雷达波段内磁性吸波颗粒光散射特性分析

针对目前在微波雷达隐身技术中广泛运用的吸波材料颗粒,根据米氏(Mie)散射理论对磁性吸波颗粒在雷达波段内的光散射特性进行了数值模拟和计算分析.在Mie系数中引入磁导率变量,分别计算了磁导率、折射率及颗粒粒径等参数对吸波颗粒光散射特性的影响;同时对比分析了磁性与非磁性吸波颗粒的散射光强、散射系数、吸收系数等散射特性规律.数值计算结果表明,颗粒磁特性的变化对其散射性能造成影响,磁导率的增大将使颗粒的吸收性能增强而后向散射强度减弱,有利于吸波颗粒雷达散射截面的减小,同时磁导率变化对颗粒散射特性的影响受到复折射率的制约.     

吸收介质中微椭球体颗粒光学参数的研究

本文应用Eikonal近似将微椭球用其等效的球来近似, 结合Mie理论对吸收介质中微椭球体颗粒光学参数进行了数值计算。 结果表明, 椭球位置变化时, 散射和吸收性能发生变化。离心率增大时, 散射和吸收系数都增大, 离心率越大增大的越明显。波长增大时, 在紫光波长为0.4 μm和近红外区波长为1.58 μm处散射系数出现了峰值, 而吸收系数单调增大。相对折射率实部以及虚部变化对光学参数均有影响, 颗粒的吸收性越强, 散射相应地减弱。结果表明这种数值解析方法能有效地计算椭球体颗粒的光学参数。     

鄱阳湖高浑浊水体悬浮颗粒物粒径分布及其对遥感反演的影响

悬浮颗粒物粒径分布特征为水环境结构与功能研究提供了重要信息,但目前针对内陆湖泊的研究还很少。依据2008年—2011年鄱阳湖丰枯水期实测数据,对悬浮颗粒物粒径分布的时空特征及光学特性进行了研究。鄱阳湖悬浮颗粒物粒径具有季节性变化特点：枯水期南部湖区颗粒物粒径大于北部湖区,而丰水期南北部湖区差异不大。同时,悬浮颗粒物粒径分布对水体吸收系数、衰减系数和散射系数都有影响。鄱阳湖水体总颗粒物吸收系数北部观测值高于南部;颗粒物中值粒径与总颗粒物比吸收系数呈负相关关系,这可能是由浑浊水体中存在的矿物颗粒物打包效应引起。鄱阳湖水体总颗粒物衰减系数和散射系数的时空分布规律相似：枯水期具有明显的区域性差异而丰水期区域性差异不大。遥感反射率、总颗粒物散射系数光谱斜率以及颗粒物粒径分布斜率之间的函数关系为遥感反射率表征粒径分布情况以及定量分析悬浮颗粒物粒径分布特征对遥感反射率的影响提供了依据。悬浮颗粒物粒径分布、颗粒物后向散射概率与颗粒物复折射率密切相关,可以反映鄱阳湖水体悬浮颗粒物组分信息。     

