球形粒子之间的声相互作用

本文讨论某种介质(其中包括许多球形粒子,例如浓悬浮体)对平面波的散射问题,计算了粒子之间的声相互作用场,从而得到了粒子的等效散射截面。当粒子大小比声波波长小很多时,可有如下的结论:(1)由于声相互作用,一个粒子的散射截面只有原来的Q倍,从几何上看,这是由于粒子的互相遮蔽的结果,其遮蔽因子为Q= |1-(γ₀A₀⁽¹⁾+γ₁A₁⁽¹⁾|²;(2)考虑到相互作用之后,散射系数与浓度不再是线性关系;(3)当粒子的尺度比声波波长小很多但比粘滞波波长大很多时,相互作用之后粒子的散射系数与频率的关系仍服从瑞利散射。但当粒子半径接近或小于粘滞波波长时,散射系数与频率的关系比四次方要高。 关键词：     

海面冰层对声波的反射和散射特性

北极海面冰层复杂多变,其对声波的反射和散射严重影响冰下水声信道的传输特性,建立海面冰层的声波反射和散射模型对冰下水声通信研究具有重要意义.假设海面冰层为多层固体弹性介质且冰-水界面粗糙,满足微扰边界条件,导出声波从海水介质入射到海面冰层时相干反射系数满足的线性方程组.对相干反射系数随声波频率、掠射角、冰层厚度的变化进行数值分析.进一步引入根据散射声场功率谱密度计算散射系数的方法,改变掠射角,对冰层厚度、散射掠角对散射系数的影响进行研究.     

海洋混合悬浮颗粒对蓝绿激光的散射特性研究

激光在水下的传输很大程度上会受到海水中悬浮颗粒物的影响,而目前对于海洋中悬浮颗粒物光散射的理论研究大多是针对单一成分的悬浮粒子而进行的,但是在真实海洋中悬浮颗粒物都是以多种成分混合的颗粒群形式而存在的,因此研究真实海洋中混合悬浮颗粒物对蓝绿激光的散射特性具有重要意义。该研究选取了对蓝绿激光传输产生较大影响的浮游藻类植物、悬浮泥沙、碎屑、悬浮气泡和矿物质这五种常见的悬浮颗粒物作为研究对象,充分考虑真实海况中这五种悬浮颗粒物的不同混合情况,构建了海水中混合球形悬浮颗粒物对蓝绿激光的散射特性模型。数值计算了海水中五种物质混合的球形悬浮颗粒物对532 nm蓝绿激光的统计平均光散射参量和平均散射相函数,分析不同混合悬浮颗粒物的混合比对平均散射、吸收和消光系数以及单次反照率随着粒子有效半径和粒子数浓度变化的影响,同时分析了不同粒子尺寸下的不同混合比对混合悬浮颗粒物的平均散射相函数随着角度变化的影响。数值结果表明,当悬浮泥沙在整个混合模型中占比越大时,平均散射系数越大,而当悬浮藻类粒子在整个混合模型中占比增大时,平均吸收系数增大,由此可知海洋中对光造成主要影响的五种常见悬浮颗粒物中,悬浮泥沙对光散射作用影响最大,悬浮藻类粒子对光吸收作用影响最大。随着悬浮颗粒物浓度的增大,混合粒子的单次反照率保持不变,由此可知混合悬浮颗粒物的平均光散射参量随着粒子浓度的增长速率是一致的。海洋中混合悬浮颗粒物的平均散射相函数随着粒子的有效半径的增大而增大,散射作用最大的混合比下的悬浮颗粒物其平均散射相函数最大,悬浮颗粒物的前向散射较强。该工作对蓝绿激光在海水中传输、信道建模,水下无线光通信的研究以及激光探测都具有重要的理论指导意义。     

