太阳耀光的偏振分析
５期
刘志刚等：太阳耀光的偏振分析
３６３
∞辟：１０。”井＝５０。ｃ）毋＝７０９
图ｌ在不同太阳天顶角时，各方向反射光的偏振度（围中虚线表示经纬度。。来”代表太阳的位置，实线表示偏振度）
ｌｉ９１．ｔ埘ｔｌｌ删Ｅ时蜘ｔｓ眦ｚｅｎｉｔｈ蚰ｄｅＦ１９．１Ｔｈ。ｐｏｌ商ｚａｔｉｏｎ
ｄ钟。ｆ耐１ｅｃ￡ｅｄ
阳耀光的污染，将影响后续信息的提取”１．
偏振是一种在遥感中尚未被充分利用的重要信息”ｏ．光经过永表的反射将产生偏振效应．如果光以布儒斯释角照射平静的水表，则其反射光将完全垂直偏振，通过平行的偏振片可以将其完全过滤”Ｊ．根据该原理，Ｆｏｕ即ｉｅ等人（１９９９）通过模拟计算和测量实验发现采用平行偏振片可以有效地抑制水表状况的变化带来的不确定性，提高水表离水辐射的测量精度．那么在卫星水质遥感中是否也可以利用偏振的手段剥离太阳耀光，提高水体信息提取的精度或效率？Ｐｌ∞ｓ和Ｋａｔｔａｗａｒ等人（１９７６）在分析波浪水表太阳耀光的强度分布时，简单地描述了太阳耀光的偏振度，但并未对上述问题进行分析…１．本文首先模拟了太阳耀光在不同条件下的反射率和偏振度，然后在此基础上分析了通过偏振方
和以．
随着ｐ；取值不同，水表反射光将成为偏振程度不同的部分偏振光．部分偏振光可以分懈为两部分；完全偏振光和自然光．通常人们用以下公式衡量光的偏振程度一偏振度‘“：
Ｐ＝‘垒
Ｉｐ＋Ｉｕ
（４）
其中咖为完全偏振光的强度，儿为自然光的强度．对于线性偏振光。Ｐ＝ｌ；对于非偏振光（自然光），Ｐ＝Ｏ；对于部分偏振光，０＜Ｐ＜１．假设照射水表的太阳光是自然光。根据公式（４）太阳耀光的偏振度等价于：
Ｐ；巳二壁！
Ｐｎ＋ｐ。
（５）
法剥离遥感影像中太阳耀光的有效性．１太阳耀光的偏振度
任何一束光都可以分解成相互垂直的两个分量．水表的人射光和反射光可以分解成与入射面平行和垂直两个部分．这两部分光在水表的反射率分别为”１：
Ｐ５
其中ｍ为垂直部分的反射率，ｐ，为平行部分的反射率，
图ｌ给出了不同太阳天顶角（或）时，各方向的反射光的偏振度．可以看出，当太阳天顶角为ｌＯ。时，只在接近水平面的位置上的反射光才呈现出较强的偏振效应．随着太阳天顶角的增大ｊ偏振效应较强的也不断增大，偏振度大于０．９中心区位置由低纬度区向高纬度区移动．当太阳天顶角为５０。时，在太阳对面的天空中，纬度８０。处的偏振度已接近０，５，此时如果采用平行偏振片观测，７５％的太阳反射光将被过滤．因此，如果太阳天项角较大时，采用平行偏振片观测可以以较大比例过滤大范围的太阳耀光．但评价偏振方法的有效性，还必须同时考虑太阳耀光的强度．如果偏振度大的区域太阳耀光恰好强度大，那么通过偏振方法过滤太阳耀光就将具有重要意义．太阳耀光的强度取决于太阳耀光的反射率，下节将计算不同区域
Ｐ。；萼掣
ｐＰ
２
２盂丽了万
（１）０１’（２）‘２’
ｐＰ：鉴；！｜二娑ｉ丽了万
ｎ，ｓｉｎ（Ｂ）＝ｎ２ｓｉｎ（取）
其中ｐＩ为垂直部分的反射率，ｐＰ为平行部分的反射率，Ｂ为人射角，ｐ，为折射角．根据ｓｎｅⅡ定律可知Ｈ］：
，
（３）
其中铂为入射光一绷的介质的折射率。ｎ：为折射光一侧的介质的折射率．因此风和ＰＰ只取决于ｎ．、ｎ：
红外与毫米波学报２６卷
的太阳耀光的反射率．