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。     

石英砂-聚乙烯二元混合体系的太赫兹光谱特性研究

太赫兹时域光谱技术目前逐渐应用于对岩石的研究中。在制备样品时通常需要将岩石磨碎后与粘合剂混合压片,岩石的含量、粒径等都会对测试结果造成影响。将自然界中常见的石英砂粉末（不同粒径）与聚乙烯（PE）微粒以不同的比例混合,通过压片的手段将其制成适用于太赫兹系统测试的样品,用以探究样品中石英砂的含量以及其粒径对实验结果的影响。首先研究石英砂含量对实验结果造成的影响。在保持样品中石英砂的粒径不变的情况下,发现不同石英砂含量样品的时域光谱图中,时间延迟以及峰值都呈现出非单调的变化趋势。为了探究出现这种现象的原因,对样品的折射率以及吸收系数做了进一步的分析。结果表明样品的折射率会随着样品中石英砂含量的增加而逐渐增大,通过适用于本实验的有效介质理论能够解释这一现象。样品对于太赫兹波段的吸收系数随着石英砂含量的增加呈现出先增大后减小的现象,并且在石英砂质量分数为60%时达到最大值。为了解释这一现象产生的原因,利用扫描电子显微镜对样品的微观形貌进行观察,发现随着石英砂含量的增加,在压制样品时PE颗粒破碎程度加剧,导致PE的粒径变小。根据米氏散射以及瑞利散射的原理,石英砂粒径不变而PE粒径减小,随之降低的散射强度与石英砂的吸收效应发生竞争,从而导致了吸收系数先增大后减小的现象。进一步研究了石英砂粒径对实验结果的影响,对不同粒径的石英砂样品进行测试,发现折射率不随石英砂粒径的变化而改变,但其吸收系数随着石英砂粒径的减小而逐渐减小。根据米氏散射,样品吸收系数的变化是由于散射强度随石英砂粒径的减小而逐渐减小。研究表明,样品中石英砂的含量和粒径都会对实验结果产生影响。石英砂粒径相同时,样品的吸收系数随石英砂含量的增加呈现先增大后减小的趋势,样品的折射率随石英砂含量的增加而逐渐增大;石英砂含量相同时,样品的吸收系数随石英砂粒径的减小而逐渐减小,而样品的折射率基本不变。这一结论对矿物样品的制备以及对混合物的实验结果分析有一定程度的指导意义。     

油砂混合水体后向散射系数光谱贡献分离算法Ⅰ: 实验理论

在石油类污染水体中,油会吸附在悬浮颗粒物表面而形成一个双层结构,影响水体后向散射系数光谱特征, 分离水体石油类物质与悬浮颗粒物对后向散射系数光谱的贡献, 能提高水体石油类污染后向散射理论模型的准确性。将美国Wyatt公司生产DAWN HELEOS Ⅱ18角度散射测量仪、美国SEQUOIA公司生产的LISST-100x B粒径仪和美国Hobilabs公司的后向散射仪HydroScat-6 Sprctral Backscattering Sensor(HS6)联动观测,构成后向散射系数光谱测量系统,分别测量不同水样的散射强度电压值、粒径分布及粒径浓度、后向散射系数等参数,提出了利用Mie散射理论计算未知折射系数物质的体散射函数β(λ,θ)的新思路及分离后向散射系数光谱的算法。选择已知折射系数m的石英砂作为颗粒物与采自不同油田区域的油污水进行配比,获取不同特性水样,测定相关数据。首先, 根据Mie散射理论计算出各样本对应的水体体积散射函数β(λ,θ);其次,建立的DAWN HELEOS Ⅱ 18角度激光散射仪测定散射强度对应的电压值V(θ)转化为体积散射函数β(λ,θ)的关系式;再次,根据最优化方法估算出油砂混合的等效折射系数m_os以及油的折射系数m_o;最后,利用β(λ,θ)和估算的m_os值及m_o计算出各类样本的后向散射系数b_b(λ),分别建立油污水b_b,o(λ)和石英砂b_b,s(λ)与油砂混合总b_b,os(λ)的分离算法。分离算法的建立一方面提高了水体石油类污染后向散射理论模型的准确性,另外一方面拓展了米散射理论在海洋水色遥感中的应用。     

熔石英亚表面球形杂质对入射光场的调制作用

建立激光辐照下熔石英体内球形杂质引起元件损伤的模型。基于Mie理论计算杂质的散射系数,研究杂质颗粒附近的调制光场分布,分析光强增强因子(LIEF)与杂质折射率及半径的关系。结果显示,杂质颗粒半径小于40 nm时,所有类型杂质对光场的调制作用可以忽略;颗粒半径大于40 nm时,对于折射率小于熔石英的非耗散杂质,LIEF随颗粒半径的增大和折射率的减小而增大,且后向散射远强于前向散射;对于折射率大于熔石英的非耗散杂质,随着折射率和半径的增大,LIEF整体趋势增大,局部达到102量级。对于耗散杂质,前向散射强度随颗粒半径的增大先增大后减小,当颗粒半径大于170 nm时,后向散射强于前向散射。     

