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     

雾滴粒子群的偏振特性研究

根据Mie散射理论,基于一次实测资料拟合得出雾滴谱分布,计算了雾滴粒子群的散射相函数矩阵,揭示了不同波长的雾滴粒子群对入射激光的散射偏振特征。结果表明：激光散射强度随散射角的增加呈现先减小后增大的趋势,且波长越小散射光强分布越集中;波长越大,偏振度随散射角分布越平滑,反之分布震动则越剧烈;各波段偏振度随散射角增大的分布趋势大致相同,关键散射角随波长的减小向增大的方向偏移。     

雾滴粒子群的偏振特性研究

根据Mie散射理论,基于一次实测资料拟合得出雾滴谱分布,计算了雾滴粒子群的散射相函数矩阵,揭示了不同波长的雾滴粒子群对入射激光的散射偏振特征。结果表明:激光散射强度随散射角的增加呈现先减小后增大的趋势,且波长越小散射光强分布越集中;波长越大,偏振度随散射角分布越平滑,反之分布震动则越剧烈;各波段偏振度随散射角增大的分布趋势大致相同,关键散射角随波长的减小向增大的方向偏移。     

基于微扰近似的圆锥表面光散射

由Hueygen原理出发,介绍了粗糙表面的光散射特性.基于微扰近似,在不考虑遮蔽效应和圆锥顶点的散射情况下,分析了圆锥物体的光散射特性,推导了圆锥物体对平面光的散射场解析表达式.计算了圆锥表面在高度起伏均方根不同情况下对1.06μm光波的散射,并且得到了入射角一定的情况下,不同观察方向的散射光强分布曲线.结果表明,在观察方位角不变时,圆锥的散射光强随观察角顶角的增加先增大后减小;在观测方位角一定时,散射光强随高度起伏均方根的增加而减小,且随观察方位角呈对称分布.     

基于微扰近似的圆锥表面光散射*

由Hueygen原理出发,介绍了粗糙表面的光散射特性.基于微扰近似,在不考虑遮蔽效应和圆锥顶点的散射情况下,分析了圆锥物体的光散射特性,推导了圆锥物体对平面光的散射场解析表达式.计算了圆锥表面在高度起伏均方根不同情况下对1.06μm光波的散射,并且得到了入射角一定的情况下,不同观察方向的散射光强分布曲线.结果表明,在观察方位角不变时,圆锥的散射光强随观察角顶角的增加先增大后减小|在观测方位角一定时,散射光强随高度起伏均方根的增加而减小,且随观察方位角呈对称分布.     

光学厚度对颗粒媒质的多重散射的影响

基于辐射传播方程及多重散射基础理论,利用Fraunhofer近似,对颗粒媒质的多重散射光强进行了计算。研究了光学厚度对多重散射的影响,揭示了多重光散射的角分布特征,光强大小随光学厚度的变化,以及单散射引起的误差等方面的规律。为实际的颗粒媒质的光学测量等提供了理论根据。     

取向比对椭球气溶胶粒子散射特性的影响

利用T矩阵和离散坐标法研究了取向比对椭球粒子散射特性的影响, 计算了小尺度范围内椭球粒子的散射特征参量, 包括消光效率因子、不对称因子、单次散射反照率、散射相矩阵及双向反射函数(BRDF). 结果表明, 椭球粒子的散射特性与取向比密切相关, 粒子取向比会影响散射参量的振荡频率和振幅, 与球形粒子散射参量的相对差异也呈周期振荡趋势. 研究还发现, 某些特殊粒子尺寸的散射参量与粒子取向比基本无关. 在多次散射条件下, 分析不同取向比粒子群的BRDF随反射角和光学厚度的变化特性. 结果显示: 不同取向比粒子群的BRDF随反射角的变化趋势基本一致, 球形粒子群比非球形粒子群的BRDF曲线波动振幅更大; 球形-非球形粒子的BRDF相对差异随光学厚度和取向比的增大而减小, 随入射角的增大而增大.     