二氧化硅粉尘对有形激光的反射和透射特性研究

利用蒙特卡罗方法研究了二氧化硅粉尘层对无限窄准直光束的反射和透射特性,根据Mie理论计算了单次散射相函数,并利用其对光子散射方向进行了抽样,分析了消光系数和粒子尺寸对粉尘层反射和透射特性的影响,对于浓度较大的粉尘层,激光在传输过程中,其光斑的大小和形状将对散射特性产生影响,将无限窄准直光束入射情况下的散射函数作为脉冲响应,与有形激光光束进行卷积,得到有形激光束入射情况下的多次散射特性,研究了高斯形和圆盘形两种激光光束入射时,光斑形状和大小对散射特性的影响。     

偏振光在多层散射介质中传输的蒙特卡罗模拟研究

基于米氏散射理论,运用斯托克斯-穆勒形式,结合子午面法和拒绝法,提出了偏振光在多层散射介质中传输的蒙特卡罗模型,并首次分析了当菲涅耳公式失效时,多层介质界面处的全反射行为.同时用该模型研究了微粒直径和介质折射率对漫反射和漫透射的影响.结果表明:无论是折射率匹配介质还是非匹配介质,当粒子浓度一致时,漫反射率都随微粒直径的增加而增加,随介质折射率的增加而减小,而漫透射率则相反.研究结果为生物组织的偏振光散射研究提供了理论验证模型.     

偏振光在多层散射介质中传输的蒙特卡罗模拟研究*

基于米氏散射理论,运用斯托克斯-穆勒形式,结合子午面法和拒绝法,提出了偏振光在多层散射介质中传输的蒙特卡罗模型,并首次分析了当菲涅耳公式失效时,多层介质界面处的全反射行为.同时用该模型研究了微粒直径和介质折射率对漫反射和漫透射的影响.结果表明：无论是折射率匹配介质还是非匹配介质,当粒子浓度一致时,漫反射率都随微粒直径的增加而增加,随介质折射率的增加而减小,而漫透射率则相反.研究结果为生物组织的偏振光散射研究提供了理论验证模型.     

基于瞬态辐射信号的各向同性散射均匀介质光学特性PSO反演

利用激光入射半透明介质时有限体积法（FVM）得到的时域反射和透射信号,结合标准微粒群（PSO）、随机微粒群（SPSO）和多相微粒群（MPPSO）三种不同的智能算法反演短脉冲激光辐照下各项同性散射均匀参与性介质的吸收系数和散射系数,结果表明三种微粒群算法都能够高效准确地反演均匀介质内的光学参数。     

散射介质中层间杂质检测效率的影响因素及分析

散射介质中层间杂质检测是一个非常重要的研究课题.改进现有的Monte Carlo方法,模拟大量光子在散射介质中的传输,得到入射光强、杂质埋藏深度、介质折射率、介质散射系数和各向异性因子对光学透反射成像法检测层间杂质效率的影响规律.结果表明,入射光强、杂质埋藏深度和介质折射率对透反射成像检测结果均有影响,且影响规律相似.增加入射光强、减小杂质埋藏深度或减小介质折射率均可提高反射光成像的检测效率;增大入射光强、减小介质折射率、减小介质散射系数或增大各向异性因子均可提高透射光成像的检测效率.这些规律对散射介质中层间杂质检测具有一定指导意义.     

热红外对地遥感中的大气散射效应

从辐射传输方程出发,严格地分析了以往工作中被忽略的大气层中悬浮微粒散射对热红外辐射能量传输的影响,特别研究了对能量平衡的贡献和对传感器信噪比的影响,对以遥感器高度和能见度作为参量的仿真计算结果说明,与传统的不考虑大气中悬浮微粒的散射情况相比差1~2个数量级。这说明,悬浮微粒的散射不仅对红外辐射有消光作用,而且是研究热红外遥感系统中新的辐射通量出现的重要因素。     

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.     