熔石英亚表面球形杂质对入射光场的调制作用EI北大核心CSCD

建立激光辐照下熔石英体内球形杂质引起元件损伤的模型。基于Mie理论计算杂质的散射系数,研究杂质颗粒附近的调制光场分布,分析光强增强因子(LIEF)与杂质折射率及半径的关系。结果显示,杂质颗粒半径小于40 nm时,所有类型杂质对光场的调制作用可以忽略;颗粒半径大于40 nm时,对于折射率小于熔石英的非耗散杂质,LIEF随颗粒半径的增大和折射率的减小而增大,且后向散射远强于前向散射;对于折射率大于熔石英的非耗散杂质,随着折射率和半径的增大,LIEF整体趋势增大,局部达到102量级。对于耗散杂质,前向散射强度随颗粒半径的增大先增大后减小,当颗粒半径大于170 nm时,后向散射强于前向散射。     

渤海近岸水体悬浮颗粒物对后向散射特性的影响研究

进行海洋水体悬浮颗粒物的空间分布及粒径构成对后向散射特性变化影响,研究对于加深水体散射性质的认识、提高水色遥感反演参数的精度及海洋环境监测等具有重要意义。结合渤海海域2017年6月、9月的现场数据,获得了夏季、秋季各站位总悬浮颗粒物浓度(SPM)、颗粒粒径以及后向散射系数等参数并进行研究。结果表明,后向散射系数b_bp在可见光波段随波长的增加而减小;同时,夏季和秋季,大多数站位b_bp(550)的变化趋势与SPM的变化趋势基本一致;在进行两者之间的相关性研究时发现,相关系数R2并不高,仅为0.24。该研究还建立了平均粒径(D_A)、中值粒径(D₅₀)与b_bp的关系,得出D_A与b_bp呈线性关系,受季节及水体颗粒构成的影响,夏季,水体颗粒物以小颗粒为主,两者之间的相关性高于秋季,两个季节的R2分别为0.7和0.3;同时得出当水体以小颗粒为主时,b_bp随D_A增大而增大,以大颗粒为主的时,b_bp随D_A增大而减小。D₅₀与b_bp的关系则不同,两者之间呈现非常好的幂指数关系,在同一季节里,b_bp均随着D₅₀的增大而减小,即水体中颗粒物粒径越小,其后向散射系数越大,夏季和秋季两者之间的相关系数分别为0.66和0.5;并且发现如果不分季节差异,现场水体颗粒物的粒径构成对b_bp的影响很难确定。     

5个不同波长的激光及其线偏振激光辐照人正常膀胱组织光学特性

采用双积分球系统和光辐射测量技术的基本原理以及运用生物组织的光学模型,研究了476.5, 488, 496.5, 514.5和532 nm激光及其线偏振激光辐照人正常膀胱组织的光学特性。结果表明：组织对激光及线偏振激光的总衰减系数和散射系数均随着波长的增大而减小,而且线偏振激光与非线偏振激光入射是有明显的差异。吸收系数是随着波长的增大而缓慢地减小,但有一些起伏,而与是否线偏振光入射无明显差异。平均散射余弦也是随着波长的增大而减小,而且线偏振激光与非线偏振激光入射是有明显的差异。光学穿透深度则是随着波长的增大而增大,而有一些起伏。折射率在这5个波长范围内的值在(1.37～1.44)之间。Kubelka-Munk二流模型下组织对同一波长的激光及其线偏振激光的吸收系数、散射系数、总衰减系数和有效衰减系数没有显著性差异(P＞0.05)。组织对不同波长的激光或其线偏振激光的吸收系数、散射系数、总衰减系数和有效衰减系数则有些是有明显的差异。     

Particle transport in a disordered medium: Numerical experiment

Using the multicenter Schrödinger equation for calculating the transmittance of a flat layer of randomly distributed point scattering centers through which a particle passes, we show that when the scattering length for one center is comparable to the particle wavelength λ or is larger, the Ioffe-Regel hypothesis holds. (According to this hypothesis, as the scatterer number density increases, the transmittance of the layer becomes constant, while the value of the particle’s effective mean free path remains of order λ.) When the scattering length is small compared to λ, the Ioffe-Regel hypothesis does not hold. As the scattering length decreases, the accuracy of the approximation of the effective scattering potential gradually increases, and, depending on the strength of the potential, particles may either tunnel or diffuse; the effective mean free path can be much smaller than λ.     

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.     

