多层球对高斯波束散射的德拜级数研究

基于广义洛伦兹-米氏理论,利用多层球粒子散射系数的德拜级数展开公式,提出了一种新的研究多层球粒子对高斯波束散射的方法。计算结果与已有的广义洛伦兹-米氏理论算法的计算结果吻合得很好。利用该方法有效分离了折射率分布满足指数变化规律的多层球粒子对高斯波束散射的远区散射场中多阶彩虹的干涉强度分布。数值模拟了双层球的归一化双一阶彩虹强度分布以及各层的一阶彩虹艾里结构。最后分析讨论了高斯波束的入射位置和束腰半径对多层球单阶彩虹强度分布的影响。     

在轴高斯波束入射无限长多层圆柱散射的德拜级数解

不均匀柱形粒子的光散射特性研究对复杂结构粒子参量的反演具有重要意义。基于德拜理论,对在轴高斯波束垂直入射无限长多层圆柱的散射特性进行了讨论。获得了散射系数的德拜级数展开式;并利用该公式分别计算了均匀和双层圆柱的总散射强度角分布,德拜级数单阶散射强度角分布;总散射强度结果与广义米氏理论(GLMT)进行了比较,两者吻合很好。分析表明圆柱散射强度不同散射角区间的值来自德拜级数不同阶的散射强度贡献;双层圆柱各层半径和折射率的值对德拜级数二阶散射强度角分布中峰值的出现起决定作用。当双层圆柱的外层较薄时,在120°~150°之间会出现两个明显峰值,即出现双重一阶彩虹峰值;反之,当外层厚度大于内层时,只有一个峰值存在。     

基于经验模态分解的彩虹法测量研究

基于彩虹Airy理论分析了一阶彩虹强度分布的折射率和直径的灵敏度，并利用经验模态分解法对彩虹信号进行分解与重构，提出了一种有效分离彩虹强度中Airy信号和高频Ripple分量的方法。根据液滴的一阶彩虹分布，设计了液滴折射率和直径同步测量的彩虹?经验模态反演算法，该算法有很强的抗噪声特征。实验中测量了水滴和不同浓度乙醇液滴的一阶彩虹分布，研究结果表明，彩虹?经验模态法对液滴的折射率和直径测量精度分别为10?4和1%。     

全场彩虹技术测量喷雾浓度及粒径分布

喷雾颗粒的浓度、粒径等多参数的同时测量是研究喷雾的关键. 对应用全场彩虹技术测量双组分液滴的浓度及粒径分布进行了研究. 基于改进的Nussenzweig理论,对液滴折射率和粒径分布采用无分布函数算法进行最优化求解, 然后通过折射率与浓度的关系反推液滴浓度.用模拟全场彩虹信号对该算法进行了验证, 该算法可准确反演具有单峰分布、双峰分布粒径特征的液滴群的折射率与粒径分布. 并对体积分数从0%到100%的乙醇溶液喷雾进行了实验测量, 结果表明,所测得折射率与理论值符合,粒径分布稳定.该技术在喷雾浓度测量方面具有广阔的应用前景. 关键词： 全场彩虹技术 折射率 粒径 组分     

基于德拜理论的液柱参数彩虹反演算法研究

彩虹技术是一种可同时测量液柱折射率和粒径的实时、非接触方法.建立了定量描述彩虹信号的低频分量与德拜理论(p=2)模拟信号重合程度的目标函数,在此基础上提出一种基于德拜理论(p=2)的液柱参数彩虹技术反演算法.反演算法以经验公式的计算值为初始值,根据目标函数不断寻优获得优化结果,并通过米氏散射理论进一步优化得到反演结果....     

关于折射率对散射光场分布影响的研究

根据Mie散射理论,采用理论计算和实验相结合的手法,研究了光散射现象以及散射介质的折射率对散射光场分布的影响.通过对空气中不同折射率的散射介质形成的散射光场光强的实验比较,论证了散射介质折射率的实部变化对散射光强的影响不大,其主要影响是通过对相位的变化来实现的,也即散射介质折射率的虚部变化对光强的影响很大,在实际应用中不可忽略.这一结论对以散射光场的分布为基础的各种研究具有一定的指导意义.     

基于图像动态光散射的二维纳米颗粒粒度测量

提出了一种基于图像动态光散射原理测量二维纳米颗粒粒度的新方法,称为平移转动-图像动态光散射(TR-IDLS)法。采用会聚的偏振高斯光束照射样品池中处于布朗运动的二维纳米粒子,分别采集纳米粒子的水平偏振散射光信号和垂直偏振散射光信号。根据两个偏振方向上散射光光强波动的时间相关函数,计算出纳米颗粒的平移和转动扩散系数的分布,进而从扩散系数中获得颗粒的长宽比、等效直径和厚度的分布。采用该方法测量了球形标准纳米颗粒和片状云母颗粒的粒径。采用电镜获得了片状云母颗粒的形状和等效直径,并与TR-IDLS方法的实验结果进行比较,验证了TR-IDLS方法的可行性。     