煤粉颗粒的后向散射特性研究

利用Mie理论研究了单分散煤粉颗粒对光波的散射特性,给出了单次散射相函数、消光效率因子、散射效率因子、不对称因子和单次散射反照率随粒子尺寸的变化关系;当煤粉浓度较大时,需要考虑颗粒系的多次散射特性,根据辐射传输理论,利用蒙特卡洛方法研究了煤粉颗粒的多次散射特性,并给出了其后向散射随观测角度、粒子半径和光学厚度的变化关系,计算结果对煤粉颗粒反演具有一定指导意义。     

基于Monte Carlo方法的雾红外传输仿真及分析

为了研究多次散射效果下红外辐射在雾中的传输衰减特性,基于Mie散射理论,计算了1.064μm、3.8μm和10.6μm激光在平流雾和辐射雾中的消光参量和多粒子散射相位函数.利用Monte Carlo法建立了辐射传输模型,分析了多次散射效应下接收屏、能见度和传输距离对透过率的影响,并与Lambert-Beer定律计算结果进行了比较.结果表明:当能见度和传输距离均为1km时,1.064μm激光在平流雾中的接收屏粒子数随接收屏边长的增加而显著增加;相同的能见度和传输距离下,激光在辐射雾中的衰减小于在平流雾中的衰减;10.6μm激光在平流雾中具有很好的传输性;当粒子散射能力越强、前向散射概率越大时,多次散射对透过率的贡献越明显;激光在雾中的传输衰减特性不仅与消光系数有关,还与散射系数密切相关;能见度和传输距离存在最佳组合,使得此传输条件下多次散射对透过率的贡献最大.     

近距离雾的激光多次散射模拟

为了满足精确快速获取雾的多次散射仿真需求,在近程雷达距离较近情况下,将雷达方程和Mie散射理论相结合,提出一种快速有效的激光多次散射计算方法.首先通过雾滴谱模型建立雾颗粒的几何模型,然后根据Mie散射理论获得的单个粒子的散射函数计算激光在雾模型中单个颗粒的一次散射和二次散射功率密度,结合雷达方程推导出雾的多次等效散射截面和散射系数计算函数.模拟计算表明:雾的激光二次等效散射截面与雾浓度的2/3次方成正比,二次散射系数随能见度增加的衰减比一次散射系数快.     

利用瞬态辐射信号峰值重构半透明介质内部特性

本文采用有限体积法模拟超短脉冲激光在一维参与性介质内的传输,得到瞬态辐射信号,即时域反射信号与透信号随时间变化关系,利用透射和反射信号的极值并结合微粒群算法(PSO)反演估算介质内部物性。本文研究了均匀介质时信号极值计算的目标函数随吸收、散射系数变化关系,结果表明采用极值法能够准确地反演均匀介质物性。此外,研究了两层非均匀介质时目标函数随散射系数变化关系。在吸收系数已知时,采用单面照射激光所得信号极值能够反演出两层介质各自的散射系数。最后,本文研究了同时反演两层介质的吸收和散射系数,采用综合反演的方法能够准确地反演出各层介质的吸收和散射系数。     

半透明介质内激光脉冲链传输过程的叠加机理

根据光波在介质内的散射、折射特点,分析了脉冲链在参与性介质内经界面反射和介质散射后的叠加机理.导出了脉冲链入射非散射性半透明平板时透射比和反射率的解析解.利用间断有限元法和时间平移叠加法计算了脉冲链在一维散射性介质平板内传输的透射比和反射率.结果表明由于介质内部入射光与介质的相瓦影响,脉冲链受界面的反射和内部介质的散射,分裂成一系列时滞不同的子光波.经过不同的光学行程后,子光波叠加成离开平板的反射光波和透射光波.叠加效果随介质散射系数、脉冲宽度和脉冲时间间距发生变化.通过调节脉冲链的脉冲宽度和脉冲时间间距可得到不同波形的反射波和透射波.     

