窗口材料光学常数的双厚度反演方法

建立了求解单层和双层窗口光谱透射比的正问题模型,提出了一种基于两块相同厚度窗口透射光谱反演其光学常数(吸收指数k、折射率n)的方法,研究其与现有两种方法的区别,分析了三种反演方法的适用范围。将已知文献中硒化物玻璃的光学常数作为"真实值",通过正问题模型求解窗口的光谱透射比作为"实验测量值",利用反演方法计算n和k,并分析实验偏差对计算的影响。研究结果表明:1)新的反演方法与现有的双厚度方法精度基本相同;2)三种反演方法均受窗口材料的光学常数影响,但在其适用范围内计算精度较高;3)"实验测量值"存在偏差时,三种反演方法的求解精度差距较大。     

反演非球形粒子光学常数的理论建模

本文基于完整的辐射传输方程,结合T矩阵法和K-K关系式,建立反演非球形粒子光学常数(复折射率)的理论模型.首先以椭球粒子为例,分析了非球形粒子光学常数反演模型的适用范围,重点分析了不同尺度参数下椭球粒子的单值性和多值性问题;然后以非球形煤灰粒子为例,采用MC法进行正问题计算,所得的光谱透射率作为"实验测量值",采用本文模型进行反演,得到较好的反演结果,充分说明了本文所建立的反演模型的可行性,同时分析了测量误差对实验结果的影响.     

激光全散射法测量燃煤颗粒物浓度的实验研究

本研究在激光全散射法颗粒物浓度检测系统上进行了不同性质、浓度燃煤飞灰颗粒的质量浓度测量实验。结果显示,联合全散射法颗粒物浓度检测系统和反演计算方法能良好的测算标准颗粒的质量浓度,误差约为7%。对于燃煤飞灰颗粒,测算结果能反映气流中颗粒浓度的变化,然而测算值高于真实值约19.3%~27.2%。并且,对除尘器前级电场飞灰的测算偏差大于第四电场飞灰。进一步的理论计算结果表明,随颗粒粒径增大,散射光分布逐步向前向(即0°方向)集中,导致光电探测器在收集透射光的同时收集部分前向散射光,使得反演计算值大于真实值。而前级电场飞灰中含有更多的大粒径、非球形颗粒且粒径分布范围更宽,偏离了反演算法的假定条件,导致对测算偏差增大。     

基于航空多角度偏振信息的近海海域非球形气溶胶光学厚度反演研究

基于T矩阵散射理论,以中分辨率成像光谱仪(MODIS)海洋气溶胶模型细模态M4和粗模态M9为例,模拟计算了不同纵横轴比椭球形状以及等概率纵横轴比椭球形状分布的非球形粒子单次散射特性。与球形粒子进行比较,发现非球形性对细模态粒子具有起偏作用,而对粗模态粒子具有退偏作用。利用机载大气多角度偏振辐射计(AMPR)的近海海域航飞遥感数据,进行了非球形粒子和球形粒子气溶胶光学厚度的反演实验。反演结果表明,基于非球形模式得到的气溶胶光学厚度与地面太阳辐射计(Cimel,CE318)测量结果一致性较好,相对均方误差在0.1以内。     

利用T-matrix计算非球形粒子散射特性的研究

本文用T-matrix方法计算了非球形气溶胶粒子的光学特性,得到了气溶胶粒子的消光截面、散射截面、吸收截面与气溶胶粒子形状的关系,不同形状气溶胶粒子的有着相同的散射相函数和不同的偏振度,非球形气溶胶粒子的散射相函数对其复折射指数的实部和虚部都不太敏感,而偏振相函数对其实部和虚部都比较敏感.此结论为研究大气辐射传输提供了较好的方法,尤其是偏振度与偏振相函数的提出为用偏振的方法进一步的反演气溶胶的光学参数提供了理论基础.     

