无限长非均匀圆柱对平面波散射的彩虹特性研究

以梯度折射率聚合物光纤为例,利用非均匀柱粒子的洛伦茨-米氏(Lorenz-Mie)理论和德拜(Debye)级数研究了非均匀柱粒子的一阶、二阶彩虹强度分布特点.针对不同阶次彩虹间存在相干现象这一特点,提出了低通、带通滤波和逆快速傅里叶变换(IFFT)方法,将各阶彩虹从相互干涉的强度分布中分离重建出来,并且与Debye级数模拟的结果进行了比较,吻合得很好;讨论了分层柱粒子的双重一阶彩虹现象,利用Lorenz-Mie理论和Debye级数模拟了双重一阶彩虹的强度分布.     

基于一阶彩虹区域高斯光散射的液滴测量

为实现雾化过程中局域内单液滴的测量,采用德拜级数展开研究了高斯光照射下球形液滴一阶彩虹区域的散射光强分布,以及高斯光束腰大小对光强分布峰值角度的影响.根据德拜级数展开计算的散射光强分布反演液滴的折射率和粒径,证明了根据高斯光的彩虹散射反演液滴信息的可行性.基于广义洛伦兹-米氏理论计算一阶彩虹区域的总光强分布,根据总光强分布反演液滴折射率和粒径,讨论了高斯光束位置对反演液滴信息的影响.对于半径在200~1 000μm区间的液滴,高斯光束位于中心入射时,反演折射率的误差小于2.38×10-4,粒径的相对误差在-3.31%~3.31%之间.与采用平行光彩虹技术相比,采用高斯光束为入射光可以得到较高的光能聚集区,较好地定义测量区大小,既可以有效避免多个液滴同时出现在测量区的情况、减小颗粒之间复散射的影响,又可以提高信号强度.     

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。     

采用加权函数修正的差分光学吸收光谱反演环境大气中的CO2垂直柱浓度

采用加权函数修正的差分光学吸收光谱技术(weighting function modified differential optical absorption spectroscopy, WFM-DOAS)测量环境大气中的CO₂垂直柱浓度. 以直射太阳光测量光谱为例, 演示了WFM-DOAS算法的实现过程. 将环境大气分为50层, 借助辐射传输模拟软件SCIATRAN对各个测量光谱进行了模拟计算, 获得了最小二乘法拟合所需的目标气体CO₂及干扰气体H₂O、CH₄ 的柱权重函数和太阳归一化光谱常量. 采用WFM-DOAS方法对一整天的直射太阳光测量光谱进行了反演, 得到的反演误差均小于3%. 最后比较了两种不同DOAS算法对同一条测量光谱的反演结果, 验证了WFM-DOAS算法在红外被动气体遥感的优越性. 关键词： 环境污染监测 光学测量技术 红外光谱 温室气体     

高分辨率傅里叶变换红外光谱反演环境大气中CO_2浓度的质量优化方法

高质量的CO_2反演结果有助于准确认知其源汇信息、预测未来气候变化趋势及提升全球碳循环的理解。基于非线性最小二乘光谱拟合技术,研究地基高分辨率傅里叶变换红外光谱反演环境大气中CO_2浓度的反演产品质量优化方法。借助O_2窗口的反演结果,将CO_2柱浓度转化为柱平均干空气摩尔分数(column-averaged dry air mole fraction,XCO_2),能有效修正系统共有误差;采用一种经验修正模型,能有效修正与大气质量因子相关的虚假日变化;通过建立一定的红外光谱筛选法则,能有效控制XCO_2反演产品质量。以一天的典型观测结果为例,对产品质量优化前后的反演结果进行了对比,优化后反演误差减小了60%,以正午为中心两边各取一小时计算了XCO_2的反演精度,为0.071%(相当于0.28ppm),符合TCCON(total carbon column observing network)规定的0.1%精度范围。     

