Rayleigh大气天空光偏振分布仿真与预测
天空光偏振模式自动探测装置
天空光偏振模式自动探测装置
赵开春;卢皓;尤政
【期刊名称】《光学精密工程》
【年(卷),期】2013(021)002
【摘要】为了获得较高的天空偏振光导航精度,研究了天空光偏振模式的模型.设计了天空光偏振模式自动探测装置,用于获取大量的天空光偏振模式信息并构建天空光偏振模式模型.该装置克服了传统天空偏振光分布模式探测仪器操作繁琐,效率低的缺点,利用计算机控制角度旋转和相机拍照协同工作,能够简单快捷地实现一键采集一组天空偏振图像.测试显示,该装置能够准确地在预期位置完成偏振图像的采集工作.获得的图像偏振模式明显,对于光强度的探测精度优于0.237 5(3σ)灰度值(8 bits),平均每个测量点耗时3.02 s,采集效率较传统偏振模式探测仪器大为提高,能够实现天空光偏振模式的有效探测.
【总页数】7页(P239-245)
【作者】赵开春;卢皓;尤政
【作者单位】清华大学精密仪器与机械学系,北京100084;清华大学精密仪器与机械学系,北京100084;军械工程学院,河北石家庄050003;清华大学精密仪器与机械学系,北京100084
【正文语种】中文
【中图分类】P415.3;TP212
【相关文献】
1.一种基于天空光偏振特性的天文导航方式 [J], 王光辉;朱海;莫军;徐剑锋
2.多种天气条件下的天空光偏振模型 [J], 张颖;张熠;赵慧洁
3.一种基于天空光的新型成像式仿生偏振导航传感装置 [J], 李彬;关乐;刘琦;褚金奎
4.Rayleigh大气天空光偏振分布仿真与预测 [J], 赵开春;褚金奎;姚弘轶;张强;王体昌
5.基于天空光偏振模式的导航姿态最优化解算方法 [J], 金仁成; 谢林达; 褚金奎; 蔚彦昭; 魏巍
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天空实时全偏振成像探测器设计与搭建
天空实时全偏振成像探测器设计与搭建陈永台;张然;林威;褚金奎【摘要】Researchers have been highly inspired by the bio-use of polarized light navigation,and in-creasing number of studies are being conducted at the same time.A precise sky polarization field map is one of the prerequisites for polarization navigation and many imaging polarization detectors have thus been developed for attaining a more accurate sky polarization field map.This study proposes a novel real-time all-polarization imaging detector that can obtain all the parameters of the Stokes vec-tor,and can thereby calculate various attributes of Angle of Polarization(AOP),Degree of Polariza-tion(DOP),Degree of Linear Polarization(LDOP),and Degree of Circular Polarization(CDOP).By incorporating the M FC architecture through C+ + programming language and the OpenCV library, the host computer program was developed for implementing the real-time display function of a target's polarization information.Refresh rate of the video stream was 3 frame/s at maximum resolution, w hich primarily satisfies the need of real-timedetection.Observation of the sky polarization field map was performed under clear weather conditions and the performance of the detector was found