矢量值。同年， Benoit等[6]用積分矢量 Monte Carlo方法研究多次散射介質中的后向散射矩陣，并對充滿均勻懸浮單次散射粒子的方盒進行模擬成像，研究不同 Mueller矩陣元素對不同粒子的敏感性。 2012年，Boris等[7]提出快速線對線模型，并計算垂直非齊次環境下短波輻射的 Stokes參數，評估云和氣溶膠對傳輸的影響。 2017年，普林斯頓大學通過建立介質和有源波片中的多次散射分析模型，對光的水平、傾斜入射和吸收特性進行分析 [8]。 2021年，Alemanno等[9]用光譜偏振技術測定火星模擬物質的光學常數。同年，Jaiswal等[10]基于 Stokes矩陣，計算火星大氣粒子 (水冰云、干冰、沙塵 )的單次散射和多次散射偏振特性，并對兩種散射偏振特性進行比較分析。 2. 國內研究現狀 在大氣環境偏振光傳輸技術領域，國內尚未深入開展復雜環境下偏振信息傳輸特性的研究。基礎研究工作的缺乏在一定程度上限制了我國大氣環境偏振信息傳輸與探測技術的發展。 1992年，中國科學院安徽光學精密機械研究所 [11]研究了球形與非球形顆粒反射膜后向散射角的分布特性。結果表明，散射強度和角分布曲線與顆粒密度、顆粒尺寸、形狀有關，選擇合適的表面顆粒參數有可能控制其后向散射角的分布特性。 2001年，南京理工大學 [12]根據 T矩陣方法，發展了非球形回轉體微粒消光特性的計算模型，編制出 T矩陣方法微粒消光特性計算程序，能夠對固定取向和隨機取向回轉體微粒的消光截面、散射截面、吸收截面和散射相函數進行計算，并在此基礎上討論非球形微粒的取向、形狀、粒徑、表面特征等因素對消光特性的影響，得出采用薄片形和針形的微粒有利于提高消光性能。 2002年，北京大學[13，14]在瞬態矢量輻射傳輸，以及不同散射條件下 Mueller矩陣的詳細解析表達式方面做了大量的研究，例如為求解高斯 (Gauss)平面脈沖波的全極化散射，推導與時間相關的 Mueller矩陣解析表達式；基于高階 Mueller矩陣解，迭代反演非均勻地表植被分布和土壤濕度的圖像。 2010年，哈爾濱工業大學 [15]運用譜元法求解雙層介質矢量輻射傳輸的問題，運用切比雪夫多項式建立譜元的基本公式，并與基準解進行對比。數值結果顯示，該方法在解決多尺度偏振輻射傳輸問題上具有精確性、靈活性和高效性。 2010年，西安電子科技大學 [16]研究了非球形混合氣溶膠紫外和可見光的傳輸與散射特性，利用 T矩陣方法計算有限長柱狀、橢球狀和切比雪夫粒子的散射強度，并與等效球形粒子的散射強度進行了比較。此外，利用多分散 Monte Carlo方法計算粒徑滿足對數正態分布的水霧傳輸特性，并與等效近似方法計算結果進行比較。研究表明，等效球形粒子與非球形粒子的散射強度差距很大。當傳輸以多次散射為主時，等效近似方法計算結果與多分散 Monte Carlo方法的計算結果差距也比較大。 2012年，燕山大學研究了散射粒子形狀改變對光波在二維隨機介質系統中傳輸情況的影響。基于整體散射效應模型，建立非球形粒子作為散射粒子的二維隨機介質的模型 [17]，構建麥克斯韋 (Maxwell)方程，采用非均勻網格劃分的時域有限差分方法解 Maxwell方程，得到非球形粒子二維隨機介質模型中的傳輸和空間分布。 2015年，浙江工業大學 [18]采用雙光路檢測配置條件，結合米 (Mie)散射理論，運用 Stokes矢量形式，以煙霧模擬特定氣溶膠環境，探究偏振光經過不同煙霧環境的傳輸變化情況。