大气散射光偏振特性分析

　　在激光偏振主动成像时,由于大气的吸收、散射、湍流等影响,激光束在传输过程中将出现衰减、闪烁、偏移、强度和相位起伏等现象,使成像质量受到影响.严重时,可能使激光传输无法进行,更无法成像.大气激光窗口波段,激光受到的影响主要是散射和湍流.大气对激光的散射常用球形粒子散射来描述,并以球状聚集粒子作为实验模型来研究光的散射[1,2].因此研究大气分子和气溶胶对散射光偏振特性的影响是激光偏振主动成像必不可少的部分.针对大气分子和气溶胶散射偏振特性的试验,国内多家研究单位已做了试验研究[1,2],并对实验结果进行了分析.文中将以大气分子散射和气溶胶散射为分析对象,以Rayleigh散射和Mie散射理论为基础,通过数值模拟的方法研究大气对自然光、水平线偏振光和45°线偏振光的偏振特性影响,这对研究激光偏振成像有实际的参考价值.

　　1　偏振特性的Stokes矢量表示法

　　光的偏振状态可以有几种表示方法,在描述目标反射以及散射特性时常用的是Stokes矢量法[3].一束光的偏振状态可以由4个Stokes参数表示,分别为I,Q, U, V.每个Stokes参数都可用光强度表示,能够直接测量,定义

　　式中,Ex(t),Ey(t),δx(t),δy(t)分别表示在x和y方向上电场的振幅和相位.〈E(t)〉的含义是求电场强度的时间平均值.通过Stokes矢量可以定义偏振度Pd和偏振角Ψ分别为

　　自然光、水平线偏振光和45°线偏振光的归一化的Stokes矢量可分别表示为:[1 0 0 0]、[1 1 0 0]和[1 0 1 0].入射光Sin的Stocks矢量和散射光Sout的Stocks矢量偏振态之间的关系可以用目标Mueller矩阵来表示

　　由于只考虑偏振度Pd的变化,下面讨论中采用的Mueller矩阵都已归一化.

　　2　单次散射偏振特性分析

　　大气对激光的散射本质上是一个多次散射过程,搞清楚单次散射的性质和特征是进行多次散射计算的基础.所谓单次散射是指单个粒子或微体积元对光的散射.这里有一个前提条件,即微体积元内有多个粒子,如果粒子之间的距离足够远,比如说它们之间的距离是入射波长的10倍以上,那么可以认为多个粒子对外来辐射的散射具有相互独立的性质.

　　为了定量讨论散射粒子的偏振过程,先给定入射光的条件和相应的坐标系.如图1所示的直角坐标系中,假设入射光为线偏振平面波,振幅为E0,入射光光强为I0,沿Z轴传播,其电场矢量沿X轴振动,散射体位于坐标原点O,P为观察点, r为散射点与观察点P的矢径. r与z轴组成的平面为散射面,θ为散射角,φ为入射光振动面与散射面间夹角.