（咖。）为０，日，为太阳天顶角，只为观测天顶角，咖。为观测方位角，ｎ为小平面法线方向的方位角，ｐ为小平面法线方向的天顶角，ｃｏｘ和Ｍｕｎｋ（１９５４）的研究发现，假设风向与太阳人射方向相同，风速为ｗ时，在不受海底影响的波浪表面上，小面在ｘ轴和ｙ轴方向的坡度（≈和：，）的出现概率为”１：
２波浪水表太阳耀光的反射率
波浪表面可以分解成一个个足够小的平面，每个小平面具有不同的坡度和坡向，光在小平面上的反射可以近似地看作镜面反射，图２描述了太阳光照射一个小平面的几何关系图．图中太阳方位角
‰引＝志ｅ卑
ｌ一争（ｆ一１）一譬（ｑ３—３町）＋鲁（ｆ一６ｆ２。３）＋字‘ｆ一１）（彳一１）＋鲁（印４—６砷２＋３）
观测方向的垂直偏振光反射率．
（６）
其中口。＝（ｏ．００３＋ｏ．ｏｏｌ９２形）”２，Ｆ。＝（Ｏ．００３１６Ⅳ）“２，ｃ２ｌ＝ｏ．０１—０．００８６矿，ｃ２２＝Ｏ．１２，ｃ。３＝Ｏ。０４一Ｏ，０３３彤，ｃ柏＝Ｏ．４，ｃ蛐＝Ｏ．２３，ｆ＝ｚ／∥。，ｆ＝：／口。．：，和；，可以用以下公式计算：
ｓｉｎ吼８ｉｎ（啦一咖。）
ｃｏｓ日．＋ｃｏｓ以
００时，对应于不同太阳天顶角（１０。、５０。和７０。）不同
３讨论
从太阳耀光偏振度的空间分布可以看出，如果传感器观测天顶角较小，太阳天顶角越大，采用平行偏振片过滤的太刚耀光的比例越大（图２）．
当传感器观测天顶角等于Ｏ。，太阳天顶角为１００，传感器观测方向的太阳耀光偏振度不足Ｏ．１，平行偏振片仅能消除不足５５％的太阳耀光；如果太阳天顶角为７０。，传感器观测方向的太阳耀光偏振度将接近Ｏ．７，偏振片能消除约８５％的太阳耀光．但是从太阳耀光垂直偏振部分的反射率的空间分布可以发现，随着太阳天顶角增大，天顶角较小的传感器所能接受的垂直偏振太阳耀光的反射率将降低（图３）．当风速为５ｍ／ｓ，风向为００．如果太阳高度角为ｌｏ。，ｏｏ天顶角处的垂直偏振反射率为ｏ．２左右；对于同样的风速风向，如果太阳高度角为７００，Ｄ。天顶角处的垂直偏振反射率不足０．０１．因此，当太阳天顶角较大时，尽管在天顶角较小的传感器上安装平行偏振片能够过滤较大比例的太阳耀光．但此时太阳耀光的强度很弱，耀光的剥离作用将不明显．总之，当传感器观测天顶角较小时，无论太阳天顶角的大小，平行偏振片对剥离太阳耀光的作用都将有限．
当太阳天顶角较大，且传感器在阳光的镜面反射方向附近进行观测时，平行偏振片能够有效地消除大量太阳耀光．例如，当风速为５ｒｎ／ｓ，风向为Ｏｏ．太阳高度角为５０。，传感器在太阳的镜面反射方向（５０。，１８０。）附近通过平行偏振片可以过滤９５％以上的太阳耀光（图２），且此时太阳耀光的垂直偏振反射率高达Ｏ．５以上（图３）．在（３０。，１８００）处的垂直偏振反射率也高达０．３左右（图３），平行偏振片
弓＝些甓跨学．㈣
‘。一
’
…
、’’
’
ｃｏｓｐ．＋ｃｏｓ只
、’
如果风向与太阳入射方向不同，则将坐标旋转至ｙ轴与风向重合即可．
根据公式（７）、（８）可知，只要给定太阳的入射角和观测角就可以确定反射小面的坡度．
因此，对于特定的太阳入射角，水表各种方向的坡度概率等｜＿】于不同观测角接收到太阳反射光的概率．
根据该概率可通过以下公式计算出太阳耀光向不同方向反射的反射率ｎ”：
ｔ
２瓦茜‰，
（９）
其中Ｐ为菲涅尔反射率．根据公式（９），用ｍ和ｐ，可以分别算出太阳罐光的垂直和平行偏振部分的反射率．
图３分别给出了风速为５ｎ∥８和ｌＯｎ∥８，风向为
姗一
图２太阳耀光的照射几何
Ｆｉｇ２
ｎ。ｇｅｏⅢｅｔｒｙ
０ｆ
