本发明属于大气偏振建模仿真技术领域，具体涉及一种基于CE318太阳光度计的多波长全天域大气散射光偏振特性分析方法。
背景技术：
偏振是天空散射光的重要特性之一，太阳辐射在进入地球大气之前是非偏振的自然光，经过大气分子和气溶胶的散射后成为部分偏振光，来自四周的偏振光形成了大气偏振模式。偏振光导航系统中偏振传感单元、信号滤波电路与数学处理软件模型的设计依赖于大气散射光偏振特性，太阳偏振光特性又随着太阳散射角(SA)、天气情况变化而变化，大气偏振特性的研究对于降低自然扰动对导航系统的误差，优化系统设计具有重要意义。
Rayleigh创立了Rayleigh散射理论，该理论的创建验证了自然光在传播过程中受空气分子的散射作用，会改变本身的偏振特性，形成拥有不同偏振态的偏振光，奠定了偏振光学的物理学基础。随后人们从Rayleigh散射定律中得到启发，构建出了大气偏振的Rayleigh散射理论模型，获得了晴朗天空下的大气偏振光的分布规律。Mie给出了均匀介质球形粒子在单色平面电磁波照射下散射问题的精确解，即Mie散射理论。
目前国内外对大气散射光偏振特性的研究主要考虑不同天气条件下其偏振特性的变化，但由于大气偏振光特性不仅与天气条件有关，而且还与太阳散射角及方位角相关，因此，研究大气偏振特性不能仅考虑不同天气的影响，还必须考虑太阳散射角及散射粒子形态的影响。
技术实现要素：
本发明的目的在于提出一种基于CE318太阳光度计的多波长全天域大气散射光偏振特性分析方法，本方法在传统大气散射的基础上考虑了太阳方位、探测波长以及天气条件的影响，利用CE318太阳光度计接收入射光的强度信号，快速测量并计算出多波长下入射光的线偏振度。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于CE318太阳光度计的大气散射光偏振特性分析方法，使用CE318太阳光度计中的PPP、PPL、ALL以及ALR四个通道测量获得天空光的光强；测量时，将CE318太阳光度计偏振轮上的9个偏振片分为3组，每组中3个偏振片的偏振轴夹角为60°，3组偏振片对应三种偏振态，使用PPP通道和PPL通道采用主平面扫描的方式测量获得不同天顶角下的天空光光强，使用ALL通道和ALR通道采用等天顶角扫描的方式，测量获得不同方位角下的天空光光强；每进行一次测量操作获得三种偏振态下对应的三个光强信号LP1、LP2和LP3；
根据每次测量获得的三个光强信号LP1、LP2和LP3，按照公式公式(1)所示方法计算线偏振度，
其中，DOP表示计算获得的线偏振度；
根据计算获得的线偏振度，对大气散射光偏振特性进行分析。
进一步，使用PPP通道和PPL通道进行主平面扫描时，天顶角步长为5°，在天顶角0°-150°范围内扫描。
进一步，使用ALL通道和ALR通道进行等天顶角扫描，方位角步长为15°。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于，
(1)本发明不需要得到散射光Stokes矢量即可直接计算线偏振度，节省了因计算散射光Stokes矢量所花费的时间，提高了处理效率高；
(2)本发明利用CE318太阳光度计得到大气散射光光强信号的数据库，可以对任意探测波长和天气条件下的线偏振度进行计算，适用性强；
(3)本发明中，由于CE318太阳光度计探测角度划分细致，可以得到不同散射角或方位角下的连续偏振度曲线，精确度高，可以应用于海面溢油光学检测等领域。
附图说明
图1是本发明方法流程图。
图2是CE318太阳光度计随太阳高度角变化的观测几何示意图。
图3是CE318太阳光度计随太阳方位角变化的观测几何示意图。
图4是440nm波长下三种天气条件的散射光偏振度随高度角变化关系图。
图5是无云天气条件下三种波长的散射光偏振度随高度角变化关系图。
图6是670nm波长下三种天气条件的散射光偏振度随高度角变化关系图。
图7是薄云天气条件下三种波长的散射光偏振度随高度角变化关系图。
图8是870nm波长下三种天气条件的散射光偏振度随高度角变化关系图。
图9是多云天气条件下三种波长的散射光偏振度随高度角变化关系图。
图10是440nm波长无云天气条件下散射光偏振度随太阳方位角变化关系图。
具体实施方式
容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明基于CE318太阳光度计的多波长全天域大气散射光偏振特性分析方法的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。
结合图1，本发明提出的基于CE318太阳光度计的多波长全天域大气散射光偏振特性分析方法的步骤如下：
步骤一：太阳坐标确定，以便使用CE318太阳光度计测量天空光的光强。
由观测点的经纬度、观测日期及观测时刻，能够获得当前时刻太阳高度角hs和太阳方位角αs：
sin(hs)＝sinδsinβ+cosβcosδcost (1)
cos(αs)＝(sin(hs)sinβ-sinδ)/cos(hs)cosβ (2)
式中：δ为太阳赤纬角；β为观测点的纬度；t为太阳时角。
根据观测日期计算太阳赤纬角δ：
α＝2πd/365.2422 (3)
d＝N-N0(N为积日) (4)
N0＝79.6764+0.2422×(年份-1985)-INT[(年份-1985)/4] (5)
由α计算太阳赤纬角δ：