非线性介质表面缺陷对激光光场的调制

以高斯光束为例,研究了非线性介质表面振幅调制型缺陷对光场的调制。基于广义惠更斯-菲涅尔衍射积分并采用泰勒级数展开方法,建立了高斯光束经过表面存在缺陷的非线性介质后的传输模型,得到了受缺陷调制光束经非线性介质后的光强分布解析式,研究了缺陷尺寸和光束在非线性介质中产生的附加相移大小对光强分布的影响,结果表明介质表面的缺陷尺寸越大,介质内产生的附加相移越大,光场受到的调制越严重。分别考虑了非线性折射率为正值和为负值的情况,研究发现相应的折射率值导致光束发生会聚或发散现象,并由于缺陷调制的作用,在光束传输过程中始终存在一光强极值点,且随着附加相移绝对值的增大光强极值点的峰值也随之增强。     

均匀球形液滴二阶和五阶彩虹的重建及应用

从理论和实验两方面研究了不同温度下球形液滴的彩虹强度分布及在粒度测量中的应用。研究结果表明折射率为 1.33附近液滴在 117°～ 134°散射角范围内的散射强度分布不是单一的二阶彩虹强度分布 ,而是二阶和五阶彩虹的干涉强度分布。基于散射强度频谱特点 ,提出了一种从干涉强度谱中重建二阶和五阶彩虹强度分布的方法 :逆快速傅里叶变换 (IFFT)。利用洛伦兹米理论 (LMT)模拟计算了温度为 2 0℃和 80℃下水粒子二阶彩虹的高频结构与粒子直径的关系 ,获得了经验公式。该关系式可用来测量确定温度下均匀水粒子直径。还利用激光彩虹测试系统测量了水柱二阶彩虹角度范围内的散射强度分布。上述理论研究结果与实验结果进行了比较 ,两者吻合得很好。基于上述研究 ,可以从单一阵列探测器获取的彩虹信号提取不同阶次彩虹分布 ,用于液滴多参量的反演测量。     

基于衍射层析理论的弱散射单颗粒粒径反演方法

衍射层析理论揭示了物体的散射场分布与物体的散射势之间存在傅里叶变换关系。基于衍射层析理论,提出一种反演未知折射率的浮游植物及其它弱散射颗粒粒径的方法。利用单波长、大角度范围内的散射光分布信息,通过傅里叶变换得到颗粒散射势的二次投影函数,进而获得颗粒粒径。进行数值仿真实验,并针对不同的测量角度范围、测量角度分辨率进行比较分析,结果表明:本文所开发的粒径反演算法可以通过测量大角度散射光分布,在适度噪声存在的情况下,准确反演与入射光波长相比拟的单个弱散射球形颗粒粒径。这一方法可用于测量未知折射率的浮游植物及其它微小颗粒粒径。     

拉盖尔-高斯截断级数展开法的应用

 用拉盖尔-高斯截断级数模拟了任意半径的圆孔硬边光阑窗口函数,并应用于研究高斯光束和零阶贝塞尔-高斯光束通过硬边光阑的衍射。对高斯光束和零阶贝塞尔-高斯光束的轴向和横向光强分布的计算结果表明：当积分面不是很靠近光阑时，用参数最佳化选取的拉盖尔-高斯截断级数法与用直接数值积分所得结果符合很好。     

多层球粒子彩虹光强分布特性研究

基于多层球Debye级数分解理论,计算了不同参数下多层球粒子一阶彩虹的光强分布,分析了多层球粒子的参数-折射率指数因子对多层球粒子的一阶彩虹主峰角位置的影响;同时根据多层球Debye级数分解理论,将多层球粒子的各阶彩虹进行分离,对不同特性散射结构的光强分布进行了研究,分析了各阶干涉强度对散射场的贡献。     

水滴粒径散射测量中的快速反演方法研究

针对汽轮机低压缸中水滴的平均尺度的实时测量问题,提出了一种用于从水滴散射光强分布中快速反演水滴粒径参数的半经验理论方法.根据米氏(Mie)散射理论,数值计算了不同水滴尺度对应的散射相函数曲线,并在前向小角度范围内,通过高斯函数拟合得到Mie散射理论的近似解析解,进而拟合得到水滴粒径随高斯函数参数变化的半经验理论公式.在...     

可见-红外波段光全散射法颗粒粒径测量范围的研究

在光全散射法颗粒粒径测量中,采用独立模式算法在可见-红外波段对粒径测量范围进行了深入的研究。通过对多种R-R分布函数反演结果进行分析,比较,以确定光全散射法颗粒粒径测量范围。同时在消光系数计算中,采用修正的消光系数代替原始的消光系数,以便得到更准确的粒径测量范围。仿真计算结果表明,在可见-红外光谱区,相对折射率m=1.235时的粒径测量范围为0.05～18 μm。在此区域内测量粒径分布,反演结果与真值基本吻合。随着颗粒相对折射率、波长范围的变化,粒径测量范围也随之发生改变。采用限制最小二乘算法能够最大限度地克服随机噪声对测量结果的影响,使测量的精度和可靠性明显提高。对测量的消光值加入±1%随机噪声时,颗粒粒径分布的反演均能得到满意的结果。     