to be sta-ble during the course of the proposed experiment.T he obtained experimental results are in good a-greement with the Rayleigh scattering model,and the dynamic recognition deviation of the solar me-ridian can range from 0.01°to 0.23°,which corroborates the reliability of theproposed detector and lays the foundation for future work.%生物利用天空偏振光进行导航的方式给科研人员很大的启发,越来越多的学者正在进行这方面的研究.精确的天空偏振场图是进行偏振导航的前提条件,为了获取更加准确的天空偏振场图,许多成像式偏振探测装置被开发出来.本文提出了一种新型的实时全偏振一体式成像探测传感器,可以获取全参数Stokes矢量,进而解算出目标的AOP、DOP、LDOP和CDOP等信息.基于C+ +语言和OpenCV库,采用MFC架构开发了上位机程序,实现了目标偏振信息的实时显示.在最大分辨率下,视频流的刷新率为3 frame/s,基本满足了实时探测的需要.对晴朗天气条件下天空偏振场图进行了实际探测,实验过程中探测器性能稳定,天空偏振场图与瑞利散射模型具有较高的一致性,太阳子午线动态识别误差为0.01°~0.23°,初步证明了探测器的可靠性,为后续工作奠定了基础.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2018(026)004【总页数】9页(P816-824)【关键词】偏振成像探测;偏振导航;天空偏振场图;图像处理【作者】陈永台;张然;林威;褚金奎【作者单位】大连理工大学机械工程学院,辽宁大连116023;大连理工大学机械工程学院,辽宁大连116023;大连理工大学机械工程学院,辽宁大连116023;大连理工大学机械工程学院,辽宁大连116023【正文语种】中文【中图分类】O436.3;V249.321 引言太阳光经大气中粒子散射后在整个天宇范围内形成稳定的天空偏振模式，这个模式被称作天空偏振场图[1-2]，天空偏振场图与太阳位置密切相关。
关于利用偏振材料导航的探究
关于利用偏振材料导航的探究王佳琪;杨进;霍中生;罗志华【摘要】大气散射光具有偏振性质,研究空间各方向大气散射光的偏振排布等性质,利用偏振材料进行多方位数据探测,结合计算机图像数据分析,可以计算出以观测点为坐标原点的东南西北方位坐标.当白昼时,即便因天气原因太阳不可见,也可以由此判断方位.相比于指南针,该方法的优势之一就是在判断方向时,它不会受周围磁场的干扰.【期刊名称】《实验科学与技术》【年(卷),期】2013(011)003【总页数】3页(P188-190)【关键词】偏振排布;数据分析;坐标;磁场干扰【作者】王佳琪;杨进;霍中生;罗志华【作者单位】电子科技大学物理电子学院,成都 610054;电子科技大学物理电子学院,成都 610054;电子科技大学物理电子学院,成都 610054;电子科技大学物理电子学院,成都 610054【正文语种】中文【中图分类】O45;O43对导航方法的研究一直是个重要研究课题。
利用大气散色光偏振性的导航方法，在某些情况下，可以在复杂磁场分布区域替代地磁场导航。
另外，它对于一些生物导航行为和仿生机器人的研究也具有重要意义。
本文基于一些大气散射光偏振性质的理论，设计实验并进行模拟导航，测试和讨论了该方法下导航的精度。
1 偏振导航的可行性分析光的散射理论表明:自然光照射到微粒上将发生散射现象，散射光具有偏振性质，其偏振度主要依赖于散射光与入射光的夹角。
实际的大气光散射过程十分复杂，但对大气散射光的多方位多时段的偏振性质实测表明:大气散射光属于部分偏振光。
2 偏振材料的导航思想本次实验设计的偏振材料导航的基本步骤是:1)使用偏振材料探测大气散射光的偏振性分布;2)通过大气光的偏振分布得出太阳方位;3)根据天文理论，结合太阳方位数据与该时刻时间数据，推导出观测点的东西南北方向坐标。
2.1 大气散射光偏振理论2.1.1 天空光偏振分布成因［1］图1 Rayleigh粒子散射的物理模型如图1所示，自然光入射分解为两个方向:与;散射光分解为与，其中:与cosθ成正比。
Rayleigh-Geometric分布及其性质研究
Rayleigh-Geometric分布及其性质研究作者：姚惠代勇胡云学来源：《科技资讯》2021年第22期DOI：10.16661/ki.1672-3791.2108-5042-1377摘要：随着极值理论的深入研究，复合极值分布广泛应用于气象、交通、水文、金融、保险等领域。