湿颗粒堆力学特性的离散元法模拟研究

利用基于线性黏聚接触模型的离散元法对不同颗粒系统的堆积过程进行了数值模拟研究,分析了颗粒形状和湿颗粒间液桥力对颗粒堆积形态的影响机理,获得了球形和块状湿颗粒堆基底表面所受的法向力以及堆中颗粒间的法向力和切向力"中心凹陷"式的分布规律,讨论了颗粒形状和黏聚能量密度对基底表面作用力和颗粒间作用力的影响.研究结果表明,颗粒形状和液桥力对颗粒堆的堆积形态具有显著的影响.堆积角随着黏聚能量密度的增加而增大,并且相同条件下的块状颗粒堆积角大于球形颗粒.颗粒形状和黏聚能量密度对基底表面所受作用力和堆中颗粒间的作用力变化及最大幅值均有影响作用.当黏聚能量密度值逐渐增大时,颗粒堆的作用力最大幅值均逐渐增大,并且块状颗粒堆的作用力最大幅值大于球形颗粒堆.当黏聚能量密度值过大时,颗粒堆力学特性更加复杂,液桥力对颗粒堆积特性的影响作用大于颗粒形状的影响.     

沙尘暴粒子的非球形模型及其对激光的多次散射特性研究

计算沙尘暴对电磁波的衰减特性,以及利用卫星反射率遥感反演沙尘暴的光学厚度时,通常假设沙尘粒子为球形,但实验室和现场测量结果都表明,自然界中的沙尘粒子为非球形,因此利用球形粒子模型模拟沙尘暴对激光的散射和衰减特性将带来较大误差。利用具有一定尺寸分布、形状分布、随机取向的椭球粒子模型模拟自然界中的沙尘粒子,利用T矩阵方法计算了其单次散射特性,并与球形粒子模型进行了比较,结果表明,混合椭球粒子的相函数随角度分布是平滑的、无特征的、且在侧散射方向上是平坦的,这和自然界中的沙尘粒子散射特性非常类似。最后利用累加法计算了沙尘暴对激光的多次散射特性,结果表明,利用任何一种单一形状的粒子模拟沙尘粒子的散射特性都会带来较大的误差。     

多孔炭粒的等效光学常数及辐射特性

基于等效光学常数的概念，分别采用MaxwellGarnet,Bruggeman理论分析了空隙率对炭粒等效光学常数的影响，并进而采用Bruggeman理论考察了内部孔隙均匀分布的球形炭颗粒的辐射特性，结果表明：大炭粒的吸收效率（发射率）因孔的存在而有显著的增强，小炭粒则反之。计算结果与物理分析相吻合。     

利用近前向散射图样识别单粒子形状的理论研究

近前向光学散射图样可以用来表征颗粒物的形状.基于球形芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、类鼻疽伯克氏菌的回转长椭球模型, 采用离散偶极子近似方法, 通过模拟3个不同方位探测器接收的散射光强响应信号, 讨论了非球形生物气溶胶颗粒的形状对前向角分辨光强的影响.结合球形指数反演算法, 在一定取向条件下, 前向5°–20° 内角分辨散射光强具有识别长形颗粒物和非长形颗粒物的能力.该研究可以为颗粒物形态测量仪器设计以及快速检测有害生物气溶胶提供依据.     

柴油的透射光谱测量和热辐射物性参数反演

提出了一种基于填充柴油类半透明液体光学腔的透射光谱反演其介质光学常数的新方法(IDTM),通过测量填充水光学腔的透射光谱并反演水的光学常数进行了方法验证。采用Bruke V70傅里叶红外光谱仪实验测量了填充柴油光学腔在波长2~15 μm的透射光谱,基于新方法反演得到柴油在部分波长区域的光学常数,进而计算得到了其热辐射物性参数。研究结果表明：(1)在波段为2.0~2.5 μm,新方法(IDTM)反演水的光学常数同文献结果基本一致。(2)IDTM反演液体光学常数精度同MCDTM基本一致,且明显高于SODTM和SDTM。(3)柴油在波长2~15 μm范围透光性能较差,其中存在2.4,3.4,6.9,7.3和13.8 μm等5个强吸收区域。(4)柴油的光学常数和热辐射物性参数光谱选择性很强,在不同波段其值差距较大。     