非球形烟尘粒子后向散射场的光谱分析

在利用后向散射法测量烟尘浓度和粒径的过程中,对烟尘粒子模型的后向散射光谱特性进了计算,确定影响后向散射光谱强度的主要因素并进行分析。对实际排放的烟尘进行显微观察表明,利用椭球、圆柱和广义切比雪夫3种非球模型可以较好地模拟烟尘粒子,其等效直径约1μm。通过"T矩阵法"对这3种非球形粒子模型后向散射场的光谱特性进行了分析,结果表明:非球形粒子的可见/红外波段后向散射现象较球形粒子明显,特别是广义切比雪夫粒子的后向散射光强最高可达到前向的3.5倍;对于吸收性非球形粒子(复折射率m=1.57-0.56i),后向散射光强远大于非吸收性非球形粒子(复折射率m=1.57-0.001i);随着粒子等效半径的增大,光源波长也应随之增加。这为在实际测量时光源及方位的选择提供了理论依据。     

基于蒙特卡罗模拟的散射介质中后向光散射模型及分析应用

构建了内光源模型探讨散射介质中的光散射现象,利用蒙特卡罗方法研究了逃逸出组织的后向散射光子数随光子在组织内部发生的散射次数的分布关系,探讨了光源照明方式、辐射强度、接收方式、调制等参数的变化对后向散射的影响,结果表明后向散射光子的数量随散射次数的分布并非简单的单调递增或递减,而是一条先增大后减小出现峰值的曲线. 峰值位置、峰值大小及曲线形状与光源、探测方式、组织光学特性参数等有关. 关键词： 医用光学与生物技术 散射介质 后向散射 蒙特卡罗模拟     

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.     

基片与不同方位多形态缺陷粒子的复合光散射特性分析

结合光学表面无损检测工艺实际情况,给出基片与镶嵌及掩埋的球体/回转椭球体缺陷粒子的散射特性分析。针对基片与缺陷粒子的半空间问题,结合时域有限差分方法使用广义完全匹配吸收层(GPML),结合三波技术引入激励源,给出了相应的连接边界条件,并将互易性定理应用到近远场外推中,使过程简化。数值计算给出了镶嵌及掩埋的球体/回转椭球体缺陷粒子的散射场的角分布。结果显示:镶嵌比掩埋的缺陷粒子受粒子尺寸的影响更明显。在大散射角下,缺陷粒子的位置因素带来的贡献较大。粒子分别掩埋或镶嵌于基片时,在-10°、30°、70°附近的球体粒子和回转椭球体粒子的微分散射截面(DSCS)差别较大。在基片无损检测工程中可以通过对特定角度散射场的测量定标诊断出缺陷的方位和形态。     

Geometrical optics approximation for light scattering by absorbing spherical particles

By means of geometrical optics, an approximation method is presented to compute the light scattering intensity of absorbing spherical particles illuminated by a plane wave. For absorbing particles, the effective refractive index and the effective refractive angle are related to the complex refractive index and incident angle. The formulas for calculation of the break of phases of reflection and refraction, which are different from the case of transparent particles, are exactly derived. Verification of the geometrical optics approximation (GOA) was performed by case studies and comparison of the present results with the Mie scattering. It is found that agreement between the GOA and the Mie theory is excellent in forward directions for weakly/moderately absorbing particles. Differently, for strongly absorbing particles, good agreement between the calculation methods is in the forward directions and large scattering angles. The agreement between the GOA and the Mie theory is better for larger particles.     

随机取向群聚椭球粒子光散射特性研究

利用离散偶极子近似方法,考虑单元粒子之间的电磁相互作用,数值计算了随机取向的不同尺度参数、不同纵横比的群聚椭球粒子的缪勒矩阵元素,给出了各个缪勒矩阵元素的角分布曲线,探讨了随机取向的群聚椭球粒子的尺度参数、纵横比、基本粒子相对位置对其缪勒矩阵元素的影响。并将随机取向群聚椭球粒子的光散射特性与单个等效球形粒子的数值结果进行了比较。结果表明,随机取向群聚椭球粒子的光散射特性与等效球形粒子的光散射特性存在很大差别,基本粒子的形状越偏离球形,这种差别就越大; 随机取向群聚椭球粒子中椭球粒子的纵横比和相对位置对整个群聚粒子的缪勒矩阵元素存在不同程度的影响,并且此影响随着粒子尺度参数的增大而变得更加显著。     

