Mie散射向前递推连分式算法及其数值模拟

提出了一种新的Mie散射算法。针对Mie散射系数计算中直接递推所存在的数据溢出问题,对散射系数的递推公式进行改进,以连分式形式进行计算,将两个关键函数分别向前递推,避免了直接计算时贝塞尔函数值超出计算机最大数据限而造成的数据溢出问题。利用Matlab编程,分别计算了不同粒径参数和不同折射率情况下的散射光强分布,并对两种算法的模拟结果进行了分析比较。结果表明,在两种算法都有效的范围内这两种算法的计算结果完全相符,而改进的向前递推连分式算法用一个变量循环叠代就能完成连分式的计算,展宽了使用范围,不仅能够计算超大粒径参数散射,而且算法对折射率虚部没有任何限制。     

球形粒子Mie散射参量的Matlab改进算法

本文主要讲述了Mie散射物理参量的一种改进数值算法,在抛弃了Mie散射物理参量的经典算法——连分式算法和后向递推算法之后,在现有利用Matlab计算散射参量的基础上,充分利用了Matlab内置命令集和函数集,得出了任意折射率且尺度参数在10-4~104的球形粒子散射参量的准确计算结果。收敛数度比改进后向递推快,相应的程序简单易读且执行时间大为缩短,比现有经典算法所用的递推关系较少,因此在很大程度上避免了递推过程中误差的积累,保证了计算结果的可靠性。     

基于MATLAB与LabVIEW的 Mie散射参数分析系统

 针对激光散射法测量0.1 μm~10 μm微小球形颗粒过程中,Mie散射理论各参数的分析、计算、最优化选取比较复杂和繁琐,通过收敛速度、折射率和尺度参数测量范围、叠加次数的比较,采用球形粒子Mie散射参量的MATLAB改进算法, 结合MATLAB较强的计算能力和LabVIEW良好的图形化界面,进行LabVIEW和MATLAB混合编程。设计了Mie散射理论参数分析系统,系统实现散射系数的计算,并分别对散射系数与颗粒直径关系曲线、散射强度分布曲线、入射光波长与散射光强关系曲线、颗粒直径与散射光强关系曲线、入射光偏振角与散射光强关系曲线进行分析。通过实验结果和结论对比验证系统可行,且散射系数、消光系数和散射光强的计算结果可精确到小数点后17位,从而达到减少大量计算和编程工作的目的。     

大气泡散射的几何物理模型数值计算

米氏模型和德拜级数展开模型在气泡尺寸达到μm量级时不能很好地解释海水中大尺寸空泡的后向散射现象，计算速度较慢且容易溢出。提出使用几何物理光学模型解释大尺寸空泡的后向散射现象，给出了一种基于几何物理光学模型的球形大气泡散射特性的数值计算方法，并与德拜级数展开式进行了比较，计算结果基本吻合。该方法在计算大尺寸空泡的后向散射时不受微粒尺寸参数和折射率的限制，且避免了复杂的级数形式，与基于米散射理论或德拜级数展开的算法相比，具有更快的运算速度。最后给出了一些计算实例。     

海洋悬浮颗粒的光谱模拟:ADA与Mie的比较研究

基于海洋悬浮颗粒的折射率、粒径分布特征,利用异常衍射近似ADA(anomalous diffraction approximation)和米(Mie)散射方法进行衰减、吸收和散射效率的光谱模拟,分析两种方法计算结果相对偏差Δc,Δa,Δb及其影响因素,探讨利用计算速度占优的ADA方法进行海洋悬浮颗粒光谱模拟的可行性,研究发现:Δc,Δa,Δb受颗粒粒径、折射率实部和虚部的共同影响,且影响方式复杂;ADA方法满足计算精度(相对偏差小于5%)要求的最小颗粒半径Rmin随折射率和波长等的变化而变化。考虑到ADA与Mie的计算偏差受到多种因素的影响,而且海洋悬浮颗粒组分复杂多样,建议在进行海洋悬浮颗粒光谱模拟时,采用经典的Mie方法,而不是计算相对快速的ADA方法。     

微小颗粒的光散射数值模拟

简单介绍了以经典Mie理论为基础的光散射测量技术在颗粒直径和颗粒浓度测量中广泛的应用。分别以Mie理论和离散偶极子近似理论(DDA)为基础, 用数值计算方法分析了球型颗粒的光散射特性，给出了微小颗粒对平行入射光散射的强度函数和散射偏振度的数值计算方法。得到了强度函数和偏振度随相关物理参量变化的三维图，为微小颗粒散射研究提供了一种三维视图。计算结果表明：当尺度参量x＜4时，2种方法所得结果差异不大；随尺度参量增大，2种方法所得结果出现较大差异。与经典Mie理论相比，由于离散偶极子近似理论可以解决各种形状的颗粒散射问题，其应用前景更广泛。     

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。     

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.     

