铜绿微囊藻吸收和散射特性理论模拟

基于奇异衍射近似理论和Kramers-Kronig关系,通过实测铜绿微囊藻的吸收光谱数据和粒径分布估算出铜绿微囊藻折射率的实部和虚部,结合Mie散射理论,计算出铜绿微囊藻的吸收效率光谱、散射效率光谱。对比模拟结果与实验结果发现:该模型估算得到的散射光谱与实验的散射光谱之间误差为10.08%,吸收效率的误差为4.8%。从模拟结果与实测结果来看,均匀球形模型能够较好的重现铜绿微囊藻的吸收和散射特征。     

基于快速蒙特卡罗的散射介质光学参量干涉测量方法研究

提出了一种散射介质光学参量的干涉测量方法.在蒙特卡罗数值模拟的基础上引入聚焦高斯光源模型和基于比例缩放的压缩算法,实现了对光子后向散射分布和干涉特性的快速模拟.利用计算数据训练了前向人工神经网络进行了介质光学参量的反向求解.实验中以脂肪乳注射剂和生物染色剂印度墨水组成的悬混液为样本,通过光学干涉系统测量得到了后向散射光依赖于深度的干涉光强分布,并对其中散射和吸收系数进行了反向计算.所得结果能够正确反映散射和吸收系数与散射和吸收物质浓度之间的线性关系,验证了该方法的可行性.     

基于快速蒙特卡罗的散射介质光学参量干涉测量方法研究

提出了一种散射介质光学参量的干涉测量方法. 在蒙特卡罗数值模拟的基础上引入聚焦高斯光源模型和基于比例缩放的压缩算法, 实现了对光子后向散射分布和干涉特性的快速模拟. 利用计算数据训练了前向人工神经网络进行了介质光学参量的反向求解. 实验中以脂肪乳注射剂和生物染色剂印度墨水组成的悬混液为样本, 通过光学干涉系统测量得到了后向散射光依赖于深度的干涉光强分布, 并对其中散射和吸收系数进行了反向计算. 所得结果能够正确反映散射和吸收系数与散射和吸收物质浓度之间的线性关系, 验证了该方法的可行性.     

黄渤海浮游植物种群比吸收光谱的确定及其应用

浮游植物比吸收系数是关联浮游植物生物量与吸收光谱的重要参数。对浮游植物种群比吸收系数的量化分析,可弥补黄渤海浮游植物种群比吸收光谱研究的不足,为监测浮游植物种群浓度提供新思路。结合2016年6月黄渤海航次的浮游植物吸收系数与色素浓度数据,利用CHEMTAX软件分析得到黄渤海8个优势藻种的浓度。运用留一法,对吸收系数与藻种浓度数据进行多元线性回归分析,提取各藻类比吸收光谱,重建总吸收光谱。结果显示,模型反演效果较好,重构的吸收光谱与实测光谱在蓝、红光波段具有较高的一致性。此外,分析优势藻种对浮游植物吸收系数的贡献时,发现在所有优势藻种中,定鞭藻对浮游植物的吸收贡献最大,蓝藻次之。     

光谱对小球藻和等鞭金藻生长的影响

采用单色LED光源和荧光灯从效率和速率两个角度研究了光源光谱对海生小球藻和等鞭金藻8701生长的影响,结果表明,连续光谱能够促进较高的最大生长率,蓝光促进生长的效率较高,两者组合能够较好地兼顾效率和速率。为了定量描述光照中的光谱参量,引入光谱吸收系数,根据光源发射光谱和藻体吸收谱计算海藻对光源光谱的量子吸收效率,该系数与实验结果中相应的生长效率成正相关,能够初步以量化形式反映光谱与其生长效率的关系。     

浮游植物的吸收-衰减特性及其与粒径间的关系

室内测量了十六种浮游植物的吸收-衰减光谱,及其粒径分布和叶绿素a浓度。研究结果表明,粒径和单位细胞叶绿素浓度是影响浮游植物吸收和衰减系数量值的两个重要因素;粒径是决定衰减光谱形状的重要因子之一,粒径与衰减光谱斜率之间存在非单调的变化关系;粒径不是影响浮游植物吸收光谱的蓝-红波段比和光谱斜率的决定性因子,但是,藻细胞密度与粒径平方的乘积是决定吸收光谱斜率的关键量。适用于均匀球体颗粒的Mie散射理论能对粒径与浮游植物吸收光谱和衰减光谱间的相关关系进行阐释,该文研究的藻类其非均匀球体结构并没有从根本上改变粒径与吸收—衰减光谱间存在的内在规律。     