基于Mie散射理论的颗粒粒度分布转换

使用动态光散射法可以获得颗粒的光强加权平均粒径,以及光强加权颗粒粒度分布。为获得数量或体积加权颗粒粒度分布,提出从光强分布到数量分布转换的直接比值法。该方法首先依据Mie散射理论求解不同粒径颗粒的散射光强,然后将光强分布与对应颗粒的散射光强进行比对,获得颗粒的数量分布,进而得到颗粒的体积分布。使用动态光散射法测量得到聚苯乙烯乳胶球混合样品的光强分布,利用直接比值法将光强分布转换为数量分布和体积分布,并与扫描电子显微镜测量的数量分布进行了对比,实验数据表明采用直接比值法能够获得准确的数量分布。     

洛伦兹-高斯光束在梯度折射率介质中的传输

导出了洛伦兹-高斯光束在梯度折射率介质中传输的光场分布,给出了二阶矩定义下的光束半宽度及其变化率的解析表达式,重点分析了梯度折射率系数对洛伦兹-高斯光束传输性能的影响。结果表明,梯度折射率介质中的归一化光强分布和光束半宽度等呈周期性变化,周期为梯度折射率系数的"倍,轴上最大光强出现在半周期处。梯度折射率系数除影响周期性外,对归一化光强分布和光束半宽度无明显影响,但影响光束半宽度变化率。     

基于Mie散射光强的多角度动态光散射复合角度加权方法

针对多角度动态光散射测量技术中通过Mie散射光强计算的角度权重估计方法存在信息利用率与抗噪性之间的矛盾,提出利用每一角度所有粒度的整体Mie散射空间特征进行角度加权和利用每一粒度对应Mie散射光的细节特征对核矩阵做元素加权的复合角度加权方法,并结合正则化方法进行了模拟和实测的多角度动态光散射数据反演.与采用光强比值法和光强均值法的反演结果比较表明,多角度动态光散射反演结果与角度加权方法密切相关.无噪声影响时,光强比值法和复合角度加权法都能得到准确的颗粒粒度分布,但光强均值法信息利用率不高;随着噪声水平的提高,光强比值法反演结果急剧变差,表现出较低的抗噪性能.复合角度加权方法通过兼顾信息利用率和抗噪性能,使得增加散射角时信息增多的优势得以更好地显现,并且有效地抑制了角度增多带来的噪声影响.该加权方法显著提高了多角度动态光散射进行颗粒测量,特别是对多峰分布颗粒体系测量的准确性.     

拉盖尔-高斯光束在界面反射和折射的质心偏移特性研究

在圆柱坐标系中研究了傍轴线偏振拉盖尔-高斯光束在两种各向同性介质界面反射和折射后光强质心的偏移. 基于菲涅耳近似和泰勒级数展开,分别得到了部分反射和全反射两种情形下,质心的横向偏移和纵向偏移与光束拓扑荷的解析关系式. 研究表明,部分反射时,反射和折射光束的横向偏移的大小与光束的拓扑荷成正比,方向由拓扑荷的符号决定;而纵向偏移仅仅大小与光束的拓扑荷有关. 全反射时,反射光束质心偏移不受拓扑荷影响. 通过数值模拟验证了解析结果的正确性,并得到了解析公式的适用条件. 拉盖尔-高斯光束的质心偏移特性可应用于测量光 关键词： 拉盖尔-高斯光束 横向偏移 纵向偏移 拓扑荷     

用Mie氏散射理论测量聚苯乙烯微球的折射率

采用全Mie氏散射理论，计算单色平行光被该球粒散射后的光强图案分布.在实验上，把聚苯乙烯小球分散在纯净水中，使其浓度满足光的透过率为70%左右的条件，然后测量单色平行光通过该样品比色皿后的远场衍射图样的第一暗环角半径的数值大小.将该测得的角半径大小同上述采用全Mie氏散射理论计算的不同折射率下的散射光强角分布曲线图相比较，选出与测得的第一暗环角半径大小符合最好者，从而得到国家标准物质聚苯乙烯小球相对于分散剂纯净水的折射率大小，最后得到聚苯乙烯小球的折射率为1.6.本研究为该标准样品提供了一个重要光学参数.     

基于散射光偏振分布差的颗粒尺寸及折射率测量

提出一种基于颗粒散射光强正交分布差的颗粒尺寸和折射率同时测量方法.该方法利用颗粒散射光的垂直/平行分量和预设折射率,通过改进的Chahine算法反演得到粒径分布.根据所得粒径分布,计算得到平行/垂直分量,并与测量的平行/垂直分量比对,计算其拟合残差.遍历可能的折射率,使拟合残差趋于无穷小时,所对应的折射率即为颗粒的折射率,对应的粒度分布即为样品粒度分布.对聚丙乙烯标准颗粒、碳化硅及石墨样品进行测量,测量结果显示:对无吸收颗粒,折射率测量准确,吸收性颗粒虚部测量准确,使用所得到折射率测量值可得到准确的粒度分布.