ｓｕｎｄｉｎｔ
５期
刘志刚等：太阳耀光的偏振分析
在此方向依然可以剥离约７５％的太阳耀光．
风速对水表太阳耀光的反射率影响很大，这不仅表现在反射率的高低上，也表现在太阳耀光散布范同的大小上（图３）．当风速较小时，太阳耀光的反射率高，且集中在太阳的镜面反射方向较小的角度范同内．此时通过调整传感器的观测方向较易避开太阳耀光的影响，或采用掩膜的方法剔除太阳耀光
影响区域，范围也不大．随着风速的增加，太阳耀光
的反射率减小，但是散布范围不断增大，此时很难通过调整传感器的观测方向完全避开太阳耀光，通过平行偏振片剥离是一种可能的方法．
风向对各方向太阳耀光的反射率也有所影响，但是上述规律基本相同，由于文章篇幅所限，这里不
进一步讨论．４结论
本文通过计算在不同风速和不同太阳天顶角的
１＾
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㈡
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ａ）岛＝１０。，ｗ＝５ｍ向
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０鼯＝７０４，Ｗ＝１０ｆｍ
图３太阳耀光的垂直偏振反射率（图中虚线表示经纬度“米”代表太阳的位置．实线表示垂直偏振反射率）
Ｆｉｇ．３
ｎｌｏｐ８ｒｐｅｎｄｉｃＩｌｌ盯一曲疆ｈ０ⅡｒｅｄｅｃｌａＩｌｃｅ０ｆｓｕｎＩｉｇｈｔ．条件下，水表反射光的偏振度和反射率，分析了利用
平行偏振片消除水表太阳耀光的效果．计算结果表
明，当传感器以较小的天顶角对水面进行观测时，平
行偏振片对太阳耀光的过滤作用有限，但是当太阳
天顶角较大，传感器在太阳光的镜面反射方向附近对水面进行观测时，平行偏振片可以显著地消除水表的太阳耀光．尤其当风速较大时，太阳耀光散布范围大，难以完全回避，此时带平行偏振片的观测可以有效地削弱耀光．大部分水体的离水辐射的偏振很
弱”Ｊ，通过偏振过滤后，其在传感器信号中的强度仅将大致减半．这样离水辐射在所传感器信号中所
占的比重将显著增加，有利于提高水体信息提取的
精度．
本文在计算水表反射光的偏振度和反射率时，进行许多简化，例如没有考虑大气对太阳入射光和
反射光偏振状态的影响，忽略了水表的多次反射的可能．这些因素需要在进一步的研究中加以考虑．
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太阳耀光的偏振分析
作者：作者单位：
刘志刚， 周冠华， LIU Zhi-Gang， ZHOU Guan-Hua
刘志刚,LIU Zhi-Gang(遥感科学国家重点实验室,北京,100101;北京师范大学地理学与遥感科学学院,北京,100875)， 周冠华,ZHOU Guan-Hua(遥感科学国家重点实验室,北京,100101;中国科学院研究生院,北京,100039;北京师范大学资源学院,北京,100875)红外与毫米波学报
JOURNAL OF INFRARED AND MILLIMETER WAVES2007,26(5)5次
刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
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