δ＝0.3723+23.2567sinα+0.1149sin2α-0.1712sin3α-0.758cosα+
0.3656cos2α+0.0201cos3α (6)
根据观测时刻及观测点的经纬度计算太阳时角t：
Sd＝S+{F-[120°-(JD+JF/60)]×4}/60 (7)
式中：Sd为地方时；S为观测时刻的时；F为观测时刻的分；JD和JF分别为观测点的经度和经分；
由α计算时差Et：
Et＝0.0028-1.9857sinα+9.9059sin2α-7.0924cosα-0.6882cos2α(8)
由时差Et修正太阳时：
St＝Sd+Et/60 (9)
根据真太阳时St，计算太阳时角t为：
t＝(St-12)×15° (10)
步骤二：观测模型建立及辐射信号接收。
CE318型太阳光度计是由法国CIMEL公司开发的大气气溶胶和柱水汽总量观测仪器，CE318-DP型多波长偏振自动太阳光度计在8个波段(中心波长为340nm，380nm，440nm，500nm，670nm，870nm，1020nm和1640nm)观测太阳和天空辐射及其偏振特性，通过滤光片和偏振片的组合实现多波长偏振的分时快速测量。利用PPP和PPL通道进行主平面扫描，即方位角为常值而天顶角改变。在0°-150°，以步长5°，仅做一次扫描。天顶角按照步长5°每增加一次，进行一次天空光的光强测量。利用ALL和ALR通道进行等天顶角扫描，即观测天顶角等于太阳天顶角，在方位角平面上进行天空辐射测量，方位角步长为15°。方位角每增加15°，进行一次天空光的光强测量。对于主平面扫描，可获得相同方位角下，大气散射光在三种偏振态下的光强值。同理，对于等天顶角扫描，也可获得大气散射光在三种偏振态下的光强值。
步骤三：线偏振度计算。
CE318型太阳光度计偏振轮上的9个偏振片分为3组，每组中的3个片偏振片分别适用于不同波长范围。观测时，每组中3个偏振片的偏振轴夹角为60°。在任一波长，对于主平面扫描，假设天顶角为0°时，通过每组3个偏振片测量到的三种偏振态下的光强信号分别为LP1、LP2和LP3，则天顶角为0°时，入射光的线偏振度DOP为：
同理，天顶角以步长为5°变化，可测量得到不同天顶角下的光强信号，即可计算出不同天顶角下的线偏振度。通过计算得到的线偏振度，进而对大气散射光偏振特性进行分析。
为说明本发明在大气散射光偏振特性分析方法上的优势，使用本发明方法对三种典型天气条件以及三种典型波长进行大气散射光探测，实验前计算出测量时刻太阳相对观测地点的高度角及方位角，并记录当天天气条件。对三种典型波长(红、绿、蓝)，三种天气条件(晴朗天空、薄云天空、多云天空)下，大气散射光的偏振度随测量高度角的变化进行测量，其规律如图所示。从图中可以清晰地看出，对于不同天气、不同波长，偏振度均是在太阳点和大气中性点处较小，其值接近于0，散射角为90°时最大。这些偏振分布规律与理论模型一致。图4、图6和图8分别给出了同一波长在不同天气下偏振度随太阳高度角的变化规律，对于红、绿、蓝三种波长，均是晴天的偏振度最大、薄云的偏振度次之，多云的偏振度最小，即随着天气条件变差，大气散射光的偏振度逐渐减小。图5、图7和图9分别给出了同一天气条件下不同波长的大气偏振度随太阳高度角的变化规律。对于晴天、薄云和多云天空，偏振度随波长的变化规律并不一致。对于晴天，偏振度随着波长的增大而增大；而对于薄云和多云的天空，波长小的蓝光偏振度增大的趋势反而更加明显。因此综上，对于晴天，波长越长，偏振度越大，越利于偏振光探测；对于薄云或者多云的天气，短波长对应的偏振度更大，更有利于偏振光探测。这也验证了在多云等天气下，短波更利于偏振导航的特性。
从图10中可以看出，在与太阳同一高度的不同方位，偏振度呈二阶高斯分布，从方位角0°开始逐渐增大，150°左右达到极大值，随后缓慢下降，在180°时有一个极小值，180°左右两侧呈对称分布。其余天气条件与波长都符合这一变化曲线。
本发明提出大气散射光线偏振度计算的简化方法。常用的线偏振度计算方法中，需要得到散射光Stokes矢量，根据Stokes矢量求得偏振度，增加了不必要的处理时间。本发明方法中提出了一个计算线偏振度的公式，只需辐射计接收的光强信号即可，提高计算效率。
本发明将原本对大气散射光的单波长测量分析扩展至多波长，且多波长的测量能够快速实现，不用针对每一种波长更换不同的滤光片与偏振片，避免了因测量时间过长而导致的太阳高度角与方位角变化，提高测量效率与准确性。
本发明利用CE318太阳光度计的PPP、PPL、ALL、ALR四个通道。PPP、PPL扫描时，太阳光度计观测方位角保持在太阳所在的主平面上，通过改变观测天顶角获得天空光的角度分布信息。ALL、ALR扫描则固定太阳光度计观测天顶角等于太阳天顶角，通过改变观测方位角获得天空光角度分布信息。这种观测几何下，可以利用以太阳为中心的平纬圈观测对称性，判断天空是否有云，若整个天空无云，则以太阳为中心的左右平纬圈观测值具有对称性。
在对波长进行扩展的前提下，接收不同的天气条件大气散射光的辐射信号，计算其线偏振度。基于两种变量条件对入射光偏振度进行分析，能够更加直观的得出不同天气条件下，何种波长更利于偏振探测，何种波长更适合作为入射光，适用性强。
本发明方法在传统的大气散射光探测基础上加入了方位、探测波长、天气状况的因素，对于降低自然因素对偏振光导航系统的误差影响，提高了测量精度。