非球形火星沙尘粒子的光谱散射特性研究

针对复杂的火星大气环境,基于T-matrix理论,对三种非球形火星沙尘粒子的散射特性进行了研究,计算了服从对数正态分布的非球形火星沙尘粒子的散射特性,分别在有沙尘暴和无沙尘暴两种条件下,分析非球形火星沙尘粒子的传输衰减和透射率随粒子数浓度、波长以及高度的变化趋势,并与球形粒子进行对比。结果表明:非球形与球形粒子的消光效率因子和散射效率因子存在较大差异,两者之间的最大差值分别为1.786 8和1.761 9,而切比雪夫粒子的散射特性与球形粒子最接近;当入射波长为0.55μm时,火星上沙尘粒子群整体的散射主要集中在前向40°以内,且非球形与球形粒子在前向60°以内散射强度基本相等,大于60°时非球形的散射强度比球形粒子高;非球形火星沙尘粒子的传输衰减和透射率(随波长、粒子数浓度和高度)的变化趋势与球形的基本一致,且其尺寸的比值越接近于1,传输衰减和透射率越接近于球形粒子的值。     

不同形状的非球形粒子对偏振传输特性的影响

针对自然界的非球形粒子问题,对典型非球形粒子的偏振传输特性进行研究,采用T矩阵算法研究椭球、圆柱和切比雪夫粒子的偏振传输特性,及其与球形粒子偏振传输特性的差异。研究结果表明:对于横纵轴之比中等的椭球粒子,当散射角小于60°时,不同形状椭球粒子的偏振度(DOP)差异较小,可用Mie散射方法进行粒子偏振特性的近似计算;当散射角大于60°时,DOP随横纵轴之比的变化较大,且球形与椭球粒子的DOP差异随着横纵轴之比的增加而增大;对于直径与高度之比中等的圆柱体粒子,DOP的变化相比于椭球粒子更加平稳,但后向散射与侧向散射区域仍不能采用Mie散射进行近似计算;形状比例极端的椭球粒子和圆柱体粒子的偏振曲线均类似于钟形,且在散射角约为90°时DOP达到最大值;切比雪夫粒子的形变参数和级次都对粒子前向散射偏振特性的影响较小,但对后向散射偏振特性的影响较大,且灵敏度随级次的增加而减小。本研究结果可为非球形粒子偏振传输特性的研究及球形粒子近似提供理论指导。     

随机取向非球形沙尘气溶胶粒子的光学特性

利用离散偶极子近似法分析了一种随机取向旋转椭球体沙尘气溶胶粒子模型在尺度参数变化范围为0.1~23时(波长0.55!m对应有效半径为0.01~2!m)的光学特性,研究了沙尘粒子非球形性程度对其光学特性的影响,并考察了非球形粒子的随机取向能否用等体积球体来代替。就随机取向单分散和多分散旋转椭球体沙尘气溶胶而言,粒子非球形特征越明显,消光效率因子、不对称因子和单次散射反照率基本上偏离其等体积球体越大;对于相同的非球形,不对称因子偏离其等体积球体的相对偏差要比消光效率因子和单次散射反照率要大。非球形粒子的随机取向并不能使其光学特性严格等效为其等体积球体的光学特性。如果粒子形状偏离球体较小,则非球形粒子的随机取向的平均效果能使其消光效率因子、不对称因子和单次散射反照率近似用等体积球体的对应光学参量来等效;而如果粒子形状偏离球形较大,仅有单次散射反照率可以近似用等体积球体的单次散射反照率来等效,例如,轴半径比为16的旋转椭球体沙尘粒子的单次散射反照率偏离其等体积球体仅在3%以内。     

随机取向椭球粒子的吸收特性

用Ｔ矩阵方法计算了折射率虚部的范围在０．００１至０．１的几种椭球粒子随机取向时在几种等效尺度参数下的光散射与吸收特性，并与等效的球形粒子的光散射结果进行了比较。分析结果表明：椭球粒子的吸收特性与等效的球形粒子的吸收特性存在着差别，这种差别随粒子的形状、尺度和折射率而改变，考虑到目前气溶胶粒子复折射率虚部的测量精度，以等效的球体粒子处理非球形粒子的吸收不会带来显著的误差。     

非球形椭球粒子参数变化对光偏振特性的影响

针对自然界中多数沙尘、烟煤粒子的非球形问题, 在球形粒子偏振特性的基础上, 进一步研究非球形椭球粒子的折射率、有效半径、粒子形状等参数变化对光偏振特性的影响, 采用基于T矩阵的非球形粒子仿真方法, 模拟非偏振光经椭球粒子传输后光的偏振特性及其与球形粒子间的差异, 并以实际沙尘、海洋、烟煤三种气溶胶粒子为例说明结果的正确性. 结果表明: 当折射率实部越小, 虚部越大时, 球形粒子与非球形粒子的偏振差异越不明显; 当粒子有效半径增加时, 球形粒子偏振度的变化比非球形粒子更为明显, 且最大值分别出现在散射角为150°和120°的位置; 当粒子形状不同时, 不同形状椭球及球形粒子的差异在散射角小于60° 时并不明显, 且当椭球粒子纵横比互为倒数时, 两种粒子的偏振特性近似相同. 通过以上分析可知, 在光传输过程中, 椭球粒子多数情况下无法被近似为球形粒子进行计算.     

