气溶胶散射光偏振度特性的理论研究

偏振度

第３６卷第６期

Ｖｏｌ．３６Ｎｏ．６

红外与激光工程

ＩｎｆｒａｒｅｄａｎｄＬａｓｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

２００７年１２月Ｄｅｃ．２００７

气溶胶散射光偏振度特性的理论研究

赵一鸣，江月松，路小梅

（北京航空航天大学电子信息工程学院，北京１０００８３）

摘

要：散射光偏振度在大气气溶胶、大气污染的遥感探测中有重要的应用价值。通过求解

Ｍｕｅｌｌｅｒ矩阵及偏振度，讨论了当激光器输出波长处于近红外波段８０６ｎｍ时，散射介质的粒子数浓度对散射光偏振度的影响。给出了散射光的偏振度与散射介质的粒子数浓度之间的变化关系，为使用散射光偏振度研究大气遥感提供了新途径。

关键词：散射光；

偏振度；

Ｍｕｅｌｌｅｒ矩阵；文献标识码：Ａ

浓度

文章编号：１００７－２２７６（２００７）０６－０８６２－０４

中图分类号：ＴＮ２４８．１

Ｔｈｅｏｒｙａｎａｌｙｓｉｓｏｆｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ

ｏｆｔｈｅｌｉｇｈｔｓｃａｔｔｅｒｅｄｂｙｔｈｅａｅｒｏｓｏｌ

ＺＨＡＯＹｉ!ｍｉｎｇ，ＪＩＡＮＧＹｕｅ!ｓｏｎｇ，ＬＵＸｉａｏ!ｍｅｉ

（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＢｅｉｈａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８３，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｄｅｇｒｅｅｏｆｔｈｅｓｃａｔｔｅｒｅｄｌｉｇｈｔｈａｓｐａｒｔｉｃｕｌａｒａｂｉｌｉｔｙｉｎｔｈｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇｆｏｒｔｈｅａｅｒｏｓｏｌａｎｄｐｏｌｌｕｔａｎｔｇａｓ．ＢｙｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｔｈｅＭｕｅｌｌｅｒｍａｔｒｉｘａｎｄｔｈｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｄｅｇｒｅｅ，ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｔｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｃａｔｔｅｒｅｄｍｅｄｉｕｍｏｎｔｈｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｄｅｇｒｅｅａｒｅｓｔｕｄｉｅｄｗｈｅｎｔｈｅｓｃａｔｔｅｒｅｄｌｉｇｈｔａｔ８０６ｎｍｎｅａｒｉｎｆｒａｒｅｄ．Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｏｆｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｄｅｇｒｅｅｏｆｔｈｅｓｃａｔｔｅｒｅｄｌｉｇｈｔａｎｄｐａｒｔｉｃｌｅｂｅａｍｎｕｍｅｒｉｃａｌｄｅｎｓｉｔｙｏｆｓｃａｔｔｅｒｅｄｍｅｄｉｕｍｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｒｅｓｕｌｔ，ｔｈｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｄｅｇｒｅｅｃａｎｂｅｕｓｅｄｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅａｔｍｏｓｐｈｅｒｅｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｃａｔｔｅｒｅｄｌｉｇｈｔ；

Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｄｅｇｒｅｅ；

Ｍｕｅｌｌｅｒｍａｔｒｉｘ；

Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｄｅｎｓｉｔｙ

０引言

介质散射光的偏振特性能有效检测出散射介质的浓度变化、成分、扩散状态等目标特性，在大气气溶胶、大气污染物、有害气体、河流污染物的遥感探测中有重要的应用价值。近年，国际上有关偏振激光雷达探测大气的研究有了很大发展［１－２］。目前，大气质量日益恶化，河流污染日益严重，有效控制污染、保护环境，及时对大气及河流污染物的浓度及成分进行监测是极其重要的。

在理论上研究散射介质浓度与散射光偏振度之

间的变化关系是散射光偏振度探测应用的必要理论基础。而目前对散射光偏振信息与散射介质浓度之间关系的理论研究并不多见。文中从Ｍｕｅｌｌｅｒ矩阵的数值求解入手，详细地分析了散射介质浓度对入射偏振光的散射光偏振度的影响，并通过一系列实验验证了偏振激光是研究散射介质浓度的有效手段，在大气污染监测、水质评价等方面有重要的应用价值。

