散射性介质瞬态矢量辐射传输的蒙特卡洛模拟

瞬态效应和偏振特性对于短脉冲激光在散射性介质中的传输有重要影响。本文采用蒙特卡洛法来求解一维散射性介质内的瞬态偏振辐射传输问题。采用拒绝法确定光束的散射方向。定义了瞬态矢量辐射传输矩阵(TVRTM)来描述瞬态偏振辐射的传输特性,并以此得到了Stokes矢量的角度与时间分布。在蒙特卡洛模型中采用时间平移和叠加原理,可大幅度提高计算精度和计算效率。     

一维瞬态辐射传输的有限元法模拟

随着超短脉冲激光的快速发展,吸收散射性介质内的瞬态辐射传输引起了人们的广泛关注.本文基于离散坐标法和最小二乘有限元法(LSFEM),提出了模拟多维吸收散射性介质内瞬态辐射传输的数值模型.该模型有效地克服了在标准Galerkin有限元法(GFEM)中发生的伪振荡现象,在时间步长较大的情况下仍然可以得到光滑无振荡的解.而且,最小二乘法产生的求解系数矩阵是对称正定的,与GFEM中的系数矩阵相比,仅需要存储一半的非零系数,可以应用许多高效的迭代求解方法进行求解.为了检验模型,本文研究了一维吸收散射性介质内瞬态辐射传输问题,其结果与蒙特卡洛法(MCM)和积分模型法(IE)的结果进行了比较,结果证实:本文的方法可以精确、高效地模拟参与性介质内的瞬态辐射传输.     

梯度折射率介质瞬态辐射-导热耦合传热

多维辐射-导热耦合传热问题有广泛的应用背景。本文采用有限元法对辐射传递方程的离散坐标形式进行离散,并采用有限元法求解瞬态辐射-导热耦合能量方程,研究二维方腔半透明参与性梯度折射率介质内瞬态耦合传热,考虑第一类热边界条件,分析了折射率分布、衰减系数、散射反照率及散射相函数对对瞬态耦合传热的影响。结果表明,梯度折射率对瞬态耦合传热影响显著。     

求解辐射传递的非结构混合有限体积／有限元法

本文给了一种适用于任意非结构网格的有限体积/有限元法的混合算法用于求解多维半透明吸收、发射、散射性灰矩形介质内的辐射传递.该方法使用有限元法进行角度离散,有限体积法进行空间离散.与基于辐射传递离散坐标方程的方法不同的是,该方法在迭代求解的过程中,针对每一个空间体元,所有角度方向的辐射强度同时耦合求出.通过两个算例验证了该解法的正确性.     

多维梯度折射率介质内辐射传递的扩散近似

推导多维梯度折射率介质内稳态辐射传递的扩散近似方程.使用有限元法对扩散近似进行离散和求解,利用两个二维半透明介质的稳态辐射传递问题验证该扩散近似的精度及适用性.算例考虑介质为均匀折射率及梯度折射率两种情况.利用扩散近似分别求解辐射平衡时的边界热流、介质内温度场分布,并与辐射传递方程的求解结果进行对比分析.结果表明:介质折射率变化、散射特性、光学厚度及散射反照率均直接影响扩散近似的精度;在光学厚及强散射条件下,该扩散近似可以作为一种快速算法应用于梯度折射率介质稳态辐射传递的求解.     

二维稳态辐射传输方程的有限差分求解法

针对扩散光学层析在小动物成像中的应用问题并基于混浊介质空间光子三维散射的实际物理效应,提出的二维稳态辐射传输方程的有限差分数值求解新方法.在此基础上,研究了不同的空间剖分网格和角度离散密度对求解准确度的影响,并通过将所提方法与蒙特卡洛模拟进行比对,验证方法的正确性.研究表明:在均匀组织体内,当离散角度达到一定数量时,由辐射传输方程的有限差分解获得的透射面和侧面的光子密度对空间网格大小并不敏感,而在反射面上光子密度计算则需要较密的空间网格才能够达到一定准确度.本研究为发展基于辐射传输方程的扩散光学层析理论奠定了基础.     

非规则形状介质内辐射-导热耦合传热的间断有限元求解

采用间断有限元法(discontinuous finite element method,DFEM)求解非规则形状介质内的辐射导热耦合传热问题,得到了典型非规则形状介质内辐射导热耦合传热问题的高精度数值结果.和传统连续型有限元方法不同,DFEM将计算区域划分成相互独立的离散单元,形函数的构造、未知量的加权近似以及控制方程的求解均在每一个离散单元上进行.通过在单元之间施加迎风格式的数值通量,DFEM保证了整个计算区域的连续性,因此这种方法兼具良好的几何灵活性和局部守恒性.推导了辐射传输方程和能量扩散方程的射导热耦合传热问题,得到了典型非规则形状介质内辐射导热耦合传热的高精度数值结果.     