Numerical investigation of the effect of soot aggregation on the radiative properties in the infrared region and radiative heat transfer

The effect of aggregation on soot radiative properties in the infrared region of the spectrum is numerically investigated using Rayleigh-Debye-Gans theory for fractal aggregates (RDG-FA). In order to use the RDG-FA theory for a wide range of aggregate sizes and wavelengths, the predicted phase functions, scattering and absorption coefficients are compared with a more accurate theory, the integral equation formulation for scattering—IEFS. The importance of scattering when compared with absorption is investigated, as well as the effect of aggregation on the phase function shape and on the scattering cross section. It is concluded that in the case of small aggregates formed with small primary particles the scattering coefficient is negligible compared with the absorption coefficient, and scattering and aggregation of primary particles can be ignored. Thus, the Rayleigh approximation can be used leading to isotropic scattering. In the case of large aggregates constituted by large primary particles, aggregation becomes important and the scattering cross section is of the same order of magnitude of the absorption cross section. Moreover, the phase function becomes highly peaked in the forward direction. Therefore, the Rayleigh and the equivalent volume Mie sphere approximations are not valid, and the RDG-FA method emerges as a good compromise between accuracy and simplicity of application. However, radiative transfer calculations between two infinite, parallel, black walls show that scattering may always be neglected in the calculation of total radiative heat source and heat fluxes to the walls. The minor influence of scattering on the accuracy of the predictions is explained by the shift between the spectral region where scattering is important and the region where the spectral radiative heat source is large.     

相对湿度对大气气溶胶消光系数的影响

消光系数是气溶胶颗粒物光学性质的关键参数之一。基于Mie散射理论和气溶胶颗粒粒径及折射率的湿度增长模型,本文详细研究了气溶胶吸湿性对其消光系数的影响。计算结果表明:当入射光波长为808nm、相对湿度在60%~95%之间增加时,因颗粒粒径的增长及折射率的减小,导致颗粒物消光系数曲线右移且其波动性更加明显;而对于同一球形颗粒,小粒径颗粒的消光系数随相对湿度的增加呈指数规律增大,较大粒径颗粒的则表现为波动减小趋势。此外,在不同入射光条件下,小颗粒消光系数与相对湿度之间的关系保持不变。本文的计算结果对气溶胶光学性质与大气环境质量的研究具有一定的参考价值。     

Scattering by a plane-parallel layer with high concentration of optically soft particles

A method describing light propagation in a plane-parallel light-scattering layer with large concentration of homogeneous particles is developed. It is based on the radiative transfer equation and the doubling method. The interference approximation is used to take into account collective scattering effects. Spectral dependence of transmitted light for a layer of nonabsorbing optically soft particles with subwavelength-sized particles is investigated. At small volume concentration of the particles the weak spectral dependences of wave exponents for coherently transmitted and diffuse light are observed. It is shown that in a layer with large volume concentration of the subwavelength-sized particles the wave exponent can exceed considerably the value of four, which takes place for the Rayleigh particles. The dependence of wave exponents for coherently transmitted and diffuse light on the refractive index and concentration of particles is investigated in detail. Multiple scattering of light results in the reduction of the exponent. The quantitative results are presented and discussed. It is shown that there is a range of wavelengths where the negative values of the wave exponent at the regime of multiple scattering are implemented.     

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。     

由吸收系数和粒度分布计算浮游植物的散射光谱特征

散射特性在水色卫星遥感模式的开发、水下光辐射传输、优势藻光谱特征的提取以及赤潮监测等方面有着重要的应用价值.在假定藻细胞为均匀球形结构的条件下,建立了浮游植物的散射正演模型.模型输入参量为实际测量的藻细胞吸收系数和粒度分布,输出参量为浮游植物的散射效率和吸收效率光谱.对短伪海链藻和威氏海链藻进行实验,模拟结果与实验结果的比较发现:该模型估箅得到的散射光谱能与实验的散射光谱得到很好的吻合,两种藻的模拟散射效率相对实验散射效率的误差分别为7%和10.6%,吸收效率的误差分别为7.4%和13.4%.模拟与实验结果的吻合表明,由吸收系数和粒度分布可以模拟出藻类的散射光谱特性.单细胞近似球形藻类散射正演模型可行.