该文利用极值理论将Rayleigh分布和Geometric分布进行复合，提出了一种新的复合极值分布：两参数的Rayleigh-Geometric分布。
讨论了该分布的分布函数、概率密度函数、参数特定取值时密度函数的图像特征，讨论了分布的分位数、眾数等数字特征，讨论了分布的生存函数和危险率函数，最后用极大似然法研究了分布参数的点估计。
关键词：Rayleigh-Geometric分布复合极值分布性质极大似然估计中图分类号：O212.3 文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）08（a）-0011-05Study on Rayleigh-Geometric Distribution and Its PropertiesYAO Hui DAI Yong HU Yunxue（School of Mathematics and Statistics， Qiannan Normal University for Nationalities，Duyun， Guizhou Province， 558000 China）Abstract： With the in-depth study of extreme value theory， the compound extreme value distribution is widely used in meteorology， transportation， hydrology， finance， insurance and other fields. In this paper， Rayleigh distribution and Geometric distribution are combined by using extreme value theory， and a new composite extreme value distribution is proposed， namely two-parameter Rayleigh-Geometric distribution， which is obtained by compounding a Rayleigh and a geometric distribution based on extreme value theory. This paper discusses the distribution properties， probability density function，the graph features of the density function with specific values of parameters， the digital characteristics of distribution， such as quantile， mode and so on， survival function and risk rate function of distribution. Finally utilizes the maximum likelihood estimation to discuss the point estimation of the parameters.Key Words： Rayleigh-Geometric distribution; Compound extreme value distribution; Properties; Maximum likelihood estimation随着寿命分布的深入研究和广泛应用，国外学者在经典寿命分布的基础上提出了一些新型的复合分布，Adamidis（1998年）首次提出Exponential-Geometric分布[1]，之后陆续提出了Exponential-Poisson分布、Weibull-Geometric分布、Weibull-Poisson分布、Poisson-Lomax分布、广义的Exponential-Geometric分布、广义的Exponential-Poisson分布、互补的Exponential-Geometric分布等，这些文献定义了新的混合寿命分布，研究其各种性质，得到其参数的极大似然估计，这些研究拓广了寿命分布的类型。
基于瑞利散射的大气偏振模式Stokes矢量建模仿真