實驗表明，煙霧質量濃度不同時，水平線偏振光的偏振特性基本不改變，右旋偏振光和 45°線偏振光退偏程度隨煙霧質量濃度的增加而增加， 460nm和 556nm波長的偏振光在變化趨勢上保持一致。 2015年，解放軍理工大學 [19]對偏振光在非球形氣溶膠中的傳輸特性進行仿真研究，系統給出矢量輻射傳輸 Monte Carlo模型，并驗證其準確度；考慮入射光偏振態，討論不同方向漫射光 Stokes矢量對氣溶膠形狀的敏感性。 2016年，長春理工大學 [20]針對自然界中多數沙塵、煙煤粒子的非球形問題，研究非球形橢球粒子的折射率、有效半徑、粒子形狀等參數變化對光偏振特性的影響，采用基于 T矩陣的非球形粒子仿真方法，模擬非偏振光經橢球粒子傳輸后光的偏振特性及其與球形粒子間的差異，并以實際沙塵、海洋、煙煤三種氣溶膠粒子為例說明結果的正確性。研究表明，在光傳輸過程中，橢球粒子多數情況下無法近似為球形粒子進行計算。 2016年，山東理工大學 [21]基于矢量輻射傳輸理論，利用矩陣算法研究海洋 -大氣耦合系統中海霧氣溶膠對太陽光的偏振散射特性。研究表明，多波長多角度偏振度(degree of polarization，DOP)信息隨海洋表面和大氣環境變化敏感，可以結合輻射強度和 DOP對海洋背景下的氣溶膠特性進行遙感反演。 2017年，西安電子科技大學 [22]利用離散偶極子方法對從簡單到復雜的霧霾簇團粒子散射特性進行仿真計算，并利用 Monte Carlo方法計算具有一定尺度分布的霧霾介質中的光透射率隨傳輸距離的變化趨勢。結果表明，光在霧中傳輸時，波長越長透射率越大。霧的海洋型分布對光的衰減比大陸型分布更嚴重，所以分布對透射率的影響比較大。 2017年，北京大學 [23]通過理論分析驗證了在大氣湍流的情況下，多個偏振參數對于地面光傳輸的特性。首先，基于擴展的惠更斯 -菲涅耳原理導出偏振參數的**力矩特征和第二力矩特征。然后，針對不同的傳播距離、光源特性和湍流強度，給出數值模擬。昀后，進行一系列的測試，驗證具有湍流控制條件的理論，其中分別在兩個波長處測量偏振態。因此，理論預測與實驗數據密切相關。隨著湍流強度的增加，偏振參數的一階矩在不同的趨勢中隨之變化，而其二階矩增加。所提方法有望用于建立全面的偏振統計模型，并改善自由空間光通信鏈路的性能。 2017年，長春理工大學 [24]針對紅外波段下濕度對偏振光傳輸特性的影響問題，以自然界中常見的煙煤粒子作為研究對象，采用 Monte Carlo方法仿真研究不同紅外波段下濕度對線偏振光和圓偏振光傳輸特性的影響情況及其之間的差異特性。研究結果表明，在短波波段，線偏振光與圓偏振光的 DOP隨濕度的增加呈現逐漸上升的趨勢；在中波波段，隨濕度的增加，兩種偏振光都呈現下降趨勢；在長波波段，濕度對偏振狀態幾乎沒有影響。進一步比較可知，在短波波段，圓偏振光具有更好的偏振特性；在中長波段，線偏振光的偏振特性更加顯著。因此，在應用紅外偏振進行探測時，該研究對波段的選取、濕度的控制及偏振態的應用具有重要的指導意義。 2019年，長春理工大學 [25]采用Ｔ矩陣算法研究橢球、圓柱、切比雪夫粒子的偏振傳輸特性及其與球形粒子偏振傳輸特性的差異。研究結果表明，對于橫縱軸之比為中等的橢球粒子，當散射角小于 60°時，不同形狀橢球粒子的 DOP差異較小，可用 Mie散射方法進行粒子偏振特性的近似計算；當散射角大于 60°時，DOP橫縱軸之比的變化較大，且球形與橢球粒子的 DOP差異隨著橫縱
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