Mie光散射理论的数值计算方法

Mie散射级数的计算速度和精度对颗粒测量结果有着重要的影响。针对不同颗粒直径和相对折射率，一般采用前向递推，后向递推，连分式法等计算Mie散射级数。在这3种方法的基础上提出一种改进算法，即首先通过连分式法计算Mie散射级数的初始值，然后后向递推其余各值。该算法在Matlab中实现时，数据以数组的数据类型存储和调用，程序采用递归算法。通过比较计算结果发现，该算法耗时短且结果不易溢出，具有快速、稳定、不受颗粒直径和折射率范围影响等优点。     

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。     

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。     

球形粒子Mie散射特性分析

越来越多的与微粒相关的技术问题在许多领域出现,这些问题都与Mie散射理论有关。利用Matlab改进算法,对球形微粒子Mie散射特性做了较为全面和深入的分析,有助于Mie散射理论的研究和应用。     

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。     

简易Mie散射数值计算方法的研究

在回顾光散射理论发展史的基础上,分析了常规Mie散射计算实现过程中的问题,并论述一种改进的简易Mie散射数值计算方法。参照科学记数法定义了一种“EDecimal”类型的数据结构及其基本数学运算和三角函数运算。采用动态链表技术实现了高效的C++ Mie散射计算程序。该程序不仅可以用来处理极端条件下的Mie散射计算,而且显著降低了算法的时间复杂度,提高了执行效率。与相同精度要求下采用Wiscombe编写的MIEV0程序的计算结果进行了比较,并指出此程序精确可靠。     

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。     

激光在不同类型气溶胶中传输特性研究

激光在大气中的传输衰减特性是激光工程应用中需要考虑的一个重要问题.本文针对常用的1.06 μm和10.6μm激光,基于Mie散射理论计算了气溶胶粒子的单次散射参量;对于激光在气溶胶中多次散射传输衰减,建立了蒙特卡罗模拟计算模型,利用Matlab语言编制了相应的计算程序,计算分析了两种波长的激光分别在沙尘性、水溶性、海洋性和煤烟性四种不同类型气溶胶中透过率与传播距离、能见度的关系,并将蒙特卡罗方法和单次散射的计算结果进行了比较.结果表明,当能见度较低、气溶胶粒子反照率较高时,单次散射计算存在很大的误差,用蒙特卡罗方法更能揭示多重散射现象;煤烟性气溶胶对1.06 μm激光的传输衰减影响最大,沙尘性气溶胶对10.6 μm激光的传输衰减影响最大.     

声致发光单泡的Mie散射测量参数的理论计算

本文运用Mie散射理论系统地计算了适用于声致发光单泡的Mie散射测量参数，利用Dave倒推算法得出散射光强随半径及散射角的变化曲线I（R），I（θ），结果表明：适合于连续Mie散射测量，脉冲Mie散射测量及Mie散射定标的散射角及接收器张角是各不相同的。文中给出了合适的参数范围。     

基于Mie散射理论对砷化镓光子晶体安德森定域化研究

 基于Mie散射理论和低浓度近似,对砷化镓作为散射体光子晶体中的安德森定域化参量进行了理论计算,并分析了影响定域化现象的各种因素。结果表明:在散射体体积分数为10%,相对折射率大于3.8时,远红外区50~65 μm范围内出现严格的定域化现象;随着散射体半径的增大,定域化区向长波方向移动,且定域化参量先增大后减小。     

基于阻抗模拟的等效电磁参数研究

为能够较好的计算混合介质等效复介电常数和复磁导率, 提出了一种基于等效电路理论的阻抗模拟方法.导出了材料的电磁参数与材料容抗、感抗之间的对应关系, 并建立了能够较完整、精确地刻画实际复合材料的模型.通过求解混合介质的等效阻抗, 进一步反演其等效电磁参数.将计算结果与经典理论公式以及基于有限差分的数值方法进行了比较, 结果都符合得很好, 说明该方法可以用于计算材料的等效电磁参数.另外, 引入薄膜层结构来刻画表面效应等因素, 使得计算结果更加符合实验结果, 弥补了经典公式在这方面的不足, 同时也体现了该方法在刻画实际模型时所具有的优势. 关键词： 等效电磁参数 阻抗模拟 等效电路 混合介质     

面向脑血管分割的改进型非局部均值滤波算法研究

介绍了经典非局部均值滤波算法与Manjón非局部均值滤波算法,改进了非局部均值滤波方法的相似度权值,使算法在具有旋转平移不变性,保持时间复杂度的同时优化了视觉效果与信噪比。实验通过添加噪声标准差从10~100不等的高斯加性噪声,比较了改进后的算法与传统滤波算法以及Manjón非均值滤波算法,结果表明,改进后的算法无论从视觉上还是数值上都优于Manjón非均值滤波算法。     

基于双积分球的宽光谱组织光学参数测量系统与方法研究

组织光学参数测量是生物医学光子学的主要研究内容之一,人体组织光学性质与其生理病理状态密切相关。近年来,利用组织光学特性,特别是吸收与散射特性进行组织成像诊断及无创成分检测成为生物医学光子学领域研究热点,为肿瘤早期诊断、代谢动态监护及光动力治疗等临床应用提供了基础。双积分球方法能够同时测量离体组织吸收系数、散射系数等,具有测量准确、快速,适用范围大等优点,作为光学参数测量的标准方法得到广泛研究与应用。利用双积分球及超连续激光器搭建了宽光谱的组织光学参数测量系统,分析了积分球测量传递函数与误差来源及系统最佳测量条件,建立了基于BP-MCML的系统校正正向模型与L-M算法的光学参数反构算法。在此基础上,测量了1 100~1 400nm连续宽谱范围内Intralipid溶液光学参数,实验结果表明改进后反构算法测量结果比较准确,多次测量标准偏差在3%以内,不同波长下约化散射系数及吸收系数测量结果与其他研究小组得到的测量结果对比,偏差小于3.4%。     

