雾霾粒子的紫外光散射特性研究

紫外光与雾霾粒子发生散射后,其散射信道特性能够反映雾霾粒子的相关物理信息,利用无线紫外光单次和多次散射信道模型,采用Mie散射和T矩阵理论分析了霾粒子在不同形态和浓度下的紫外光散射信道特性,以及散射角对散射光强的影响,并完成了紫外光在雾霾环境下的实测。通过理论及仿真分析,得到了不同霾粒子形态下的紫外光通信路径损耗以及光强分布。结果表明：紫外光直视通信方式下,路径损耗随着霾粒子浓度的增大而增大,且通信质量差于晴朗天。非直视通信方式中,在短距离通信时,高霾浓度下的路径损耗小于中低霾浓度,然而随着通信距离的继续增大,高雾霾浓度下的通信质量急剧下降,低霾浓度下通信质量最终达到最优,且距离为200 m时通信质量能优于晴朗环境。当通信距离相同时,三种雾霾浓度下的紫外光散射光强分布均随着散射角的增大而减小,当散射角继续增大并超过90°时,低霾浓度下的散射光强最大。主要原因是虽然散射角继续增大,但是有效散射体体积逐渐减小,因此低霾浓度下的散射光强较大。且当粒子粒径相同时,球形粒子的衰减较非球形粒子大。雾霾环境下实测结果与仿真结果相类似,证明了仿真结果的正确性,并在一定程度上证明了实际大气中雾霾非球形粒子多于球形粒子。     

雾霾天气对紫外光通信的影响

在紫外光传输模型的基础上,基于米散射和瑞利散射理论,分析了大气分子和气溶胶粒子对紫外光的吸收和散射特性.利用蒙特卡洛方法仿真分析了良好、严重雾霾、极严重雾霾三种天气条件下的紫外光通信系统路径损耗和误码率.使用波长为255nm的"日盲"紫外LED及光电倍增管作为收发器件,发射信号采用10kHz和100kHz的方波信号,在三种不同天气情况下进行户外短距离紫外光通信实验.实验结果表明:在通信距离小于100m条件下,随着雾霾污染程度的加重,紫外光直视通信路径损耗逐渐增大,紫外光非直视通信路径损耗逐渐减小.在进行非直视紫外光通信时,发射光功率为0.6mW时,收发端仰角小于20°,通信距离小于40m,通信质量相对较好.     

降雨粒子的无线紫外光散射特性

紫外光与降雨粒子相互作用发生散射,散射光特性改变能够反映降雨粒子的相关物理特性（如粒子尺寸参数、浓度、形态）,因此研究粒子的物理参数对散射光特性的影响对有效提高光谱法定量探测降水的精度有很大意义。由于雨滴在非球形降水粒子中具有代表性,以群雨滴粒子为例,采用T矩阵理论,利用紫外光直视和非直视单次散射模型,分析了入射光波长、群雨滴粒子形态、降雨强度、粒径大小与散射光强之间的关系。并用蒙特卡洛方法仿真分析了非球形群雨滴粒子在不同降雨强度和粒径下散射角与散射光强之间的关系,以及降雨环境中的风切变对紫外光散射特性的影响。通过理论及仿真分析,得到了不同群雨滴粒子形态下的路径损耗,不同降雨强度、风切变率和粒径下的散射光强分布。仿真结果表明：在紫外光直视与非直视通信方式下,降雨环境中的通信质量比晴天条件下的通信质量差,即路径损耗增大。当粒径分布已知时,随着降雨强度的增大,衰减系数增大,路径损耗增加,且直视通信方式的路径损耗比非直视降低7 dB左右。随着降雨强度、风切变率和粒子粒径的增大,散射光强曲线整体呈下降趋势,其中,降雨强度的变化对散射光强分布影响程度最大。相同通信距离时,不同降雨强度下的紫外光散射光强分布均随着散射角的增大而减小,当散射角继续增大到90°时,有效散射体体积逐渐减小,接收到的光子能量减小,暴雨中的散射光强衰减程度最大。相同降雨强度下考虑风切变时,相比较无风时的路径损耗增大5 dB左右。除此之外,还研究了椭球形和切比雪夫形粒子对紫外光散射光强的影响,结果表明当粒子粒径分布相同时,椭球形粒子的散射光强衰减较广义切比雪夫形粒子大。根据散射粒子的散射光强分布以及路径损耗能够区分雨滴粒子是否由相同粒径及形态组成,为粒子测量提供理论基础。分析降水中群雨滴粒子的光散射特性,为提高光谱法评估降水衰减的数值模拟方面提供理论依据,为光学技术在探测识别降水现象等气象领域的广泛应用提供了设计参考。     

移动场景下无线紫外光通信单次散射路径损耗分析

路径损耗是评估系统传输性能的重要参数,基于非直视非共面紫外光单次散射传输模型,采用遍历微元法对移动场景下无线紫外光通信单次散射路径损耗进行仿真,分析收发端几何参数以及收发节点相对位置变化对系统路径损耗的影响。结果表明:路径损耗在除180°方向外的其余方向上随着接收端移动距离的增大而增大;随着收发仰角增大,路径损耗增大,发射端仰角对路径损耗的影响更为显著;当视场角较大时,发散角变化对路径损耗的影响不大,而视场角的变化在非共面情况且移动距离较大时对路径损耗的影响较为明显,其余情况下则影响不大。     

