三维瞬态偏振辐射传输研究

瞬态偏振辐射的探测与分析在距离选通成像、光学遥感等领域有着重要的应用。本文构建了一个三维多层散射性介质模型,并采用蒙特卡洛法研究瞬态偏振辐射在其中的传输规律。推导并总结了偏振辐射在三维空间界面处的反射和折射公式。通过与一维多层半透明模型计算结果进行对比,验证了该模型的正确性,并给出了短脉冲激光在该模型中传输的算例。     

间断有限元法求解一维矢量辐射传输

采用间断有限元法(Discontinuous finite element method,DFEM)求解一维散射性介质内矢量辐射传输问题。推导了散射性介质内矢量辐射传输方程的间断有限元离散格式,空间离散采用间断有限元离散将求解域划分为相互独立的单元,角度离散在传统的均匀分段光滑近似(Piecewise Constant Approximation,PCA)角度离散基础上进行局部加密以得到关键方向上的数值解。采用两个稳态矢量辐射传输算例对间断有限元法求解矢量辐射传输方程的正确性和计算效率进行了验证,在此基础上拓展间断有限元法应用于求解散射性介质内瞬态矢量辐射传输方程,将随着时间推移过程中的瞬态辐射信息和最终的稳态结果相比较验证了本文方法的正确性。     

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     

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.     

考虑地表反射类型的气溶胶散射偏振特性

采用逐次阶散射法求解矢量辐射传输方程来研究气溶胶在不同地表反射模型下的散射偏振特性.首先,选取单一地表反射模型和耦合地表反射模型两种地表反射模型.然后,根据地表反射模型计算得到相应的地表反射率,进而采用逐次阶散射法对矢量辐射传输方程进行求解,得到散射光的Stokes矢量.最后,由Stokes矢量计算得出散射光的偏振度.仿真结果表明,两种地表反射模型下气溶胶单次散射的散射辐射强度和线偏振度均相等;耦合地表反射模型的总散射辐射强度和线偏振度总是大于单一地表反射模型;单一地表反射模型的气溶胶单次散射相对总散射的贡献总是大于耦合地表反射模型.研究结果对气溶胶光学特性的反演具有一定意义.     

Mie散射偏振特性对平板介质内辐射换热的影响

偏振是电磁辐射的重要特性之一。考虑偏振效应的辐射传输的分析和计算需要基于以Stokes参量为传输变量的矢量辐射传输方程。由于考虑偏振效应时辐射换热计算要复杂得多,传统的辐射换热计算过程中一般忽略偏振效应。而完全忽略偏振效应对辐射换热的分析可能会引起较大的误差。本文通过数值求解矢量辐射传递方程,以平行光照射一维散射平板为例,研究由Mie散射相矩阵引起的偏振效应对辐射换热的影响。研究表明,入射光的偏振态和散射相矩阵的偏振效应是耦合在一起对辐射换热的分析产生影响的。当它们具有强的耦合作用时,即偏振态显著影响散射后的能量分配,将会引起基于标量辐射传输的辐射热流预测结果出现较大偏差。     

DRESOR法对瞬态辐射传递问题的研究

用基于蒙特卡洛法(Monte Carlo Method,MCM)的DRESOR法(Distributions of Ratios of Energy Scattered by the medium Or Reflected by the boundary surface)求解入射辐射经过介质散射、壁面反射传递后辐射强度随时间变化的瞬态辐射传递方程(Transient RadiativeTransfer Equation,TRTE)问题。通过在系统内计算一单位瞬态入射辐射对介质的DRESOR数分布,就能计算任意时间内入射辐射在系统内时间响应特性,这样有效提高数值方法处理瞬态辐射问题的通用性。并且能够获得高方向分辨率的辐射强度随时间变化的结果,这是目前大多数数值处理方法比较难做到的,显示出了DRESOR法处理瞬态入射辐射问题的能力．     

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。     

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%.     