含聚污水的光学特性与其浓度的关联分析

为实现含聚污水浓度的在线光学检测,利用IRTracer-100傅里叶变换红外光谱仪测量了封装窗口-含聚污水-封装窗口三层光学腔的透射特性。基于透射比并结合K-K关系式反演液体样品光学参数,使用Matlab软件对含聚污水的光学腔透射特性进行数据拟合。仿真结果表明,含聚污水含光学腔的透射特性与其浓度之间的关系没有呈现一定的规律性,基于含聚污水光学常数反演的透射特性与其浓度拟合效果较好,拟合精度为0.932 69,误差范围为0.13%~2.32%。对基于光学方法在线检测油田含聚污水浓度具有指导意义。     

椭圆截面非球形颗粒群的多重光散射

尽管非球形下一些特殊形状颗粒的单散射已被得到,球形多颗粒系（颗粒群）的多重散射也被研究,但至今仍未得到非球形颗粒群的多重散射.文中建立了一类椭圆截面非球形颗粒模型,求得其散射相位函数,借助于辐射传播方程,考虑形状及大小分布,得到了该类颗粒群的多重光散射.在两种特例情况下的结果能与已有的结果符合较好,说明了方法的可靠性.计算分析表明：非球形颗粒群的多重散射光强角分布要比球形颗粒平坦.椭圆截面颗粒的粒度或形状参数越大,多重散射光越集中于小的散射角;粒度分布或形状分布越宽,多重散射光强的角分布越平坦.随着光学厚 关键词： 多重光散射 颗粒 非球形 椭圆截面     

有效介质近似在Cu-MgF2复合纳米颗粒薄膜光学性质中的适用性研究

采用射频磁控共溅射技术制备了Cu体积分数分别为15%和30%的Cu-MgF2复合纳米颗粒薄膜。透射电镜形貌图像表明,薄膜由不同形状的Cu晶态纳米微粒镶嵌于主要为非晶态的MgF2陶瓷基体中构成。用椭偏光谱技术计算得到Cu-MgF2复合薄膜在270~830 nm波段的光学常数谱。用考虑颗粒形状效应的有效介质近似计算得到Cu-MgF2复合薄膜在相同波段的光学常数谱。把两样品的透射电镜形貌图像与光学常数理论谱、实验谱相结合,分析讨论了Cu-MgF2复合薄膜的光学特性。结果表明:去极化因子取值0.33的麦克斯韦噶尼特(Maxwell-Garnett)模型可以较好地解释Cu体积分数为15%的Cu-MgF2复合薄膜的光学性质,而去极化因子取值0.6的布鲁格曼(Bruggeman)模型可以较好地解释Cu体积分数为30%的Cu-MgF2复合薄膜的光学性质。     

基于多区域椭圆参数化描述的形状扩散光学层析成像方法研究

获取生物组织体的光学结构是扩散光学成像模式研究(如扩散光学层析技术和荧光分子成像技术)的核心内容.当假设组织器官中具有均匀光学参数时,光学结构的获取方法可归为基于形状的扩散光学层析成像(DOT)重建技术,该技术致力于同时重建组织器官的边界和内部光学参数.实现了二维的边界元正向模型,并与有限元正向模型的结果进行比较.反演问题中使用了截断奇异值(truncated-SVD)优化算法,并在40 dB噪声水平下用内部具有3个异质体的目标模型进行验证.数值结果表明,提出的图像重建算法具有良好的收敛性能,并能从噪声数据中准确恢复相应区域的形状参数和光学参数.     

多层高反膜光学常数和厚度的反演

基于精英保留策略的遗传算法具有良好的全局寻优能力和很强的鲁棒性,基于Levenberg-Marquardt 算法的非线性最小二乘法具有快速、高效的局部收敛能力.研究了将这两种算法结合起来求解多层膜光学常数和厚度的可行性和有效性.结果表明:基于两种算法的组合反演算法综合了这两种算法的优点,能以较大的概率、较高的精度找到在实际约束条件下多层膜的光学常数和厚度,特别是在寻找全局最优解方面表现出色.根据全光谱透射拟合法基本原理,应用组合反演算法分别在考虑测量误差与不考虑测量误差两种情况下反演 15 层规整高反膜的光学常数和厚度,得到了较为精确的薄膜参数.模拟实验表明:此组合反演算法可有效地求解多层膜反演问题,在反演多层膜光学常数和厚度方面具有实际的应用价值.     