非直视紫外光在非共面通信系统中的脉冲展宽效应

大气分子和气溶胶颗粒对紫外光具有强烈的散射作用,以紫外光作为信息载体可实现非直视通信。研究紫外光通信中的脉冲展宽效应对于减小码间干扰、提高系统传输速率具有重要意义。基于蒙特卡罗方法建立了非直视紫外光在非共面通信系统中的多次散射传播模型,利用此模型模拟了发射端出射的紫外光经多次散射到达接收端的全过程。结果表明,非直视紫外光在非共面通信系统中的脉冲响应的半峰全宽随着发射端和接收端仰角、接收端偏转角的增大而增大;多次散射对脉冲展宽的贡献随着发射端和接收端仰角增大而增大;采用开关键控调制方式,系统可传输的最大码速率随发射端和接收端仰角的增大而减小。     

紫外光通信中基于大气散射理论的传输模型

在研究单次散射模型的基础上, 针对单次散射模型不能对天气变化对紫外光信号造成的影响做出模拟的不足, 结合大气散射理论构建了紫外光传输的二次散射模型。研究了瑞利散射和米氏(Mie)散射在四种典型天气条件下的散射相函数, 仿真得出了紫外光被大气中的粒子散射后的能量分布情况, 将其引入二次散射模型, 并确定了各种天气条件下的散射粒子浓度后对紫外光通信系统做出性能仿真。计算结果表明, 二次散射模型可以仿真不同的天气条件下的紫外光通信系统的性能, 从仿真结果上验证了非直视通信的可实现性。并得出, 在雨、雾天气下, 紫外光信号衰减剧烈, 接收仰角不可过大; 在天气晴好时, 能更好的实现紫外光非直视通信, 接收仰角可达到180°。长距离通信时, 天气状况变化对通信性能影响更大。     

球形雾霾粒子的紫外光散射偏振特性研究

在我国经济社会快速发展的同时,雾霾天气成为了突出的环境问题,雾霾粒子的测量非常重要。偏振紫外光与大气雾霾粒子发生散射后,散射光偏振状态(Stokes矢量以及偏振度)的改变能反映雾霾粒子的相关物理特性(粒径、复杂折射率等)。基于Mie散射理论建立了紫外光雾霾球形粒子直视和非直视单次散射模型,研究了单个球形粒子和链状结构球形粒子物理特性的改变对散射光偏振状态的影响,并用蒙特卡洛仿真分析已知粒径分布的雾霾粒子浓度对散射光偏振状态的影响。结果表明：针对单个球形粒子,随着粒子粒径的增大Stokes矢量中散射光光强(I_s)随之增强,粒子复折射率虚部为先增大后较小,偏振度也是在不断增大,且复折射率虚部较小时,偏振度增加趋势快;对于粒径分布不变的雾霾粒子,随着粒子的浓度增加,雾霾粒子的散射系数、消光系数和吸收系数均呈线性增加,但是I_s先增大后减小。针对链状球形粒子,随着粒子个数的增加,I_s均呈现增大的趋势,且偏振度可用于区分链状球形粒子是否由相同球形粒子组成; 相同球形粒子组成链状结构中,I_s随着粒子数量的增加而线性增大,偏振度不改变;不同球形粒子组成的链状结构,I_s以及偏振度的变化趋势可以区分粒子物理特性。     

基于数字高程模型的起伏地形对紫外光非直视通信的路径损耗

针对起伏地形环境下紫外光非直视通信路径损耗大、站点选址难的问题,提出了基于数字高程模型(DEM)的紫外光非直视传输的最佳收、发仰角求解方法。依托紫外光非直视单次散射模型,研究了路径损耗与收、发仰角之间的关系。针对不同地形原始DEM数据,通过插值提高分辨率,并提出了切线传输方案。采用顺序遍历法对收、发端位置及仰角变化对通信系统路径损耗的影响进行了研究。仿真结果表明,路径损耗在[10°,80°]收、发仰角区间内为增函数。在使用反距离加权插值法提高数据分辨率后,路径损耗值相较原始数据分别降低了0.014 dB、0.043 dB和0.385 dB。当按切线传输方案布设时,通信系统路径损耗值最小,设计的仿真程序可为收、发端站点科学布设提供支持。     