激光在不同类型气溶胶中传输特性研究

激光在大气中的传输衰减特性是激光工程应用中需要考虑的一个重要问题.本文针对常用的1.06 μm和10.6μm激光,基于Mie散射理论计算了气溶胶粒子的单次散射参量;对于激光在气溶胶中多次散射传输衰减,建立了蒙特卡罗模拟计算模型,利用Matlab语言编制了相应的计算程序,计算分析了两种波长的激光分别在沙尘性、水溶性、海洋性和煤烟性四种不同类型气溶胶中透过率与传播距离、能见度的关系,并将蒙特卡罗方法和单次散射的计算结果进行了比较.结果表明,当能见度较低、气溶胶粒子反照率较高时,单次散射计算存在很大的误差,用蒙特卡罗方法更能揭示多重散射现象;煤烟性气溶胶对1.06 μm激光的传输衰减影响最大,沙尘性气溶胶对10.6 μm激光的传输衰减影响最大.     

非球形粒子的散射特性分析

本文首先利用T矩阵方法计算了复折射率吸收指数和折射指数变化时的椭球粒子和Chebyshev粒子在不同等效尺度参数下的光散射特性,并与等效的球形粒子的光散射结果进行了比较;然后分析以上两种类型非球形粒子散射特性之间的关系.结果表明:椭球粒子和Chebyshev粒子的散射特性与等效球形粒子的散射特性存在着差别,粒子的形状越偏离球形,这种差别就越大;复折射率折射指数的变化对非球形散射效率因子的影响要比吸收指数的影响更大一些;当等效尺度参数相同时,椭球粒子与等效球形粒子的散射效率因子的差别要远远大于Chebyshev粒子与等效球形粒子散射效率因子之间的差别.     

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。     

包容性非球形气溶胶粒子的散射特性及其对激光传输的影响研究

针对局部地域大气气溶胶的生成、演化的特点,在分析典型对称结构的包容性非球形气溶胶粒子的形态学特征基础上,利用T矩阵法进行了椭球形粒子含非球形粒子的包容性粒子光散射特性计算和分析.以1 064nm波长激光传输为例分别计算了两种典型分布状况的包容性非球形粒子的散射相函数等散射特性,并针对稠密气溶胶大气路径上激光传输的多散射现象,利用蒙特卡罗方法进行了典型大气状况下包容性粒子多次散射对激光信号大气传输中脉冲展宽的应用分析,在传输3km和5km距离时多次散射效应造成激光脉冲峰值半宽分别为3μs和4μs左右.指出气溶胶的基本散射特性与粒子的形态学特征、尺度因子、化学成分及颗粒密度等有密切的关系,其散射特性对激光信号的大气传输具有明显的影响.     

沙尘大气电磁波多重散射及衰减

为了使干旱沙漠地区的电子系统能够全天候的工作, 必须开展沙尘大气的电磁波多重散射及衰减特性研究. 根据Mie理论、沙尘大气粒子尺寸分布和能见度的关系得到了电磁波沙尘大气传播衰减的计算方法, 计算了不同沙尘大气能见度的37 GHz电磁波的衰减, 与其他经验公式及文献中的实验结果进行比较, 文中方法得到的结果更接近于测量结果. 为了研究较低能见度沙尘暴中电磁波的传播特性, 需研究沙尘大气的多重散射效应. 应用Monte Carlo模拟方法, 在沙尘粒子为干燥和5%水含量时, 模拟了37 GHz和93 GHz电磁波在沙尘大气中传播时考虑多重散射效应的衰减, 并与基于Mie理论的计算结果进行比较, 结果显示, 在37 GHz时, 沙尘大气的多重散射对衰减的影响小, 在93 GHz时多重散射显著, 沙尘大气能见度越低, 多重散射的影响越显著. 粒子水含量增加使电磁波的衰减显著增大, 对多重散射的影响不明显. 因此, 在相同大气能见度下, 沙尘天气越干燥, 多重散射影响越大, 电磁波衰减减小越显著.     

含核椭球粒子后向散射特性研究

基于T矩阵方法,给出了随机取向、轴对称、含核椭球粒子的散射计算方法,散射体的核和外壳均可为非球形粒子,内层粒子和外层粒子可以为同心也可为不同心,整个粒子具有轴对称性.以含核椭球粒子为模型,计算了含有吸收性内核的水凝物气溶胶的散射特性,分析了核的大小、形状以及位置对后向散射的影响.计算结果表明,后向散射对内核的形状、大小...     