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。     

Mie理论在生物组织散射特性分析中的应用

根据等效颗粒散射模型，运用经典的Mie理论，对生物组织的散射相函数、各向异性因子及散射系数进行了数值计算.计算结果表明：可见光照射生物组织时，各向异性因子、散射系数随等效颗粒直径增大而增大；等效颗粒直径较小时，各向异性因子、散射系数随入射光波长增大而单调减小；随着等效颗粒直径增大，各向异性因子、散射系数随入射光波长变化不再具有单调性.上述计算结果可合理解释公布的实验结果. 关键词： 生物组织 散射 Mie理论 等效颗粒     

Ambiguity of Polystyrene Aerosol Beads Properties Found with Mie Spectra Analysis

Broadband Mie scattering is used to determine the parameters of polystyrene aerosol beads in air,such as size and wavelength dependence of refractive index.This method consists in the selection of such parameters of the scattering object,which reproduce observed spectrum properties.That is why it is very sensitive and hence very precise.We found that there is an ambiguity of polystyrene aerosol beads properties,determined with this method.Different combinations of polystyrene particle size and its refractive index can give the same position of Mie resonances.This ambiguity leads to an increase in the error in determining the size and refractive index of the particle.The refined errors are calculated and the way of their reduction is indicated.     

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 HELEOSⅡ18角度散射测量仪、美国SEQUOIA公司生产的LISST-100xB粒径仪和美国Hobilabs公司的后向散射仪HydroScat-6Sprctral 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 HELEOSⅡ18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mos以及油的折射系数mo;最后,利用β(λ,θ)和估算的mos值及mo计算出各类样本的后向散射系数bb(λ),分别建立油污水bb,o(λ)和石英砂bb,s(λ)与油砂混合总bb,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。     

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.     

Mie理论递推公式计算散射相位函数

在激光雷达探测中,关于多次散射雷达回波的研究,散射相位函数是个非常重要的物理量。本文利用Mie理论的递推公式,对单一粒径介质的散射相位函数进行了计算,计算结果与散射理论中前、后向散射峰值大小随粒子半径的增大而增大相一致。同时,对非单一粒径介质的散射相位函数进行了计算,可用于大气、雾和云等气溶胶多次散射的研究。     

Determination of the Refractive Index of Water‐dispersible Granules for Use in Laser Diffraction Experiments

Modern laser light scattering equipment can cover a very broad particle size range by using complex algorithms, such as the Mie theory. A disadvantage of this theory, however, is that it requires the knowledge of the refractive index of the particles, which is not straightforward for powdered organic substances. In this study, thiram, a common dithiocarbamate fungicide, was used as a model compound. In a first part, a method was elaborated to determine the refractive index, based on refractive index measurements of solutions of the compound of interest in a range of solvents. Two different extrapolation techniques were compared. Both techniques were validated by applying them to the determination of the refractive indices of poly(vinyl acetate) and poly(methyl methacrylate). Secondly, the influence of the refractive index value on the generated particle size distribution in the laser diffraction software was investigated. It was observed that widely different particle size distributions can be generated by the laser diffraction software for a single experimental data‐set. Therefore, accurate refractive index information is required to obtain reliable particle size distribution results.     

测量气溶胶单粒子折射率方法研究

设计了一种粒子计数器,它可以测量粒子的动力学粒径和两个散射角下的散射光强度,而粒子的散射强度可以根据Mie散射理论从光学等效粒径和粒子折射率出发计算出来。当可以近似认为动力学粒径与光学等效粒径相同时,利用上述测量结果可以反演计算单个粒子的折射率。     

Scattering and Transmission by a Monolayer of Spheres: A Study on the Monolayer Structure

The angular distribution of scattered light and the transmission of radiation through a monolayer of monodisperse spherical particles at variable particle concentration are studied. The scattering of light by a single particle is calculated with the classical Lorentz‐Mie theory. For a monolayer of mono‐dispersed spherical particles, if the monolayer density is less than 0.5 and the particle size parameter is larger than 5, effects from multiple scattering and dependent scattering can be excluded so that only steric interactions are considered. It is found that the scattering pattern, especially in the forward and backward directions, and the transmission are strongly dependent on the monolayer density.