利用彩虹强度角谱分布对圆柱直径的测量

采用ＣＣＤ线阵的散射光强角分布测量系统,测量了水、酒精液柱、光纤的彩虹角分布。根据严格米氏理论,数值研究了大尺寸参数圆柱的彩虹现象,获得与实验相吻合的数值结果。讨论了几何光学和艾里理论局限性,将米氏理论和几何光学结合,对彩虹现象给予了更为合理的解释。利用第一级彩虹角反演折射率,以及将彩虹强度导数角分布进行快速傅里叶变换获得了角谱反演圆柱粒子的直径。并讨论了利用角谱反演粒子折射率和直径的精度。     

M(o)bius inversion of convolution-type series and cylindrical functions

系统讨论了柱函数与虚宗量柱函数中卷积型级数的M(o)bius反演问题,包括它们的加法公式与倍乘公式的反演问题.得到了许多有意思的新结果.     

基于伴随方程法的材料热传导系数反演方法

建立利用材料内部温度场的测量结果反演材料热传导系数随时间和空间位置变化函数的伴随方程法,参考迭代正则化的思想在优化过程中给目标函数设置停止准则.对典型算例计算表明,方法在测量噪声较小情况下能得出较为合理的反演结果.但在有测量噪声的情况下,反演结果与真值在边界x=0和L处存在着一定偏差.当测量噪声较大时,反演结果与真值的偏差较为明显,且初值选取会对反演结果有相当大的影响.     

基于彩虹现象的光学测粒技术研究

对基于彩虹现象的光学颗粒测量进行研究,提出了一种新的参数反演模型和算法,可同时测量颗粒的粒径和折射率.新算法基于经验模态分解的去噪技术,并采用一种特征点提取技术和基于Debye理论的反演最优点搜索算法,能较精确的迅速找到反演最优点.数值模拟结果表明,当信噪比降至5 dB时,直径反演最大误差小于10%,折射率反演最大误差小于0.1%.对不同温度下自由下落的水滴进行实验研究,水滴由波长532 nm功率14 mW的连续激光源照射, 产生的彩虹光线经大口径透镜收集,被位于透镜焦平面的CCD相机接收.实验结果同样表明此测量方法具有较好的精度和可靠性.     

低能带电粒子核反应中电子屏蔽效应的温度相关性

为了揭示低能带电粒子核反应中电子屏蔽效应与温度之间的关系, 在德国鲁尔大学实验室的100kV加速器上系统测量了T=200\textcelsius时元素周期表中第三、四族以及镧系元素氘化靶中d(d,p)t反应的电子屏蔽效应. 由于氘在介质中的溶度(介质对氘的吸附能力)随温度升高而迅速下降, 该温度下金属表面不能形成氘化物, 导致金属性增强, 因而观测到了比常温下更显著的电子屏蔽效应. 这一测量结果可以用德拜模型来解释. 为了进一步验证德拜模型, 还测量了不同温度下氘化Co和Pt靶中d(d,p)t反应的电子屏蔽效应, 得到了电子屏蔽效应和温度 相关性的曲线. 实验结果与德拜模型的预言相符.     

多轴差分吸收光谱技术测量对流层SO2垂直廓线及柱浓度

针对被动多轴差分吸收光谱技术(MAX-DOAS)反演痕量气体SO_2中吸收强度弱以及易受反演波段和大气气溶胶状态影响的问题,研究了基于地基MAX-DOAS的对流层SO_2垂直廓线及垂直柱浓度的反演方法。通过反演误差对比确定了SO_2的最佳反演波段(307～330 nm),并精确获取了差分斜柱浓度。鉴于大气中气溶胶状态是影响SO_2等痕量气体反演的重要因素,反演中采用两步反演方法:第一步通过测量O_4气体的差分斜柱浓度来反演气溶胶廓线;第二步将气溶胶廓线输入到辐射传输模型中,利用痕量气体浓度垂直反演算法获取对流层(0～4 km)中SO_2的垂直分布廓线和垂直柱浓度。将SO_2廓线在0～100 m的反演结果和地面点式仪器数据进行对比,结果发现两者的一致性较高。研究表明,基于MAX-DOAS反演对流层中SO_2的垂直分布及垂直柱浓度是一种有效的手段。     