基于瑞利散射的大气偏振模式Stokes矢量建模仿真王子谦;范之国;张旭东;王昕【期刊名称】《计算机应用与软件》【年(卷),期】2015(032)007【摘要】瑞利散射模型是一种经典的大气偏振模式表征模型,在实际中得到了广泛的应用,但不能通过Stokes矢量描述大气偏振模式的分布特性.基于瑞利单次散射原理,对经典的瑞利模型进行推广,建立一种理想条件下的大气偏振模式Stokes矢量仿真模型.该模型能够对理想条件下大气偏振模式Stokes矢量的分布变化进行建模仿真,利用Stokes矢量可以完备地表征大气光偏振态分布情况,并描述出不同类型偏振光的具体分布特性.通过仿真发现,大气偏振模式的Stokes矢量具有“十”字形的分布形态,整体分布始终保持相对于太阳子午线对称特性,随着太阳高度角的升高各矢量分量逐渐减弱.【总页数】4页(P47-50)【作者】王子谦;范之国;张旭东;王昕【作者单位】合肥工业大学计算机与信息学院安徽合肥230000;合肥工业大学计算机与信息学院安徽合肥230000;合肥工业大学计算机与信息学院安徽合肥230000;合肥工业大学计算机与信息学院安徽合肥230000【正文语种】中文【中图分类】TP39【相关文献】1.基于瑞利散射的大气偏振模式检测与模型重建 [J], 王晨光;唐军;杨江涛;张楠;李大林;刘俊;向长波2.基于 Stokes 参量法测量矢量光束偏振态的方法 [J], 周哲海;祝连庆3.基于Stokes矢量的实时偏振差分水下成像研究∗ [J], 管今哥;朱京平;田恒;侯洵4.基于FLCM的太阳Stokes矢量偏振测量术 [J], 史永基;史建军;史红军5.基于Stokes矢量的双相机偏振成像系统 [J], 杨威;王晓曼;石林;赵海丽因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
天空偏振模式对仿生偏振光定向的影响及实验
天空偏振模式对仿生偏振光定向的影响及实验范晨;胡小平;何晓峰;练军想;王玉杰【摘要】针对工程应用中仿生偏振光罗盘易受天气和太阳位置等因素的影响,存在定向精度低、稳定性差等问题,研究了天空偏振模式对偏振光定向的影响机理.建立了含有偏振模型误差的偏振光定向模型,推导了仿生偏振光罗盘的航向角解算方法;然后系统分析了模型误差对偏振光定向精度的影响机理,指出了载体水平角和太阳高度角是决定模型误差影响程度的主要因素;最后设计了静态实验与跑车测试,评估了不同水平角和太阳高度角时,模型误差对偏振光定向精度的影响.结果表明:当太阳高度角hs＜40°时,偏振光定向误差为0.729°;当40°＜hs＜75°时,误差为3.764°;精度明显降低.另外,载体水平角越大,模型误差角对定向精度的影响程度也越显著;载体水平时,定向误差为0.323°,而倾斜后误差增大为1.352°.文中对仿生偏振光定向的影响机理分析为补偿偏振模型误差,实现高精度偏振光定向提供了理论依据.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2015(023)009【总页数】9页(P2429-2437)【关键词】偏振光导航;天空偏振模型;偏振光定向;定向算法;航向角误差【作者】范晨;胡小平;何晓峰;练军想;王玉杰【作者单位】国防科技大学机电工程与自动化学院,湖南长沙410073;国防科技大学机电工程与自动化学院,湖南长沙410073;国防科技大学机电工程与自动化学院,湖南长沙410073;国防科技大学机电工程与自动化学院,湖南长沙410073;国防科技大学机电工程与自动化学院,湖南长沙410073【正文语种】中文【中图分类】V249.32;O436.31 引言太阳光经过大气层能够产生稳定的偏振模式［1］，自然界的部分昆虫和候鸟就是利用复眼检测天空偏振光分布来实现自主导航的［2－3］。
准确描述天空偏振模式是仿生偏振光导航研究的基础［4］。
微观瑞利散射下的大气偏振建模仿真
微观瑞利散射下的大气偏振建模仿真
高隽;纪松;谢昭;林金金
【期刊名称】《系统仿真学报》
【年(卷),期】2012(24)3
【摘要】针对传统宏观大气偏振建模的信息单一性和表征模糊性问题,采用一种新的大气偏振建模算法。
该方法依据瑞利散射理论,采用电场矢量描述光波,研究微观粒子对自然光电场矢量振动方向变化,得到散射光的偏振强度和偏振主方向。
建立东北天坐标系,推导与天球坐标系间的转换过程,将单粒子瑞利散射扩展至全天域多点散射,形成大气偏振模式。
仿真结果表明,新方法可以准确计算不同时刻不同地点的大气偏振分布信息,与传统方法中所获得的偏振角相比,本方法可以提供更丰富的三维方向信息,并具有良好的拓展特性,用于多因素大气偏振建模。
【总页数】7页(P677-683)
【作者】高隽;纪松;谢昭;林金金
【作者单位】合肥工业大学计算机学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.9
【相关文献】
1.基于瑞利散射的大气偏振模式检测与模型重建
2.基于瑞利散射的大气偏振模式Stokes矢量建模仿真
3.ANSYS环境下的SCFRW力学性能微观建模仿真研究
4.