双层散射介质的单次后向散射光谱分析

从上皮组织的结构特点出发,基于米氏(Mie)散射理论,建立了双层散射介质的单次后向散射光谱的理论模型,该模型通过偏振门屏蔽来自下层的噪声背景,只保留来自上层的单次散射光。计算分析了粒子的形态学参量如平均尺寸及其分布、相对折射率变化时,单次散射光谱的特征。并用傅里叶波形分析法研究了这些参量对单次后向散射光谱曲线形状及其谐波幅值的影响。结果表明,这些只经历了表层粒子单次散射的光谱信号对表层粒子的平均尺寸及其分布、相对折射率具有灵敏性。对光谱曲线波纹结构的幅值、频率,散射强度,光谱谐波的幅值有直接的影响。研究结果对早期癌症的散射光谱特征识别及其特征提取有重要的实用价值。     

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。     

利用散射光增强弱吸收固体混合物中主要光吸收物质的光声光谱特征

在传统的透射和反射光谱中, 散射光通常是误差的主要来源之一, 然而对光声光谱, 散射光有可能成为促进光谱测量的积极因素. 本文研究了弱吸收固体混合物–-奥氮平药片及其粉末的光声光谱. 为了排除光声池吸收散射光所产生背景光声信号的干扰, 取试样与其空白物的差值谱进行碳黑归一化, 得到了只与试样自身性质相关的归一化光声光谱.实验发现通过将药片碾成粉末, 可以使奥氮平药片的主成分奥氮平原料药的光声光谱特征凸显出来. 分析表明光散射效应是这一现象产生的主要原因. 传统光谱技术的障碍–-散射光却能促进光声光谱测量, 这显示出光声技术在光谱测量领域的独特优势. 上述实验提供了一种初步快速鉴别弱吸收固体混合物中少量光吸收物质的新方法, 这一方法有望应用于固体药物、矿物和土壤分析等领域. 关键词： 光声光谱 散射光 弱吸收固体混合物 奥氮平     

一次赤潮生消过程的水体光谱模拟

基于Mie散射理论,利用一次聚生角毛藻赤潮生消过程的水体吸收光谱数据,反演了藻细胞的折射率虚部,开展了细胞平均吸收效率因子(Qa)、后向散射效率因子(Qbb)和散射相函数的光谱模拟与分析。研究发现:(1)均匀球模型(Mie理论)能较好地重现聚生角毛藻的吸收光谱特征,Qa平均相对误差在11%以内。(2)Qbb受吸收影响,这一方面体现于Qbb在400～700nm波段的光谱变化,即吸收极大值的波长处Qbb取极小值;也体现在整个赤潮生消过程中,赤潮爆发前Qbb大,赤潮爆发后Qbb变小。(3)总散射与粒径参数(表征粒径相对于波长的大小)成正比,受吸收的影响小;总散射与角度散射强度反比于波长。     

Absorption,extinction and phase function measurements for algal suspensions of chlorella pyrenoidosa

Optical property measurements have been made for unicellular algal suspensions of C. pyrenoidosa in the spectral range from 380 to 720 nm. The measurements include the extinction and absorption cross sections and the scattering phase function. Although the spectral dependence of the extinction cross section is weak, there is a strong wavelength dependence for absorption which is related to cell pigment content. The absorption cross section increases with increasing cell size and pigment content. The scattering albedo is approximately 0.9 over the entire spectrum, and the scattering phase function is strongly peaked in the forward direction.     

群体雾粒子散射模型及散射角谱研究

 如何提高制导精度是研制制导系统所要关心的问题，在有雾的天气情况下，群体雾粒子的散射是影响制导精度的重要因素之一。在Mie理论的基础上，从单个球形粒子的散射效率因子出发，得到了1～6μm群体粒子的散射系数。根据布格尔定律导出了群体粒子对激光束的散射光强表达式，然后在接收器视场角范围内，模拟了散射光强的分布情况。结果表明，沿着激光束的传播方向，散射光强存在比较大的起伏，并且越靠近接收器的视场中轴线，散射光强有减少的趋势。     

电磁波在径向非均匀球对称等离子体中的衰减

提出了一种计算任意入射角的电磁波在径向非均匀球对称等离子体中的传播和吸收的模型.在此模型中，把非均匀等离子体球分成若干个同心等离子体球壳，并且假定每一个同心壳层内等离子体密度均匀分布.采用几何光学近似方法，考虑相位系数和衰减系数的矢量性，分别研究了几种典型的非均匀密度分布形式的等离子体在不同碰撞频率、中心等离子体密度和电磁波入射角条件下对入射电磁波的传播和衰减特性，获得了一些有意义的结果. 关键词： 电磁波 碰撞频率 等离子体球 能量衰减     