二维参与性介质中激光脉冲的瞬态辐射传输研究

本文采用蒙特卡洛法建立了二维参与性介质中超短脉冲激光的瞬态辐射传输概率模型,通过与相关文献计算数据的对比,验证了上述物理模型及数值算法的正确性。同时,讨论了介质侧面交界处反射特性、激光入射半径及脉冲宽度对不同探测位置处透射反射信号强度及时域分布的影响,探讨入射脉冲宽度和激光传输特征时间对透射反射信号时间展宽特性的关联性,为激光主动探测过程中摄像机选通门开启时刻及持续时间的选取提供参考借鉴。     

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     

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.     

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。     

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。     

辐射传递蒙特卡洛法精度分析及数值试验

本文建立了蒙特卡洛法模拟散射参与性介质内辐射传递计算模型。对蒙特卡洛法的计算精度及运行时间进行了较为详细的分析,提出了几种判断计算精度的方法。同时,借助蒙特卡洛法模拟辐射传递过程,进行数值“辐射实验”。利用该“实验结果”进行了物性反问题研究。在已知光学厚度的前提下,得到散射反照率与后半球辐射热流之间的单值函数关系。     

激光脉冲在各向异性散射介质内的瞬态热效应

本文考察了激光脉冲在吸收、发射、各向异性散射介质内引起的瞬态热效应。将激光脉冲辐射在介质内的传递过程分为两个子过程：发射－衰减－反射过程和吸收－散射过程。用光线踪迹法结合节点分析导出辐射传递系数和辐射源项,用控制容积法解瞬态能量方程。检验结果表明,本文的计算方法准确。在此基础上,考察了散射特性、初始温度对激光脉冲响应的影响。     

用Mie散射理论计算大气气溶胶光学特性

本文在已知厦门海域气溶胶粒子谱分布的基础上,用MIE散射理论计算了该地区气溶胶粒子的光学特性,得到了气溶胶粒子的散射截面、吸收截面、消光截面与波长的关系,散射相函数以及偏振相函数,并用实验对两个相函数加以了验证。此结论为研究大气矢量辐射传输提供了很好的方法;尤其偏振相函数的提出为今后用偏振的方法研究大气提供了理论依据。     

各向异性介质辐射特性参数联合反演

本文基于BP神经网络方法结合蒙特卡洛和BEER定律辐射传输模拟方法建立了联合反演各向异性散射介质的辐射特性参数模型。首先采用半球透射率结合半球反射率反演模型反演了各向同性介质的吸收系数和散射系数,在此基础上增加准直透射率,建立了联合反演各向异性介质的吸收系数、散射系数和散射不对称因子三参数联合反演模型。反演结果表明该模型能准确反演出介质辐射特性参数,具有实用意义。此外,为了检验测量误差对模型的反演准确性的影响,分别在不同程度测量误差情况下进行反演,结果显示测量误差对散射不对称因子反演值影响较大。     

任意入射辐射条件下介质特性对瞬态辐射传递的影响

用基于Monte Carlo法的DRESOR法在平行平板系统内具有吸收、无发射介质中研究不同波形入射、壁面反射、介质散射率、光学厚度、各向异性散射等条件对瞬态辐射传递的影响.任意连续波形入射辐射是目前大多数数值方法很难处理的瞬态辐射问题,而DRESOR法通过在系统内计算一单位入射辐射能对介质的DRESOR数分布,就能计算任意连续波形入射辐射条件下高方向分辨率的瞬态辐射强度结果.DRESOR法和Monte Carlo法计算的结果进行了比较验证,两者吻合较好,证明了DRESOR法处理瞬态入射辐射问题的正确性和有效性.     

视细胞浓度分布对散射光偏振性的影响

人眼视网膜是一种具有高散射特性的生物组织。基于米氏散射理论研究光在视网膜组织中的传输过程对生物组织散射成像具有重要意义。根据解剖学上视网膜结构与细胞分布的特点,引入分子动力学领域的静态结构因子修正辐射传递理论,并采用离散坐标法求解视细胞对散射光偏振性的影响。结果表明散射光偏振性取决于视细胞尺寸与浓度分布等因素。在不同的极角和光程位置,散射光束的偏振性呈现波动性变化,视锥细胞核比视杆细胞核具有更强的散射特性,散射光束的偏振特性变化随散射角的增大而增大。