应用于仿生导航的天空散射光的偏振特性研究

论文摘要

近年来,天空散射光的偏振特性已经成为了许多理论和实践研究的课题。晴朗天空中的散射光具有特定的偏振特性分布。生物学家的研究表明,沙蚁Cataglyphis和蜜蜂等小动物能够借助天空散射光的偏振分布模式进行导航定位,它们的视觉神经系统对天空中散射光的偏振方向极其敏感。因此对天空散射光的偏振特性及其分布规律进行测量与分析的工作具有重要意义。本文从大气光学的Rayleigh散射理论入手,首先论述了天空散射光的物理学基础和产生机理。然后介绍了描述光束偏振特性的几种典型方法——电矢分量法、琼斯矢量方法、Stokes矢量表示法、邦加球偏振画图法,以及它们之间的关系。接着本文提出了基于Mueller矩阵和Stokes矢量的天空散射光偏振测量方案,搭建了天空散射光偏振特性测量系统的硬件结构。利用C++语言和OpenGL软件开发包在VC环境下进行了编程工作,完成了天空散射光偏振数据分析软件的设计。该软件能够实现对测量数据的提取、分类、处理和保存,此外,还能够显示所测天空散射光的光强辐射度、偏振度、偏振方位角、Stokes分量值、测量时间、光谱波长、气象条件等数据,并以图形方式显示天空散射光的全天空偏振分布规律。在对该测量系统进行标定后,我们得到了系统的性能指标。此后利用该测量系统及分析软件,我们对天空散射光的偏振特性进行了大量的测试。分别从天顶点、太阳子午面、以及全天空区域进行了测量,得到了400nm-750nm波段的偏振特性及分布规律。同时,测量结果也表明该测量系统能够有效地获得天空散射光的辐射度、偏振参数及光谱曲线。通过对测量实验所得数据的详尽分析,验证了Rayleigh散射理论中关于散射光偏振特性与太阳高度角、散射角以及波长之间的关系,也初步得出天空散射光的偏振分布与理论分布存在的差异。通过上述分析进而讨论了天空散射光的偏振特性（辐射度、偏振度、偏振方位角等）应用于仿生导航的限制条件和可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 选题依据及意义
• 1.2 天空散射光偏振特性研究的国内外现状
• 1.3 论文主要工作
• 2 天空散射光偏振特性的基本理论
• 2.1 天空散射光的物理意义
• 2.1.1 Rayleigh散射和 Mie散射
• 2.1.2 单次散射和多次散射
• 2.1.3 天空散射光的偏振
• 2.2 天空散射光偏振的物理特性
• 2.3 天空散射光偏振特性的数学描述
• 2.3.1 电矢量法
• 2.3.2 琼斯矢量法
• 2.3.3 邦加球表示法
• 2.3.4 Stokes矢量法
• 2.4 偏振特性的测量方法
• 3 天空散射光偏振特性测量系统的设计
• 3.1 测量原理
• 3.1.1 测量模型及原理
• 3.1.2 偏振测量的几何坐标系
• 3.2 测量系统硬件结构设计
• 3.3 测量数据分析软件的设计
• 3.3.1 软件设计方案
• 3.3.2 软件的功能及界面
• 3.4 测量系统的标定及性能参数
• 4 天空散射光偏振特性的测量
• 4.1 天顶点处散射光偏振特性测量
• 4.2 太阳子午面上散射光偏振特性的测量
• 4.2.1 偏振特性与太阳位置的关系
• 4.2.2 偏振特性与散射角的关系
• 4.2.3 偏振特性与光谱波长的关系
• 4.3 全天空散射光偏振分布的测量与分析
• 4.4 偏振特性影响仿生导航的综合因素分析
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