随机取向气溶胶凝聚粒子光学特性研究

利用Cluster-cluster aggregation (CCA)模型,模拟了由64个球形原始微粒凝聚而成的四种随机取向气溶胶凝聚粒子。结合离散偶极子近似方法,分别得到了不同入射角和不同尺寸参数情况下气溶胶凝聚粒子的吸收、散射、消光效率因子和不对称因子的数值结果,并比较分析了四种形状气溶胶凝聚粒子吸收、散射、消光效率因子和不对称因子的差异。结果显示：对于相同数目原始微粒的气溶胶凝聚粒子,其光学特性明显依赖于入射光的入射角度和气溶胶凝聚粒子的形状;对于不同尺寸参数的气溶胶凝聚粒子,当入射光波长给定时,吸收、散射和消光效率因子最初随尺寸参数增大而快速增大,随后又随尺寸参数增大缓慢变小,但在尺寸参数变化过程中存在一个极大值;不对称因子则随尺寸参数的增大一直呈增大趋势,且随尺寸参数的增大趋近于1。     

浮游植物的吸收和散射特性:理论模型

利用Mie理论模型对不同粒径分布和复折射率的浮游植物吸收和散射特性进行了模拟计算。在550nm波长处,直径<10μm的颗粒对总的散射系数贡献最大,单位体积浓度的散射系数随着折射率实部n的增大呈有规律的地增加。对给定的n值来说,随着微分粒径分布参数j值的增大而增加,折射率实部n对单位色素浓度的吸收系数ap*(λ)的影响很小,对bp*(λ)影响相对较大。折射率虚部n′对单位色素浓度的吸收系数ap*(λ)的影响很大,对bp*(λ)的影响相对较小。微分粒径分布参数j对ap*(λ)和bp*(λ)的影响都很大,ap*(λ)随j值的减小而减小的主要原因是因为大颗粒“打包效应”引起的吸收减弱,而bp*(λ)随j值的增大而增大的主要原因是因为小粒径颗粒对散射的贡献。     

群体雾粒子对激光束散射光强的角谱分析

在Mie理论的基础上,从单个球形粒子的散射效率因子出发,得到了1—6μm群体粒子的散射系数。根据布格尔定律导出了群体粒子对激光束的散射光强表达式,在接收器视场角范围内,模拟了散射光强的分布情况,结果表明,沿着激光束的传播方向,散射光强存在比较大的起伏,并且越靠近接收器的视场中轴线,散射光强有减少的趋势。     

双光路DOAS系统获取大气颗粒物粒谱分布方法研究

当前大气复合污染日趋严重,造成大气氧化性增强,气体向颗粒物的转化加快。大气颗粒物粒径大小及谱分布决定其在大气中的行为,以差分吸收光谱法（DOAS）为基础,结合双光路设计技术,开展实时、在线、获取近地面大气气溶胶颗粒物的粒谱分布的光谱方法研究。首先构建低噪声性能稳定的宽带氙弧灯为光源的双光路差分吸收光谱系统,基于干净天气条件下大气的能见度数据对系统进行校准,通过两个不同光路获得的光谱信号强度之比获取近地面紫外-近红外波段的大气总宽波段消光系数。基于宽波段消光系数,在去除瑞利散射以及气体吸收对消光系数的影响后,解析出气溶胶颗粒物的消光系数。基于核函数准则,利用均匀球型粒子的电磁场Mie理论来反演气溶胶物理特性,获得气溶胶粒子在该测量谱段的体积谱分布,利用体积谱与数密度谱的关系,反演出气溶胶粒子的数密度谱分布。开展利用直方图方法来表现颗粒物的粒谱分布方法研究,首先将DOAS测量波段近似等分为若干谱段,利用谱段处平均值,获取气溶胶粒谱直方分布图。最后把该系统和方法应用于外场实验,获得了气溶胶颗粒物在300～650 nm范围内的消光系数,将测量波段等分为11个谱段,反演了颗粒物的在0.1～1.25 μm粒径范围的数密度谱分布。该研究为整治我国灰霾天气,研究大气气相/粒子非均相化学反应提供科学依据。同时将推动DOAS技术的进一步发展和应用。     

Aggregation and composition effects on absorption and scattering properties of dye-sensitized anatase TiO2 particle clusters

A transition matrix approach is used to compute the scattering and absorption cross sections, as well as phase functions, asymmetry factors and forward scattering ratios, of clusters of spherical particles. In order to approach the local structure and composition of the nanosized active layer of photoelectrochemical solar cells, some clusters consist of homogeneous non-absorbing anatase spherical pigments, others have anatase particles coated with a monolayer of absorbing dye molecules, and others can consist of both uncoated and dye-coated anatase particles. Orientation average values of the volumetric scattering and absorption cross sections are computed in terms of the size of the spherical particles in the clusters and their number. The degree of scattering and absorption when considering dye-coated anatase particles in the clusters is characterized. The effect of dependent scattering on the average angular distribution of the scattered radiation is also considered.     

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。