低太阳高度角条件下的天空偏振模式模拟及大气折射影响研究∗5.大气-海雾多层环境下的天空偏振模式
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基于支持向量机预测偏振模式
基于支持向量机预测偏振模式汪方斌;洪津;孙晓兵;王羿;胡亚东【摘要】基于多光谱多角度偏振辐射探测研究了大气偏振模式预测方法.首先,介绍了航空多角度偏振辐射计的探测原理与支持向量机回归算法;然后,从矢量传输模型出发,说明大气状况不变时,偏振模式主要取决于地表特征与观测几何,并介绍了观测几何与姿态之间的关系以及地表特征的表达形式;最后,在考虑平台姿态与地表特征的情况下,利用支持向量机回归算法预测了航空多角度偏振辐射计的探测偏振度,并对预测与实际试验探测的偏振度进行了比较.结果显示:偏振度预测误差小于1％,影响模型精度的主要因素不是姿态变化本身,而是姿态改变造成的观测地表特性变化.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2014(022)011【总页数】9页(P2914-2922)【关键词】大气遥感;大气偏振模式;预测;支持向量机;航空多角度偏振辐射计【作者】汪方斌;洪津;孙晓兵;王羿;胡亚东【作者单位】中国科学院安徽光学精密机械研究所光学遥感中心,安徽合肥230031;安徽建筑大学机械与电气工程学院,安徽合肥230601;中国科学院安徽光学精密机械研究所光学遥感中心,安徽合肥230031;中国科学院安徽光学精密机械研究所光学遥感中心,安徽合肥230031;中国科学院安徽光学精密机械研究所光学遥感中心,安徽合肥230031;中国科学院安徽光学精密机械研究所光学遥感中心,安徽合肥230031【正文语种】中文【中图分类】P4071 引言偏振模式通常用偏振度来表述。
太阳光经过大气散射形成部分偏振光，不同的太阳位置、观测几何、大气状况与地表特征具有不同的偏振模式［1-7］。
实时测量大气偏振特性的时空分布信息对于反演大气参数，建立大气散射辐射的偏振特性模型，目标识别，确定仿生偏振导航传感器系统的方位基准，提高载体姿态误差的估计精度和稳定性具有重要意义［8-11］。
现有研究表明，大气偏振模式可以为迁徙的鸟类提供方向信息与动物导航［12］，根据Rayleigh散射理论可以实现太阳视位置的计算及天空中偏振光分布模式的仿真［9］；基于单因素大气偏振模型能够建立地表反射偏振模式模型，仿真三维空间的大气偏振模式［13］。
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赵开春，等：王ｌ且ｙｋｉｇｈ大气天空光偏振分布仿真与预测
国２天空Ｐ点ｅ矢量偏振信息
ｎｇ．２和咖ｒ’ｐｏⅫ盈吐蚰ｌｎｌ栅∞伽ｎ埘ｎ坤Ｐｐｏ蛳
妯ｔｂｅｓ时
在球面三角形ｚＰｓ中，由正弦定理知：
意铲茜＝掣㈣
８ｉｎ（９０。
一＾ｓ）Ｂｉｎ口
…
进一步变化为：
ｓｉｎ（９０。
训＝型葛盟．８ｉｎ（９０。
“）
（６）
得：
删＝堕岳盟…ｓｋ（７）
耵Ⅱ口
而天空Ｐ点的偏振度由（３）式求得。
Ｐ一可以用全
天空偏振成像计测定给出。
由（７）可以计算出偏振
方位角廿。
利用斯托克斯参量完整描述一束光性质，
每一个参量都为强度的量纲。
设全偏振分量的总光
强为ｊ，偏振度为Ｐ，方位角为妒和椭率角为ｓ，任意
ｓｔｏｋｅＢ矢量可写成如下形式：
Ｓ＝岛只是昱
天空中散射光主要是线偏振光，是分量表示椭圆偏振光，故Ｓ＝ｏ，即ｓｉⅡ２ｓ＝ｏ。
为了简化计算，假设太阳发出的光强为单位光强ｌ，则天空中偏振光的ｓｔｏｋｅ８矢量形式如下：
ｓ：『一酬㈤３计算机仿真
根据上述的理论分析，对于天空中偏振光分布模式进行了计算机仿真。
图３是软件的启动界面。
在初始化的过程中，完成了预设在北京地理位置太阳时角、高度角和方位角的计算，天空中观测方向Ｐ点光束偏振度和偏振方位角计算。