一种基于激光辐照热效应的薄膜参数反演方法

本文研究并建立了一种基于激光辐照热效应的薄膜参数反演方法.首先给出激光辐照薄膜产生温升问题的热传导理论模型,并利用拉普拉斯变换得到了膜层和基底温度场的解析解;然后以膜层和基底的导热系数为反演参数,基于非线性共轭梯度算法给出反演基本原理及流程,并推导得到了反演过程中灵敏度系数的解析表达式;以aluminum,silver,copper和gold四种金属薄膜为例,通过与有限元法的计算结果对比验证了温度场解析解的正确性;最后结合四种金属薄膜进行了参数反演,通过考察分析不同随机噪声等条件下的参数反演结果,验证了本文方法在薄膜参数反演精度与反演效率等方面的有效性.反演结果显示:本文方法具有较高的反演精度和效率,在迭代截止误差为10~(-7)时只需用少于20次迭代就能收敛;在测量数据中加入的随机噪声越小,反演的迭代收敛次数就越少,即使是在迭代初值与反演结果相差较大时,用包含5%随机噪声的测量数据反演也能快速收敛.本文提出的薄膜参数反演方法不仅适用于反演导热系数,也可扩展用于反演膜层反射系数或吸收率等参数,具有一定的适用性.本文方法对于激光加工或激光损伤过程中的参数反演及优化具有一定的指导意义.     

Control volume finite element method for radiation

In this paper a new methodology is presented by the authors for the numerical treatment of radiative heat transfer in emitting, absorbing and scattering media. This methodology is based on the utilisation of Control Volume Finite Element Method (CVFEM) and the use, for the first time, of matrix formulation of the discretized Radiative Transfer Equation (RTE). The advantages of the proposed methodology is to avoid problems that confronted when previous techniques are used to predict radiative heat transfer, essentially, in complex geometries and when there is scattering and/or non-black boundaries surfaces. Besides, the new formulation of the discretized RTE presented in this paper makes it possible to solve the algebraic system by direct or iterative numerical methods. The theoretical background of CVFEM and matrix formulation is presented in the text. The proposed technique is applied to different test problems, and the results compared favourably against other published works. Moreover this paper discusses in detail the effects of some radiative parameters, such as optical thickness and walls emissivities on the spatial evolution of the radiant heat flux. The numerical simulation of radiative heat transfer for different cases using the algorithm proposed in this work has shown that the developed computer procedure needs an accurate CPU time and is exempt of any numerical oscillations.     

基于激光尾场加速的自反射式全光汤姆孙散射的参数优化

基于激光尾场加速的全光汤姆孙散射能够提供高质量X射线束并大大减小装置的尺寸.与分光式相比,自反射式的构架可以降低实验的时空同步难度,但是由于激光尾场电子加速和汤姆孙散射过程耦合, X射线优化难度大,目前缺乏参数优化的相关报道.本文用数值模拟修正解析理论的方法,定量分析了激光尾场电子加速和汤姆孙散射过程中激光和电子束的焦斑、脉宽、能量等参数变化情况,并给出了激光在等离子体镜上的反射率,从而实现了用解析公式计算而非数值模拟跟踪参数变化,在保证精度的同时节约了计算时间.另外,利用修正后的公式优化了给定激光条件下的自反射式全光汤姆孙散射X射线,通过改变等离子体密度和等离子体镜位置这两个参数给出了最优X射线亮度和光子产额,该方法为将来结合人工智能优化控制全光汤姆孙散射光源提供了理论基础.     

垂直入射时无限长分层柱电磁散射的改进算法及应用

结合非均匀球粒子对平面波散射的散射场计算的改进算法,提出了平面波垂直入射无限长分层圆柱散射场快速稳定而有效的改进电磁散射算法。与已有算法相比,改进算法所能计算的无限长非均匀介质圆柱的尺寸参量突破10000,计算层数达到106,并且计算时间很短,最多仅为几秒。该算法可以用于不同的波段以及不同领域的任意无耗或吸收无限长圆柱体散射场的计算。最后将该算法应用于梯度折射率聚合物光纤(GI-POF)散射特性的研究,为非接触、在线测量聚合物光纤折射率分布提供了理论依据。     

室内粗糙表面声散射体掠入射角度散射估计

针对经典边界元方法对掠入射角度下的散射估计精度较低的问题,发展了一种边界无网格模型.此模型将散射体视为具有无限延伸的形式,避免了经典边界元法中薄板形式所导致的声压差问题,而且更加符合实际房间中散射体的存在形式;模型利用无网格算法实现数值仿真,可对任意表面形状特别是曲面散射体具有更高的仿真精度。利用边界无网格模型计算了不同形状散射体的散射系数及散射声场,并将结果与解析方法、测量实验进行了对比.对比结果表明,边界无网格模型可以准确预测散射体的散射性质,特别是对掠入射角度的估计要优于经典边界元法.研究结论可应用于室内声学散射体特征预测及优化设计,对提高声场扩散及室内音质水平具有重要意义.      

A fast and stable method for rotating spherical harmonic expansions

In this paper, we present a simple and efficient method for rotating a spherical harmonic expansion. This is a well-studied problem, arising in classical scattering theory, quantum mechanics and numerical analysis, usually addressed through the explicit construction of the Wigner rotation matrices. We show that rotation can be carried out easily and stably through “pseudospectral” projection, without ever constructing the matrix entries themselves. Existing fast algorithms, based on recurrence relations, are subject to a variety of instabilities, limiting the effectiveness of the approach for expansions of high degree.