二维稳态辐射传输方程的有限差分求解法

针对扩散光学层析在小动物成像中的应用问题并基于混浊介质空间光子三维散射的实际物理效应,提出的二维稳态辐射传输方程的有限差分数值求解新方法.在此基础上,研究了不同的空间剖分网格和角度离散密度对求解准确度的影响,并通过将所提方法与蒙特卡洛模拟进行比对,验证方法的正确性.研究表明：在均匀组织体内,当离散角度达到一定数量时,由辐射传输方程的有限差分解获得的透射面和侧面的光子密度对空间网格大小并不敏感,而在反射面上光子密度计算则需要较密的空间网格才能够达到一定准确度.本研究为发展基于辐射传输方程的扩散光学层析理论奠定了基础.     

地表双向反射对天基矢量辐射探测的影响分析

矢量辐射传输方程定量描述了辐射在地表-大气耦合介质中的传输过程,是定量遥感的基础.在处理辐射和离散介质相互作用时,如何处理多次散射、辐射偏振效应和耦合地表模型是研究的重点,直接影响定量化遥感反演的精度.文中基于逐次散射近似法求解了矢量辐射传输方程,求解过程中耦合典型地表的非偏双向反射（BRDF）模型和偏振双面反射（BPDF）模型.采用相对误差因子定量分析了地表双向反射效应和大气偏振效应对天基矢量辐射的影响.为进一步研究地表-大气耦合介质系统的偏振特性及地表大气参数的定量遥感反演提供理论支持. 关键词： 矢量辐射传输方程 逐次散射近似 定量遥感 偏振遥感     

模拟短脉冲激光在介质中传输的扩散综合有限元法

建立有限元模型,通过求解瞬态辐射传输方程模拟短脉冲激光在半透明介质中的传输.针对散射占优性半透明介质内辐射传输求解效率较差的问题,采用扩散综合加速迭代算法,提高计算效率,缩短计算时间.结果表明:采用精确解析式描述脉冲激光散射源项的求解策略可以获得准确的计算结果,精确地模拟快速变化的波前,不会产生数值扩散和数值振荡.此外,扩散综合迭代算法的计算时间仅为源项迭代的50%~60%.     

用射线踪迹法解黑表面矩形介质耦合换热

本文用射线踪迹-节点分析法研究了二维黑体表面矩形、各向同性散射半透明介质内辐射与导热瞬态耦合换热。采用全隐格式的有限差分法离散二维瞬态微分能量方程,用辐射传递系数来表示辐射源项,结合谱带模型并采用射线踪迹法求解辐射传递系数。采用Patankar线性化方法将辐射源项及不透明边界条件线性化,并采用附加源项法处理边界条件,运用ADI方法求解名以上的线性化方程组,从而解得二维矩形介质内的瞬态温度分布。     

非均匀散射层矢量辐射传输(VRT)方程高阶散射解的迭代法

将散射介质层在z轴方向划分成薄层，用薄层的一阶散射强度、Fourier变换和迭代方法求解散射介质整层的矢量辐射传输(VRT)方程的高阶散射解.该方法将一阶散射与高阶散射迭代结合起来，计算公式简明，可计算高阶迭代解，计算时间少.计算结果与一层均匀散射介质的VRT方程一阶Mueller矩阵解、半空间均匀散射介质二阶Mueller矩阵解、以及离散坐标-特征值特征矢量法的VRT热辐射的数值解作了全面的比较.提出并讨论了非均匀散射层主动与被动VRT方程的高阶解.本计算程序可以通用于非球形粒子多层结构及非均匀介质的散射和热辐射计算. 关键词： VRT方程 分层 迭代解     

随机介质中的矢量辐射传输理论

本文讨论了极化电磁波在随机介质中多次散射,传输和热辐射的斯托克斯矢量的辐射传输理论。其中包括随机分布离散的球形和非球形粒子的矢量辐射传输方程,离散坐标-特征分析法,付利叶变换,迭代法等数值解。讨论了非球形粒子的穆勒矩阵。并研究了密集分布的散射粒子介质的辐射传输理论,考虑了密集粒子散射的相干性,计算了有效传播常数。理论及数值结果与实验作了很好的比较。     