皮肤组织可见与近红外Mie散射光学特性分析

依据Mie单次散射理论, 并考虑到皮肤组织复折射率实部的色散, 分析了在可见与近红外波段皮肤组织对光的吸收、散射及散射的方向特性。研究表明, 散射系数和吸收系数均随皮肤组织中散射粒子半径的增加而增加, 而且, 对于大粒子, 在某一波长处表现出强烈的散射和吸收特性。当粒子半径大于临界半径时, 散射系数呈现振荡特性, 随着折射率虚部的增加, 振幅减小。皮肤组织呈现前向散射特性, 且散射粒子的半径越大, 前向散射特性越明显。     

利用散射系数变化测量血糖浓度的研究

论述了血糖浓度变化与溶液的散射系数的关系。在浑浊介质中散射特性取决于散射粒子和溶剂的折射率的相对大小,在血液中葡萄糖浓度的改变会引起血液折射率的变化,从而使血液的散射系数发生改变,从理论上给出了血糖浓度变化时计算散射系数变化的公式,得出了散射系数和血糖浓度成正比的结论。进一步讨论了满足临床应用目标下,散射系数的相对变化的测量精度要达到4.8×10-4,而对于中国人的血液绝对测量精度要达到6.82×10-3mm-1。用双积分球实验验证了理论计算的正确性,使用牛奶作为浑浊介质测量其散射系数与糖浓度的关系,在不同波长下散射系数都随葡萄糖浓度改变而改变,且线性度可以达到0.95以上。由此可以得出结论,血糖浓度可以通过测量散射系数来得到。     

β粒子绝对测量中的反散射修正因子

以往用 G—M 计数管作β粒子的绝对测量时,对反散射系数所作的修正,没有考虑反散射路径上样品对反散射粒子的吸收本文就这一问题,引入了反散射样品吸收因子,对反散射系数作了进一步修正.设被测样品的β吸收系数为μ_m,厚度为 t_m,其2π表面发射粒子数为m.当样品置于承托物上时,若由承托物反散射回来的粒子数为ΔM,则由于样品对反散射回来的粒子进行吸收,使穿过样品的反散射粒子数变为     

基于MDA法计算水雾粒子红外隐身粒径

水雾隐身技术是一种较为理想且经济适用的目标特征信号控制技术。本文从辐射传输方程出发,考虑水雾粒子的本身辐射和散射,提出以红外表观透射率评价水雾粒子的红外隐身性能。应用Modified Differential Approximation(MDA)法结合MIE理论,计算了水雾粒子红外表观透射率随水雾粒子浓度和粒径的变化关系,得到水雾粒子最佳红外隐身粒径。结果表明:水雾粒子的红外表观透射率随粒子浓度的增加而减小,但当粒子的浓度增加到一定值时,红外表观透射率基本保持不变;水雾粒子的红外表观透射率随粒径的增加先减小后增大,当探测波段为3～5μm时,水雾粒子的最佳红外隐身粒径为6μm;而探测波段为8～12μm时,水雾粒子的最佳红外隐身粒径为12μm。     

有黏条件气泡声散射特性和衰减谱数值研究*

通过研究有黏条件下的气泡散射模型,数值分析水中单气泡声散射特性,进一步结合Beer-Lambert定律将其扩展到多气泡体系的声衰减预测。数值结果表明,随着谐波阶数递增,散射强度分布数值结果趋于稳定且前向散射增强。同时发现,无因次尺寸参量ka=0.1为过渡区与纯散射区的分界线,且在共振区间具有明显的吸收效应。对多气泡体系的声衰减预测也表明,ka 0.1时,该文气泡散射模型声衰减计算与经典ECAH模型结果吻合,在低浓度条件下声衰减谱随着剪切黏度的增加呈增宽趋势,且与体积浓度成正比例递增。模型预测的声衰减随粒径、声波频率、体积浓度分布数值特征能够为颗粒两相体系粒径及浓度表征提供理论依据。