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偏振光蒙特卡罗大气传输模型及其应用研究

作　者: 张华伟
导　师: 杨俊才
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 物理学
关键词: 偏振光大气传输蒙特卡罗方法背向散射米勒矩阵非视线紫外量子通信偏振度目标识别
分类号: O436.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

利用光在混浊介质中传输的偏振效应,人们在大气领域获得了许多新进展。本文针对混浊大气中常规紫外通信保密度不高以及目标识别深度不大这两个基本问题,建立了偏振光在大气中传输的蒙特卡罗模型,旨在给出可信的计算数据,以指导大气相关领域的研究。深入分析了大气的粒子组成特征,从散射特性上对光信号的传输过程进行分析;通过对比几种解决辐射传输问题的数值解法,显示出蒙特卡罗方法在处理此类问题上的优越性。运用斯托克斯/米勒矩阵方法,利用子午面法建立大气光传输的偏振蒙特卡罗模型;通过与聚苯乙烯悬浊溶液背向散射米勒矩阵图样和累加法的计算结果进行对比来验证偏振传输模型的正确性。利用偏振大气模型对紫外光非视线量子保密通信的可行性进行探讨,利用误码率和搜索复杂度对不同大气条件下偏振基个数的选取进行讨论,结果表明,角度是影响系统误码率的主要因素,距离其次,散射粒子半径的影响最小;在接收端能够进行偏振分离的情况下,利用相位编码实现小角度的紫外光非视线量子通信是有可能的。基于偏振模型对混浊大气中提高目标识别度的方法进行研究,通过对背向散射光强度、解偏振度以及偏振度在不同条件下的仿真结果对比,得出了偏振度识别相对于传统识别方法能够有效提高目标物体识别深度的适用范围;同时对利用后向散射光进行目标识别的最佳波长进行讨论。总之,本文利用偏振光传输模型对混浊大气中的一些新应用进行了探讨,模拟结果表明,利用光的偏振效应能够有效解决紫外通信的保密性低和目标识别深度小的问题,部分计算结果在国内外尚属首创。

全文目录

摘要  8-9
ABSTRACT  9-10
第一章绪论  10-13
  1.1 课题概述  10-12
    1.1.1 背景及意义  10
    1.1.2 国内外研究现状  10-12
  1.2 本文主要研究内容  12-13
    1.2.1 主要研究工作  12
    1.2.2 章节结构  12-13
第二章大气辐射基础理论  13-23
  2.1 大气基本组成  13-16
    2.1.1 分子  13-15
    2.1.2 气溶胶  15-16
  2.2 大气的消光作用  16-20
    2.2.1 大气吸收  16-17
    2.2.2 大气散射  17-19
    2.2.3 大气总消光  19-20
  2.3 辐射传输数值解方法  20-22
    2.3.1 离散坐标法  20
    2.3.2 球谐函数法  20-21
    2.3.3 倍加—累加法  21
    2.3.4 蒙特卡罗方法  21-22
  2.4 本章小结  22-23
第三章偏振光蒙特卡罗大气传输模型  23-38
  3.1 偏振描述方法  23-26
    3.1.1 Stokes矢量  23-24
    3.1.2 Mueller矩阵  24-26
  3.2 偏振模型的实现及流程  26-32
    3.2.1 模型建立过程  26-30
    3.2.2 实现流程  30-31
    3.2.3 与传统蒙特卡罗的区别  31-32
  3.3 模型验证  32-37
    3.3.1 背向散射图样验证  32-37
    3.3.2 数值验证  37
  3.4 本章小结  37-38
第四章偏振传输模型在大气领域的应用举例  38-54
  4.1 紫外光非视线量子通信  38-46
    4.1.1 紫外光非视线量子通信基本原理  38-40
    4.1.2 量子通信评估模型  40-42
    4.1.3 不同大气条件下的模拟计算  42-46
  4.2 提高目标识别能力  46-53
    4.2.1 混浊大气目标识别建模  46-49
    4.2.2 利用背向散射光偏振度识别目标  49-52
    4.2.3 最佳目标识别波长讨论  52-53
  4.3 本章小结  53-54
第五章结论与展望  54-55
致谢  55-56
参考文献  56-60
作者在学期间取得的学术成果  60-61
附录偏振蒙特卡罗主程序  61-64

偏振光蒙特卡罗大气传输模型及其应用研究

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