随机取向群聚椭球粒子光散射特性研究

利用离散偶极子近似方法,考虑单元粒子之间的电磁相互作用,数值计算了随机取向的不同尺度参数、不同纵横比的群聚椭球粒子的缪勒矩阵元素,给出了各个缪勒矩阵元素的角分布曲线,探讨了随机取向的群聚椭球粒子的尺度参数、纵横比、基本粒子相对位置对其缪勒矩阵元素的影响。并将随机取向群聚椭球粒子的光散射特性与单个等效球形粒子的数值结果进行了比较。结果表明,随机取向群聚椭球粒子的光散射特性与等效球形粒子的光散射特性存在很大差别,基本粒子的形状越偏离球形,这种差别就越大; 随机取向群聚椭球粒子中椭球粒子的纵横比和相对位置对整个群聚粒子的缪勒矩阵元素存在不同程度的影响,并且此影响随着粒子尺度参数的增大而变得更加显著。     

Study of the sensitivity of size-averaged scattering matrix elements of nonspherical particles to changes in shape, porosity and refractive index

Studies of the physical parameters that influence the single scattering properties of a size distribution of small particles in random orientation are fundamental in understanding the origin of the observed dependence of the scattering matrix elements on the scattering angle. We present results of extensive calculations of the single scattering matrices of small nonspherical particles performed by a computational model based on the Discrete-Dipole Approximation. We have particularly studied the sensitivity of the size-averaged scattering properties at visible wavelengths of nonspherical, randomly oriented absorbing particles considering changes in shape, porosity and refractive index. These studies have importance regarding the inversion of physical properties of small particles as measured in the laboratory and the dust properties in various astrophysical and atmospherical environments. We have found that size distributions of randomly oriented irregular particles of different shape, including large aspect ratio particles, show similar scattering matrix elements as a function of the scattering angle, in contrast with the pattern found for regularly shaped particles of varying axis ratios, for which the scattering matrix elements as a function of the scattering angle show much larger differences among them. Regarding porosity, we have found a very different pattern in the scattering matrix elements for an ensemble of compact and porous particles. In particular, the linear polarization for incident unpolarized light produced by compact and absorbing particles of large size parameter tend to mimic the pattern found for large absorbing spheres. For porous particles, however, the linear polarization for incident unpolarized light tends to decrease as the size of the particle grows, with the maximum being displaced towards smaller and smaller scattering angles.     

Light scattering by a spheroidal bubble with geometrical optics approximation

This paper proposes the spheroidal model for analyzing the light scattering characteristics of an air bubble. The angular distributions of light scattered by a large spheroidal bubble with end-on incidence are calculated using geometrical optics approximation. The divergence factor, diffraction, and phase shift are considered in the computation. The MATLAB code was developed and verified using the Mie result for a spherical bubble, and the scattering patterns of the two methods agreed well. The effects on the scattering properties are analyzed in terms of the size and shape parameter of the bubble and the incident beam width. The relations between the deviation angle and incident angle, emergent light intensity, and scattering angle are analyzed and used to explain the scattering patterns of a spheroidal bubble.     

Optical equivalence of isotropic ensembles of ellipsoidal particles in the Rayleigh-Gans-Debye and anomalous diffraction approximations and its consequences

Light scattering by isotropic ensembles of ellipsoidal particles is considered in the Rayleigh-Gans-Debye approximation. It is proved that randomly oriented ellipsoidal particles are optically equivalent to polydisperse randomly oriented spheroidal particles and polydisperse spherical particles. Density functions of the shape and size distributions for equivalent ensembles of spheroidal and spherical particles are presented. In the anomalous diffraction approximation, equivalent ensembles of particles are shown to also have equal extinction, scattering, and absorption coefficients. Consequences of optical equivalence are considered. The results are illustrated by numerical calculations of the angular dependence of the scattering phase function using the T-matrix method and the Mie theory.     

基于几何光学的泡沫滴/水滴光散射计算模型

为深入研究舰船泡沫 水两用幕的光衰减机理,建立了基于几何光学的泡沫滴/水滴光散射强度分布计算模型。利用该模型对液相折射率m2为1.20至1.50范围内、气泡相对半径r为0至0.99的球状泡沫滴和水滴、散射角为1至10内的光散射强度进行了数值计算。结果表明,泡沫滴/水滴对可见光具有强烈的散射作用,内的散射强度与入射光强度之比T随的增大而提高,最高可增加2个数量级;随m2的增大而降低,m2从1.30至1.40变化,T降幅最高达11.6%;随r的增加先下降而后提高,达到最低0和最高80.8%;T最低值对应的最优气泡半径ro随m2的降低和的增大而提高,从0.1最多增至0.4。该结论可为舰船泡沫 水两用幕技术的发展提供必要的理论基础。