切比雪夫雾霾粒子的紫外光散射偏振特性研究

雾霾天气已严重影响人们的日常生活,通过检测雾霾粒子的紫外光散射偏振特性可以有效分析雾霾成因。矿物粒子、灰尘粒子等雾霾颗粒均有小规模表面粗糙度的形态学特征,因此可用切比雪夫粒子作为模型分析。“日盲”紫外光与切比雪夫雾霾粒子相互作用发生散射,散射光偏振特性可反演切比雪夫雾霾颗粒物理性质(如粒子尺寸参数、复杂折射率、粒子形变、波纹参数)。采用紫外光单次散射模型和T矩阵方法,仿真分析切比雪夫雾霾粒子物理参数与散射光偏振特性(Stokes矢量和偏振度)之间的关系,结果表明：粒径对散射光Stokes矢量Is和Qs随散射角的变化趋势影响很大,粒子的粒径和复杂折射率虚部的变化会造成散射光偏振度随散射角的变化趋势的改变;具体分析散射角度为10°时,得到粒径对Is和Qs的数值影响最大,当粒径r<1 μm时,Is随粒径呈现抛物线趋势;切比雪夫粒子形变的增大,Is呈现先增大后减小的趋势。     

大气信道紫外光通信系统通信距离的增程方法

介绍了紫外光大气传输理论和非直视单散射模型.在此模型基础上,针对紫外光通信系统的结构设计对信道能量损耗的影响进行了理论上的定性分析.对不同天气、不同通信模式、不同几何结构参量条件下,大气信道所产生的能量损耗进行了定量仿真.仿真结果表明:能量衰减随通信距离的增加而增大;不同能见度条件下,能量衰减随通信距离的递增程度不同,能见度越高能量衰减越小,可实现的通信距离越远;通信距离随发射仰角的减小而增加,随接收仰角的减小而增加,且发射仰角对通信距离的影响程度大于接收仰角;通信距离随发射束散角的增加而增加,随接收视场角的减小而增加,且接收视场角对通信距离的影响程度远大于发射束散角.     

空间尘埃等离子体对量子卫星通信性能的影响

为了研究尘埃等离子体中带电尘埃的粒子半径、粒子浓度和带电荷数对量子通信性能的影响,首先根据Mie散射理论得到单个带电尘埃粒子的光散射截面;然后通过粒子浓度求出总的消光截面,得出链路衰减的数学模型,提出了带电粒子特性与量子纠缠度的关系;针对退极化信道,当单个尘埃粒子所吸附带电粒子的个数为50时,给出了尘埃粒子半径、粒子浓度与信道容量和量子误码率的定量关系.仿真结果表明,当量子信号的传输距离为10km时,尘埃粒子浓度从1×10~(10) m~(-3)增加到10×10~(10) m~(-3),信道容量从0.6726降低到0.1075;尘埃粒子半径从0.1μm增加到10μm时,量子误码率由1.334×10~(-3)增加到5.309×10~(-3).由此可见,尘埃等离子体中带电尘埃粒子的半径和浓度对量子卫星通信性能有显著的影响.因此,为确保量子通信的可靠性,应根据所探测到的等离子体环境的状况,调整卫星通信系统的各项指标参数.     

大气信道简化单次散射模型

采用椭球坐标系研究非直视日盲紫外光通信的单次散射模型,求解过程中要对有效散射体的体积进行复杂的数值积分并确定三组积分限。为便于分析,使用近似表达式极大简化了复杂单次散射信道模型,得出路径损耗是收发机几何结构与大气散射吸收系数的函数。对传输距离和路径损耗的仿真证明,该近似表达式与原始模型的所得结果吻合很好。利用该近似表达式,分别仿真分析了大气能见度对紫外光通信系统路径损耗和误码率的影响,仿真结果表明,大气能见度并不是越高越好,而是在能见度为10 km时紫外光通信系统有最佳性能。     

大气信道对垂直发收模式紫外光散射通信性能影响的仿真

介绍了非直视单散射信道模型及其在椭球坐标系下的求解方法.在此基础上,针对垂直发收模式,研究了大气信道对紫外光通信系统的影响.对不同天气、不同通信距离条件下,大气信道所产生的能量损耗、时间延迟和脉冲展宽等进行了定量分析和仿真.仿真结果表明：能量衰减随能见度变化曲线存在拐点,即并不是天气越好,能见度越高,系统接收能量越大|通信距离1 km时,能见度18 km处出现能量衰减最小值|能量衰减随通信距离非线性递增,通信距离1 km时,能量衰减近100 dB|随着通信距离的增加,时间延迟和脉冲展宽都近似呈线性增长,通信距离1 km时,时间延迟接近5 μs,脉冲展宽大于10 μs.     

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。     

灰霾背景下基于最优链路的低轨道量子卫星星间切换策略

为了应对灰霾对星地量子通信信道所带来的突发性干扰,根据灰霾天气下量子信号在自由空间中的衰减指数,本文提出了一种基于信号功率衰减最低的最优链路量子卫星切换策略。当目前的星地链路参数满足切换条件时,地面用户通过对不同信道中量子信号功率衰减系数的比对,测试到最小衰减卫星链路,基于对光子态Bell基的测量,完成卫星间的量子纠缠交换,建立新的纠缠信道,保证通信在切换过程中的连续性。仿真结果表明,当系统呼损率为5%,能见度为1km,地面用户数分别为50、100、300,轨道高度为300km和1400km时,量子卫星的切换成功率分别为95%、93.6%、91.8%和92%、90%、87%。由此可见,本策略能够在保证通信可靠性的前提下,实现星地间量子信道的平稳切换,提高量子卫星通信系统在灰霾背景下链路的有效性。     

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。