德拜模型和自洽场离子球模型屏蔽效应的比较

本文分别用德拜模型和自洽场离子球模型研究了等离子体中类氦铝离子1snp [n=2-3](~1P_1)原子态的能级移动量随电子密度的变化规律,并对二者所计算的能级移动量进行了比较.结果表明:能级移动量随着耦合强度的增大而增大;当耦合强度为一定值时,能级移动量随着电子密度的升高而增大.当电子密度小于1.0×10~(23) cm~(-3)时,不同耦合强度下德拜模型和自洽场离子球模型所计算的能级移动量几乎是相同的.当电子密度大于1.0×10~(23) cm~(-3)时,随着耦合强度的增大,1s2p (~1P_1)原子态的德拜模型的能级移动量由小于自洽场离子球模型的能级移动量,逐渐转变为大于自洽场离子球模型的能级移动量;1s3p (~1P_1)原子态的德拜模型的能级移动量始终小于自洽场离子球模型的能级移动量.     

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。     

德拜模型和自洽场离子球模型屏蔽效应的比较

本文分别用德拜模型和自洽场离子球模型研究了等离子体中类氦铝离子1snp [n=2-3](~1P_1)原子态的能级移动量随电子密度的变化规律,并对二者所计算的能级移动量进行了比较.结果表明:能级移动量随着耦合强度的增大而增大;当耦合强度为一定值时,能级移动量随着电子密度的升高而增大.当电子密度小于1.0×10~(23)cm~(-3)时,不同耦合强度下德拜模型和自洽场离子球模型所计算的能级移动量几乎是相同的.当电子密度大于1.0×10~(23)cm~(-3)时,随着耦合强度的增大,1s2p (~1P_1)原子态的德拜模型的能级移动量由小于自洽场离子球模型的能级移动量,逐渐转变为大于自洽场离子球模型的能级移动量; 1s3p (~1P_1)原子态的德拜模型的能级移动量始终小于自洽场离子球模型的能级移动量.     

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。     

多轴差分吸收光谱技术测量NO2对流层垂直分布及垂直柱浓度

研究了多轴差分吸收光谱技术(MAX-DOAS)的对流层NO₂垂直廓线及垂直柱浓度反演方法. 该方法采用了先反演气溶胶廓线, 然后在此基础上反演痕量气体垂直分布的两步反演方法. 其中痕量气体廓线反演时采用了非线性最优估算法, 使反演更少地依赖于先验信息, 更有利于自动获取痕量气体廓线. 首先研究了应用非线性最优估算法的痕量气体垂直廓线反演算法中权重函数、 先验廓线及其协方差矩阵的计算方法, 设计了适合于痕量气体垂直分布变化剧烈地区的迭代方案. 通过计算机仿真, 研究了算法重建盒子型和抬高型NO₂廓线的效果, 研究表明两种典型分布下算法都可以较好地重建2 km以下的NO₂分布, 在近地面的反演精度达到0.6%. 然后在低气溶胶、高气溶胶和抬高型气溶胶三种典型条件下, 研究了算法重建同一NO₂廓线的效果, 研究表明不同气溶胶条件下反演算法都可以得到相似的结果. 分析了错误的气溶胶状态对于NO₂廓线反演的影响以及反演算法的误差来源. 在合肥地区开展连续观测实验, 并将观测的NO₂垂直柱浓度与卫星对比, 相关性系数达到了0.85. 将MAX-DOAS反演的近地面NO₂ 浓度与长程DOAS 结果对比, 相关性系数达到0.76. 此外简化的MAX-DOAS痕量气体垂直柱浓度反演方法中常采用固定典型的气溶胶状态, 将两步法结果与简化方法结果进行对比, 两者的最大相对偏差为112%. 因此准确获取气溶胶状态, 尤其是气溶胶光学厚度, 对准确反演对流层NO₂垂直柱浓度十分必要. 关键词： 多轴差分吸收光谱 2垂直廓线')" href="#">对流层NO₂垂直廓线 2垂直柱浓度')" href="#">对流层NO₂垂直柱浓度 最优估算法     