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。     

取向数对非球形沙尘气溶胶光学特性的影响

利用离散偶极子近似法研究了旋转椭球体沙尘气溶胶粒子在尺度参数变化范围为0.1~23时(波长0.55!m对应有效半径为0.01~2!m)的光学特性,并通过分析比较不同取向数下光学特性的差别,研究取向数对非球形沙尘粒子光学特性的影响。对单分散系,较少的取向数使旋转椭球体沙尘气溶胶粒子的各光学参量对于取向的选取敏感,但随着取向数的增多,沙尘粒子的各光学量逐步趋于一致。对多分散系,受粒子谱分布积分效果的影响,旋转椭球体沙尘气溶胶粒子对取向的敏感度,相比单分散系要稍低一些。粒子的非球形程度对获得随机取向光学特性取向数的选取也有影响,粒子非球形特征越明显,获得随机取向光学特性所需要的取向数越多。以多分散的旋转椭球体沙尘粒子为例,要获得随机取向沙尘粒子的消光效率因子、单次散射反照率和不对称因子(相对偏差在1%以内),轴半径比为16的非球形程度所需的取向数超过500,而轴半径比为2的非球形程度所需的取向数则仅超过100。     

火星沙尘气溶胶对激光传输特性的影响

对火星沙尘气溶胶粒子进行分析,利用对数正态分布拟合了火星沙尘的尺寸分布.分别用Mie理论和Monte Carlo方法研究了不同波长的激光在火星沙尘条件下的传输特性,分析了火星上沙尘条件下的传输衰减、透射率和能见度随粒子质量浓度的变化关系,给出了波长为0.55μm时能见度随粒子质量浓度的变化曲线,并将两种方法的计算结果进行了比较.结果表明:随着粒子质量浓度的增加,能见度先迅速降低后再缓慢降低并趋于2km左右,粒子浓度越高多次散射现象越明显,利用Monte Carlo方法计算的能见度比Mie理论计算的结果更高.在选择的几个波长中,沙尘条件下7.46μm的激光传输衰减最小,因此更适合火星无线激光通信.     

不同模态沙尘暴对太赫兹波的衰减分析

太赫兹波空间传输特性研究对于太赫兹波在空间中的应用具有重要意义.为研究太赫兹波在沙尘暴天气中的传输特性,本文根据沙尘粒子尺度的对数正态分布,应用Mie散射理论和Monte Carlo方法,分析了国内不同地域的六种干沙模态沙尘暴对1—10 THz频段太赫兹波的衰减特性,给出了消光参量和衰减率与频率的关系.结果表明,随着频率的增大,1—10 THz频段太赫兹波的衰减率呈先增加后减小的趋势,沙尘暴的模态不同,太赫兹波衰减较强的频段范围有所不同.为了分析沙粒含水量对太赫兹波传输衰减的影响,计算了不同尺寸的沙尘粒子3个效率因子与含水量的关系,发现粒子尺寸不同,含水量对消光的影响也不同;应用Monte Carlo方法计算了两种湿沙模态的沙尘暴对1—10 THz频段太赫兹波的衰减,给出了衰减率与含水量及频率的关系.结果表明,随沙粒含水量增大,沙尘暴对太赫兹波衰减较强的频段向低频方向移动,含水量小于5%时,太赫兹波衰减率随含水量增大显著增强,湿度较大的沙尘暴天气对太赫兹波的传输衰减影响更大.     

雨滴对电磁波的散射特性研究

由于重力和向上气流的作用,高速摄影显示较大的雨滴在降落过程中表现为一底部扁平、顶部圆滑的非球形对称体,已有的模型中BC模型(由Beard和Chuang提出)被认为能准确描述雨滴的形状。本文利用沿降落方向旋转对称的扁椭球体和均匀球体模拟降落中的雨滴,扁椭球体的短轴(旋转轴)与BC模型的相等,长轴通过与BC模型截面积等效法确定;利用T矩阵方法研究了水平取向的旋转扁椭球体和BC雨滴模型的散射特性,利用Mie理论计算了均匀球的散射特性,比较了半径分别为2 mm和3 mm大小的三种雨滴模型对94 GHz电磁波斜入射时的单次散射相矩阵,以及对频率为30 GHz~100 GHz电磁波的单次散射反照率,最后讨论了半径为0.5 mm~3.5 mm雨滴对35 GHz和94 GHz的后向散射函数。计算结果表明,利用均匀球模拟雨滴将带来较大误差,而利用截面积等效的旋转扁椭球体模型可以较好地模拟雨滴的散射特性。     

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。     

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.     

近红外波段气溶胶的衰减特性研究

在已知大气气溶胶折射率和气溶胶谱分布的基础上, 对近红外波段的气溶胶衰减特性进行了研究。利用Mie散射理论计算并讨论了气溶胶的消光、散射、吸收效率因子随尺度参数的变化和消光系数随半径和波长的变化, 并且在MATLAB中对各种变化情况进行了仿真。结果表明, 三种气溶胶粒子的消光和散射能力依次为沙尘性粒子, 水溶性粒子, 烟煤。消光系数在粒子半径和入射波长相近时达到最大, 并且粒子半径对消光、散射、吸收系数的影响比入射波长更明显。这些结论可以为红外辐射在大气中的衰减计算和分析提供依据。