偏振光模式产生与传输过程中的统计特性与可计算性研究

To solve related scientific issues induced by polarized-light pattern's generation and transmission in the atmosphere, we focus on the study of physical interactions between sunlight and atmosphere by following the origin and transfering of information. Taking the Mie scattering theory, radiative transfer theory and the Markov Chain statistics as theoretical background, we mainly study the statistical properties in polarized-light pattern's generation and transmission and establish correlative theoretical and technological foundations with the Markov Chain characteristics. To build an realizable models for polarized-light pattern's computations and simulations in 3D atmosphere, we also focus on studying the related computable issues and reduce the time and harware consumption in the computing progress. On these bases the computing model expands parameters from scalar to vector, space from 2D to 3D and time domain form invariant to variable. In the project the key issues to be solved including non-spherical particles's scattering under various conditions, particle cluster's scattering,the polarized-light pattern's generation and the computable and time-variable issues. We will build realistic polarized-light pattern theory system and transmission model and provide theoretical foundation for the application.

针对偏振光模式在大气中产生与传输的相关科学问题，以光与大气相互作用的物理过程为研究对象，以信息的产生与传输为主线，以米氏散射、矢量辐射传输理论、Markov链统计特性理论为理论基础，按照科学研究趋势与应用需求，研究偏振光模式产生与传输中的统计特性问题，形成具有Markov链统计特性的偏振光模式基础理论与研究方法。研究偏振光模式产生与传输中的可计算性问题，减少实际模型计算过程对硬件和时间资源的需求，形成可实现的3D大气层内偏振光模式的计算与仿真理论。在此基础上，在计算模型中将参数从标量向矢量拓展，将空间从2D向3D拓展，将范围从时不变向时变拓展。解决多因素影响下的非球形粒子散射问题、粒子集群散射问题及偏振模式产生问题、偏振光模式在3D大气层内的可计算问题与时变传输等关键问题。本课题将建立实际的大气偏振模式与传输模型，为偏振光模式的实际应用打下理论基础。

针对偏振光模式在大气中产生与传输的相关科学问题，本课题以光与大气相互作用的物理过程为研究对象，以信息的产生与传输为主线，以瑞利散射理论、米氏散射理论、矢量辐射传输理论和Markov链统计特性理论为理论基础，系统研究了偏振光模式产生与传输中的统计特性问题。具体研究内容为：（1）研究偏振光模式的产生机理问题，即粒子散射与地表反射；分析大气粒子散射及地表反射对大气偏振模式的影响规律；（2）在粒子散射特性研究的基础上，运用蒙特卡洛方法构建偏振光传输模型，以此分析多种环境因素，如湿度、湍流和气溶胶等对偏振传输和分布的影响；综合考虑偏振光传输特性及大气偏振光的影响因素，从经典的瑞利散射模型出发，考虑多次散射特性，构建一种天空偏振光模式的解析模型，描述偏振光模式中存在的中性点，与实测偏振度数据相似度最高可达75%；（3）为了测量偏振光模式，设计一种全天域大气偏振模式测量系统，利用偏振模式测量系统研究晴朗天空和高气溶胶浓度天空下的偏振模式的特点及差异。在高气溶胶浓度天空下，天空偏振光分布模式并不沿着当地子午线平面呈对称分布，而是存在一个角度差异；晴朗天空和高气溶胶浓度天空下，圆偏振分量可以忽略不计；（4）在偏振建模理论研究基础上，借鉴沙蚁等生物POL-神经元模型偏振信息处理机制，研制平面四通道偏振信息检测传感器，并提出两种改进模型，即基于 POL-神经元全角度计算模型和独立通道偏振信息检测模型，提出解决测角歧义性和正交性误差的方法。进一步，根据生物利用单一紫外波段导航这一生物学“悖论”开展多光谱下的实测实验，验证单一紫外波段下偏振光导航的优越性。以上研究形成了具有 Markov链统计特性的偏振光模式基础理论与研究方法，建立了实际的大气偏振模式与传输模型，研制了偏振模式测量装置，为偏振光模式的实际应用打下基础。