１Ｍｕｅｌｌｅｒ矩阵及偏振度的定义

在数学上可以用Ｓｔｏｃｋｓ矢量来描述光的偏振状

收稿日期：２００７－０２－１８；修订日期：２００７－０４－２２

基金项目：国家自然科学基金资助项目（４０５７１０９７）；航空基础科学基金资助项目（０５Ｆ５１０７３）

作者简介：赵一鸣（１９８３－），女，辽宁辽阳人，博士生，从事偏振成像，红外探测、遥感研究。Ｅｍａｉｌ：ｚｙｍ＿ｂｉｒｄ＠ｓｏｈｕ．ｃｏｍ导师简介：江月松（１９５９－），男，江苏人，教授，从事激光遥感光电成像等方面的研究。Ｅｍａｉｌ：ｙｕｅｓｏｎｇｊｉａｎｇ＠ｖｉｐ．ｓｉｎａ．ｃｏｍ

偏振度

第６期赵一鸣等：气溶胶散射光偏振度特性的理论研究

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及其变化情况，Ｓｔｏｃｋｓ矢量的四个元素均为实数且具有强度量纲，便于在实际应用中测量。Ｓｔｏｃｋｓ矢量的表现形式为：

!""""""""""""#

式中：Ｉ０（!，"，ｚ），Ｉ（!′，"′，ｚ）分别为入射光和散射光的

Ｓｔｏｋｅｓ矢量；Ｉｅ（!，"）是热辐射源，研究主动遥感的特性时，这一项可以忽略。其中（!′，"′），（!，"）分别表示激光探测目标时的入射角和被目标散射时的散射角；

ＩＱＵＶ

Ｓ＝

$

%%%%%%%%%%%%&

（１）

)（!，"，!′ｋｅ（!）和Ｐ，"′）分别为消光系数和相矩阵，均可由目标的散射振幅矩阵求得。

２．２散射振幅函数的求解

式中：Ｉ是总光强；Ｑ是水平或垂直方向的线偏振量；Ｕ是±４５°的线偏振量；Ｖ是左旋或右旋圆偏振量。目标对入射偏振光的散射是通过Ｍｕｅｌｌｅｒ矩阵Ｍ来描述的，即Ｍｕｅｌｌｅｒ矩阵Ｍ将入射光的Ｓｔｏｋｅｓ矢量Ｓｉｎ和散射光的Ｓｔｏｋｅｓ矢量Ｓｏｕｔ联系起来，得到：

Ｓｏｕｔ＝ＭＳｉｎ

（２）

这里将主要研究入射偏振光作用到目标后散射光偏振状态的变化情况，非主对角线上的元素为零［３］时，Ｍｕｅｌｌｅｒ矩阵可以简写为：

!

$

"%"ｍ００

%"%"%"%Ｍ＝

"ｍ%"１１

%"%（３）

"%"ｍ%"２２

%"%""%%#

ｍ３３

&

式中：ｍ００为总散射系数；ｍ１１和ｍ２２为散射光的两个正交方向的线偏振系数；ｍ３３为散射光中圆偏振光的偏振系数。散射偏转光偏振度为［４］：

ｐｄ＝

ｍ１１＋ｍ２２＋ｍ３３

（４）

００

线偏振光的偏振度ｐｄ＝１，完全非偏振光的偏振度ｐｄ＝

０，部分偏振光的偏振度０＜ｐｄ＜１。线偏振光入射到目标上，由于目标的本身特性不同，散射光的偏振度会发生不同的改变，表现出不同程度的去偏振特性，定义为去偏振度：ｄｐｄ＝１－ｐｄ。

２Ｍｕｅｌｌｅｒ矩阵及偏振度的计算

２．１矢量传输方程

通过求解矢量传输（ＶＲＴ）方程求解目标的Ｍｕｅｌｌｅｒ矩阵，根据公式（４）可以求得目标散射光的偏振度。散射介质以椭球形粒子作为散射模型。单层散射介质的

ＶＲＴ方程为［５］

：

ｃｏｓ!ｄＩ０（!，"，ｚ）＝－ｋｅ（!）Ｉ０（!，"，ｚ）＋Ｉｅ（!，"）＋

’ｄ(#

′)Ｐ（!，"，!′，"′） Ｉ（!′，"′，ｚ）（５）散射振幅函数 …… 此处隐藏：4533字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……