基于频域辐射传输模型的光学成像研究

本文以超短脉冲激光照射参与性介质的光学成像为研究背景,分别构建了短脉冲激光在参与性介质内的频域辐射传输正问题模型和根据边界探测所得频域信号重建介质内部光学参数的逆问题模型。在瞬态辐射传输方程的基础上,利用傅里叶变换得到频域辐射传输方程,采用有限体积法求解频域传输方程,模拟超短脉冲激光在二维参与性介质内传输的过程,得到介质边界的出射频域辐射信号。选取共轭梯度法作为反演算法,采用伴随差分模型求解目标函数梯度,重建了二维非均匀参与性介质内不同位置内含物的光学参数分布。结果表明,基于频域辐射传输方程的伴随差分模型能够较为准确地反演多维参与性介质内的光学参数。     

随机介质中的矢量辐射传输理论

本文讨论了极化电磁波在随机介质中多次散射，传输和热辐射的斯托克斯矢量的辐射传输理论。其中包括随机分布离散的球形和非球形粒子的矢量辐射传输方程，离散坐标——特征分析法，付利叶变换，迭代法等数值解。讨论了非球形粒子的穆勒矩阵。并研究了密集分布的散射粒子介质的辐射传输理论，考虑了密集粒子散射的相干性，计算了有效传播常数。理论及数值结果与实验用了很好的比较。     

超短脉冲激光在二维非均匀介质内的瞬态辐射传输

随着超短脉冲激光的快速发展,吸收散射性介质内的瞬态辐射传输引起了广泛的关注.本文采用最小二乘有限元法模拟了超短脉冲激光局部入射条件下,具有高散射核的二维非均匀介质内的瞬态辐射传输.研究了不同边界位置上反射和透射信号随时间的变化情况.结果表明,对于具有高散射核的非均匀介质,能够揭示散射核位置的双峰现象可能在早期的反射信号中发生,早期的反射信号比后期的、经过介质衰减后信号更重要.因此,在利用短脉冲激光进行光谱分析和成像等技术中,人们应该重视早期反射信号的测量.     

表面不透明三层漫反射散射性介质耦合换热

本文采用射线踪迹、节点分析法研究了三层吸收、各向同性散射性介质层内的一维辐射和导热瞬态耦合换热,复合层表面不透明漫反射,介质层交界面半透明漫反射,且半透明漫反射交界面的反射率采用Fresnel反射定律确定。采用一层和二层辐射能量传递模型跟踪辐射能量在三层介质内的传递,从而推导出辐射传递系数。运用辐射传递系数求解辐射源项,在辐射对流边界条件下、采用全隐格式求解瞬态能量方程,并从机理上研究了辐射和导热耦合换热过程。     

隐-显积分因子间断Galerkin方法求解二维辐射扩散方程

提出一种求解二维非平衡辐射扩散方程的数值方法.空间离散上采用加权间断Galerkin有限元方法,其中数值流量的构造采用一种新的加权平均;时间离散上采用隐-显积分因子方法,将扩散系数线性化,然后用积分因子方法求解间断Galerkin方法离散后的非线性常微分方程组.数值试验中在非结构网格上求解了多介质的辐射扩散方程.结果表明:对于强非线性和强耦合的非线性扩散方程组,该方法是一种非常有效的数值算法.     

任意阶球谐函数法求解辐射传输问题的误差分析

针对各向异性散射介质内的红外辐射传输开展数值方法研究.应用球谐函数展开推导了一维吸收、发射、散射性灰介质的辐射传输近似方程组,采用差分方法结合三对角矩阵解法建立了任意阶辐射传输近似方程数值解法.并通过计算算例验证了高阶PN方法的数值无关性问题.计算结果表明,高阶球谐函数数值解与理论解吻合得很好,同时计算验证了不同展开阶...     

粗糙面上粒子层矢量辐射传输方程的二阶迭代解法

为了探究典型粗糙面上随机粒子层中能量传输的多次散射机制,提出了一种基于矢量辐射传输方程的建模二阶计算方法.该建模方法将建模场景(粗糙面上粒子层)在高度维(Z轴)划分为多个传输散射层,基于矢量辐射传输理论中的一阶迭代散射解,利用典型粗糙面的半经验半解析方法,求解出整个场景的二阶迭代散射解.同时,研究粒子层能量在粒子与粒子间的多次散射机制,以及粒子与地表粗糙面间的多次散射机制.数值结果表明,该二阶迭代解法相较于矢量辐射传输方程的一阶迭代散射解,能够更完整地探究互作用的散射特性,且可从能量传输角度解译建模场景中物体间的相干作用,从而可用于植被地物环境下的多次散射机制的解析以及散射系数变化趋势的预估.