本程序可以实现在不同的时刻、不同的地理位置，太阳时角、视位置即高度角和方位角的计算，还可阻选择天空中不同的观测方向，计算出天空中这个方向光束的偏振度和偏振方位角及它的Ｓｔｏｋｅｓ矢量。
太阳视位置对于天空的偏振模式有很大的影响。
在一天的某一时刻‘，在某一地理位置，可以通过球面三角形知识来求解太阳在天空中的位置。
太阳高度角ｋ是地球表面上某点和太阳的连线与地平面之间的夹角，可用式（１０）计算。
圈３程序界面
ｎｇ．３ｈＤｇｍｍ岫ｔ日ｆ籼
Ｂｉｎ＾ｓ＝ｇｉ呻ｓｉ嵋＋ｃｏ啦ｃｏｓ＆ｏ时（１０）太阳方位角Ａ。
为太阳至地面上某给定点连线在地面上的投影与南向（当地子午线）的夹角。
太阳偏东时为负．偏西时为正，其计算公式为：
：三！喜ｓｉｍ
ｃｏｓ虬
此式算得的ｓｉＩｌＡ；大于ｌ或ｓｉｎＡ。
的绝对值较小时，换用式（１２）计算：
”峨＝等等（１２）
ＣｏＳⅡｔＣｏ岫
其中，ｋ为太阳高度角；如为太阳方位角；ｔ为当地太阳时角，表明时间的变化；妒为地理纬度，表明观察点所在的位置；６为赤纬，表明季节（日期）的变化。
根据以上公式，对于选定的时间，可以计算出此时本地子午线的时角。
对于选定的地点，即地理的经度纬度已知，天体的赤纬可以通过查寻《天文年历＞，将《天文年历》的数据输人计算机，作为数。
荸
２９０四川大学学报（工程科学版）第３９卷
据库资料。
这样，可以算出太阳的高度角和方位角。
图４显示的是软件的整体流程图，选择查询的日期、时间，查询程序后台的数据库，经过差值运算，得出太阳此时刻的视赤经、视赤纬和时差。
根据输入观测地理位置的经纬度，得出当地太阳时角，太阳高度角和方位角；然后根据选择的天空测定光束方向计算出该方向光束的偏振度和偏振方位角，最后得出测定方向光束的ｓｔｏｋｅｓ参量。
图３的软件界面计算出了所需的各种数据。
在程序开发中，利用Ｏ”ｎＧＬ三维图形软件包和ｖｉｍａｌＣ＋＋绘制出了天空中偏振光模式图。
图５描述的是天空中偏振光模式图。
天空中出现最大偏振发生在与太阳有９０。
角距的位置处。
图中用紧密的粗虚线表示。
其余位置处的偏振有虚线表示，虚线的粗度表示偏振度，虚线的朝向表示为偏振方位角。
图４系统流程图
Ｆ电．４ｎ呷吐ａｒｔ０ｆ昭ｓＩｅｍ
比较。
图６描述了地理位置纬度３４．２。
Ｎ、经度１１１．
４。
ｗ地区，２００１年９月７日的正南方向高度角２００
的太阳光束的偏振方位角随时间变化趋势。
其太阳
光束偏振度和文献资料中实际测试的结果相比，偏
差为Ｏ．１。
这说明本应用软件的计算理论和计算
围５天空偏振光分布模式
Ｆ喀Ｓ１ｈｅｄｉｓ州ｂｕｔｉ叩Ⅲｏｄｄ０ｆｓｂｌ吐蛳舯Ｉａ—盟ｔＩ明天空偏振光模式图相对应的各种参数，如时间、地理位置也显示在相同界面的上半部分。
程序有３种图形显示模式：实时、定时和动画。
天空中通过Ｐ点的短线表示Ｐ点Ｐ矢量的振动方向，它与通过Ｐ点子午线方向的夹角就是过Ｐ点光束的偏振方位角。
将本文的计算结果与文献中的实测结果进行了结果是准确可信的。
ｅ
＼
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＼２００１年９月７日
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专
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＝—●一偏振角一时间’＼
围６偏振方位角一时间的曲线
№．６Ｐ‘Ｉｈｒ．衄吐姐姐ｉ叫也ａⅡ掣ｅ一血眦哪ｒ＂
４讨论
详细地描述了天空中偏振光产生的机理，具体计算了在单分子散射模型中天空中测定光束的
Rayleigh大气天空光偏振分布仿真与预测
作者：赵开春， 褚金奎， 姚弘轶， 张强， 王体昌
作者单位：大连理工大学,精密与特种加工教育部重点实验室,辽宁,大连,116023
本文链接：/Conference_6435044.aspx
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下载时间：2010年9月29日。