利用透射光谱反演硒化锌的光学常数

建立了单块样品和两块叠加样品的透射比计算模型,并提出了一种基于两块相同厚度样品叠加后的透射光谱反演其光学常数的新方法。通过Bruke V70傅里叶光谱仪测试了不同厚度单块硒化锌样品以及两块硒化锌样品叠加的1.33～21 μm范围的透射光谱,结合实验透射光谱利用光学常数反演方法,计算得到了硒化锌样品的光学常数。部分反演结果与文献中数据进行比较,验证了反演方法的可靠性。     

不同单体形状生物粒子凝聚体消光特性的差异分析

针对生物粒子凝聚体单体形状和光学特性的复杂多变,构建了5种不同单体形状的生物粒子凝聚体空间结构,并用离散偶极子近似方法计算了生物粒子凝聚体的消光特性参数,分析了不同单体形状生物粒子凝聚体的消光特性差异。计算结果表明：非球形生物粒子凝聚体在将其单体形状等效为球形时,平均质量消光系数的相对偏差绝对值在6%以内;不同单体形状生物粒子凝聚体对光的散射能力不同是消光特性存在差异的主要表现,且通常情况下单体形状越偏离球形,相对偏差越大,因此,由不同单体形状引起的消光特性的差异不应被忽略。此项工作可应用于准确评估和优化生物粒子材料的消光性能。     

在轨空间目标光学特性宏观表征模型的反演重构

为了在天基远距离条件下反演三轴稳定空间目标表面的光学特性参数,提出了基于可见光时序光度信号分析的光学特性宏观表征模型的反演重构方法.首先,综合考虑空间目标的结构特性、表面材料特性、帆板的对日指向运动特性、光照观测几何以及光学系统特性,完善了面向在轨观测的空间目标可见光时序光度建模方法;其次,将光度模型等效为双面模型,并利用双向反射分布函数(BRDF)的多级融合模型表征复杂材料表面的光学反射特性,将BRDF对应的面积反射率乘积作为待反演参数;最后,以时序光度信号的测量值与模型值之间的差异最小为优化目标,建立线性优化方法,实现模型参数的反演.仿真实验表明,提出的模型在轨重构方法对于近轨观测条件下的本体、帆板信号的重构精度达到97%以上,验证了方法的正确性.     

RP-3航空煤油热辐射物性参数的透射法测量

建立了填充半透明液体光学腔光谱透射比的正问题计算模型,提出了一种基于填充液体光学腔的透射光谱反演其液态介质光学常数的IDTM模型,通过测量填充水光学腔的透射光谱并反演水的光学常数进行了模型验证.采用Bruke V70傅里叶红外光谱仪实验测量了填充RP-3航空煤油光学腔在波长2~15μm的透射光谱,基于新模型反演得到RP-3航空煤油光学常数,进而计算得到了其部分波段区域热辐射物性参数.研究结果表明:1)IDTM模型反演液体光学常数精度同MCDTM模型基本一致,且明显高于SODTM模型和SDTM模型.2)RP-3航空煤油在波长2~15μm范围透光性能较差,其中存在2.4μm、3.4μm、6.9μm、7.3μm和13.8μm等5个强吸收区域.3)RP-3航空煤油的光学常数和热辐射物性参数光谱选择性很强,在不同波段其值差距较大.     

非球形生物气溶胶对偏振光的多次散射特性研究

基于回转椭球模型和有限长圆柱模型,采用T矩阵方法研究了非球形生物气溶胶的单次散射特性,计算了鼠疫耶尔森氏杆菌、土拉热杆菌二种生物气溶胶对氦氖激光的单次相矩阵、单次散射反照率以及不对称因子。根据矢量辐射传输理论,研究了激光在生物气溶胶中传输的偏振散射特性,基于累加-倍加法(adding-doubling method)求解矢量辐射传输方程,并计算了非球形生物气溶胶对激光多次散射的斯托克斯参量。计算结果表明,生物气溶胶的尺寸和形状对光的极化更为敏感,因此在利用激光进行生物气溶胶微观特性探测和反演时,利用激光的偏振散射特性为非常有效的方法。