# Simulation de mesure polarimétrique du ciel

Antoine Moutenet, Léo Poughon, Bruno Toulon, Julien Serres, Stéphane Viollet

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Antoine Moutenet, Léo Poughon, Bruno Toulon, Julien Serres, Stéphane Viollet. Simulation de mesure polarimétrique du ciel. 18èmes journées Imagerie Optique Non-Conventionnelle, Mar 2023, Paris, France., 2023. hal-04512698

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Submitted on 20 Mar 2024

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# Simulation de Mesure Polarimétrique du Ciel

Antoine Moutenet<fnref n="1" />,<fnref n="2" />, Leo Poughon<fnref n="1" />, Bruno Toulon<fnref n="2" />, Julien R Serres<fnref n="1" />,<fnref n="3" />, Stéphane Viollet<fnref n="1" />
[antoine.moutenet@univ-amu.fr](mailto:antoine.moutenet@univ-amu.fr)

## POLARISATION ET DIFFUSION MULTIPLE + LUMINANCE + SYSTEDE DE MESURE : UN ALGORITHMÈ MODULAIRE

<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>**Figure 1 :** Chaîne de mesure simulée de la lumière polarisée du ciel dépendant de la position du soleil.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>**Figure 3 :** Modèle de Berry<fnref n="2" /> reposant sur la projection stéréographique des points neutres (polarisation nulle). Ce modèle permet d'estimer les propriété de polarisation du ciel en prenant en compte la diffusion multiple grâce à la fonction complexe $w: \xi \to w(\xi)$, dont le demi-argument et le module correspondent respectivement à l'angle et l'intensité de polarisation.</figcaption></figure>

### Mise en place

Dans le cadre du développement d'une boussole optique bio-inspirée basée sur la lecture des propriétés de polarisation de la lumière diffusée par l'atmosphère, nous avons été amenés à développer un simulateur complet d'une camera polarimétrique observant le ciel [Fig.1].

Ce simulateur comprend :

- le phénomène de diffusion multiple[1,2] [Fig.3]

- la répartition de l'énergie lumineuse[3]

- l'optique utilisée

- les caractéristiques des polariseurs et du capteur.

### Utilité de l'algorithme

Ce simulateur a l'avantage d'être modulaire et évolutif. Il est constitué de plusieurs blocs élémentaires, facilement remplaçables, pour une amélioration constante et une bonne adaptabilité quels que soient les systèmes optiques et de détection études [Fig.4]. Il sera disponible en **open source** sous Matlab et Python pour les besoins de la recherche et de la formation.

Il permettra le **dimensionnement** des systèmes d'acquisition et des **algorithmes de traitement d'images** à partir de données variées difficilement accessibles par l'expérimentation (conditions météorologiques, matériels couteux, éphémérides[4] spécifique, etc).

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>**Figure 2 :** Structure de l'algorithme de simulation de mesure polarimétrique du ciel. En bleu les entrées, en violet les résultats intermédiaires, en noir les blocs de calculs/fonctions. DoLP est le degré de polarisation linéaire. AoP<sub>g</sub> et AoP<sub>l</sub> sont les angles de polarisation exprimés, respectivement, selon le repère capteur ou selon un repère associé au méridien céleste contenant la direction incidente.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>**Figure 4 :** Type de cameras actuellement simulées. Cameras avec matrice de micro-polariseurs linéaires orientés à 0, 45, 90 et 135 degrés.</figcaption></figure>

## RESULTATS : COMPARAISONS DES SIMULATIONS AVEC DES ACQUISITIONS

<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>**Figure 5 :** Extérieur temps très couvert. Prise avec camera monochrome FLIR Blackfly S BFS-U3-51S5P, 2048x2448 pixels, champ 50 deg.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>**Figure 6 :** Extérieur temps dégagé. Prise avec camera monochrome FLIR Blackfly S BFS-U3-51S5P, 2048x2448 pixels, champ 50 deg.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>**Figure 7 :** Extérieur temps dégagé. Prise avec camera couleur LUCID Vision Lab Phoenix PHX050S-QC, 2048x2448 pixels, champ 180 deg.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_9.png" /><figcaption>**Figure 8 :** Extérieur temps dégagé. Prise avec camera couleur LUCID Vision Lab Phoenix PHX050S-QC, 2048x2448 pixels, champ 180 deg.</figcaption></figure>

## REFERENCES :

[1] G. Horvath, B. Bernath, B. Suhai, and A. Barta, "First observation of the fourth neutral polarizationpoint in the atmosphere," JOSA, 2002.

[2] M. V. Berry, M. R. Dennis, and R. L. J. Lee, "Polarization singularities in the clear sky," New Journal of Physics, 2004.

[3] L. Hosek and A.Wilkie, "An analytic model for full spectral sky-dome radiance," ACM Transactions on Graphics, 2012.

[4] I. Reda and A. Andreas, "Solar position algorithm for solar radiation applications," Solar Energy, vol. 76, no. 5, pp. 577-589, 2004.

<footnote n="1">¹ Aix Marseille Univ, CNRS, ISM, 163 Av. de Luminy, 13 009 Marseille, France</footnote>

<footnote n="2">² Safran Electronics & Defense, 100 Av. de Paris, 91 344 Massy, France</footnote>

<footnote n="3">³ Institut Universitaire de France (IUF), 1 rue Descartes, 72 231 Paris cedex 05, France</footnote>