水体COD光谱特性分析及遥感反演模型构建

有机污染物是水体污染的主要来源,水体有机污染程度可通过化学需氧量(COD)指标综合表示。与传统复杂专业的化学检测手段相比,遥感技术因具有快速、实时、非接触、大面积等独特优势而广泛用于水体水质监测,包括叶绿素、悬浮物和黄色物质等生色参数的定量反演。然而目前对于水体COD这一重要水质参数的遥感反演报道不足,这主要是因为影响COD浓度的有机污染物复杂多变、光谱响应机理尚不明晰。通过测量实验室配比的不同浓度COD标准液及野外实际水体的可见-短波红外反射光谱(350～2 500 nm),分析了水体COD的光谱响应特性。研究发现,随着COD浓度增加,水体反射光谱在可见-短波红外范围内整体逐步上升,但在540～580和1 000～1 060 nm波段范围内光谱响应快速增强,表现出—OH伸缩振动的三级倍频和—CH伸缩振动与变形振动的合频吸收特征。利用上述敏感谱段与全谱段分别对实验室COD标准液和野外实际水体建立偏最小二乘(PLS)回归模型,其中, COD标准液模型反演精度:(1)敏感谱段,R~2=0.972, RMSE=39.629 mg·L~(-1);(2)全谱段,R~2=0.961, RMSE=46.639mg·L~(-1);实际水体模型反演精度:(1)敏感谱段,R~2=0.798, RMSE=32.037 mg·L~(-1);(2)全谱段,R~2=0.658, RMSE=48.332 mg·L~(-1)。结果表明,不管是COD标准液还是实际水体,基于敏感谱段的COD反演模型精度均优于基于全谱段的反演模型。研究可为水体COD遥感反演提供重要的理论与技术支撑。     

差分光学吸收光谱法在线监测烟气中SO2浓度的非线性补偿研究

差分光学吸收光谱法(DOAS)应用于固定污染源烟气排放监测时,烟气中污染气体SO2浓度较高将产生非线性吸收问题.提出了一种非线性补偿方法,即将实际浓度所对应的气体分压与反演结果所对应的气体分压之比与反演结果之间的对应关系拟合成补偿函数,利用此补偿函数对反演结果进行非线性补偿.实验结果表明:该补偿方法能较好地减低高浓度气体非线性吸收产生的影响,可提高气体浓度反演精度.     

均匀球扭矩德拜级数分析(英文)

基于会聚光束所产生的扭矩来实现对小粒子的操纵已在物理学、生物学等领域得到了广泛的应用。为了分离出单个散射过程对扭矩的贡献,给出扭矩物理机理的解释,本文引入德拜级数分析了高斯波束对均匀球粒子所产生的扭矩。计算表明,当德拜项p从1取到一个足够大的值后,德拜级数计算结果与广义米氏理论结果吻合。文中重点分析了单阶p散射过程对横向扭矩的贡献,结果表明:当线极化光束入射时,p=1～5散射过程都可以产生横向扭矩,但扭矩的方向不同;当圆极化光束入射时,p=-1和0对应的扭矩远大于p=1～4对应的扭矩,且p=0过程产生与其他p过程相反方向的扭矩。     

前向光散射颗粒测量技术中遗传算法的应用

在前向光散射颗粒测试技术中,反演算法是影响测量结果的主要因素之一。遗传算法作为一种较新的自适应全局优化算法,其参数优化和目标函数的设计决定了颗粒粒径分布的反演效果。本文对遗传算法中相关参数的设置进行讨论,通过数值模拟验证了该算法对多分散颗粒系统粒径分布的反演效果,并对聚苯乙烯标准颗粒进行实测和反演计算。结果表明:遗传代数为3 200、种群尺度为50、交叉算子0.7、变异算子为0.002和光顺因子权重系数为1.5×10~(-5)的优化遗传算法在颗粒粒径分布反演时具有较好的稳定性和抗噪性能,能够有效重建颗粒粒径分布。