大气气溶胶消光特性和折射率的测量

 介绍了一种综合利用能见度仪、微脉冲激光雷达和光学粒子计数器测量大气气溶胶折射率的新方法。首先使用能见度仪和激光雷达测量出大气气溶胶的消光系数和消光后向散射比，然后使用粒子计数器测量出粒子谱分布，结合气溶胶粒子折射率，根据球形粒子的米（Mie）散射理论，可以得到气溶胶消光系数和消光后向散射比。通过分析消光系数、消光后向散射比、粒子谱分布和折射率之间的关系，结合已知的消光系数和消光后向散射比，反演出大气气溶胶粒子的折射率。     

雾滴粒子群的偏振特性研究

根据Mie散射理论,基于一次实测资料拟合得出雾滴谱分布,计算了雾滴粒子群的散射相函数矩阵,揭示了不同波长的雾滴粒子群对入射激光的散射偏振特征。结果表明:激光散射强度随散射角的增加呈现先减小后增大的趋势,且波长越小散射光强分布越集中;波长越大,偏振度随散射角分布越平滑,反之分布震动则越剧烈;各波段偏振度随散射角增大的分布趋势大致相同,关键散射角随波长的减小向增大的方向偏移。     

雾滴粒子群的偏振特性研究

根据Mie散射理论,基于一次实测资料拟合得出雾滴谱分布,计算了雾滴粒子群的散射相函数矩阵,揭示了不同波长的雾滴粒子群对入射激光的散射偏振特征。结果表明：激光散射强度随散射角的增加呈现先减小后增大的趋势,且波长越小散射光强分布越集中;波长越大,偏振度随散射角分布越平滑,反之分布震动则越剧烈;各波段偏振度随散射角增大的分布趋势大致相同,关键散射角随波长的减小向增大的方向偏移。     

双层散射介质的单次后向散射光谱分析

从上皮组织的结构特点出发,基于米氏(Mie)散射理论,建立了双层散射介质的单次后向散射光谱的理论模型,该模型通过偏振门屏蔽来自下层的噪声背景,只保留来自上层的单次散射光。计算分析了粒子的形态学参量如平均尺寸及其分布、相对折射率变化时,单次散射光谱的特征。并用傅里叶波形分析法研究了这些参量对单次后向散射光谱曲线形状及其谐波幅值的影响。结果表明,这些只经历了表层粒子单次散射的光谱信号对表层粒子的平均尺寸及其分布、相对折射率具有灵敏性。对光谱曲线波纹结构的幅值、频率,散射强度,光谱谐波的幅值有直接的影响。研究结果对早期癌症的散射光谱特征识别及其特征提取有重要的实用价值。     

大气中球形粒子的散射特性研究

从Mie理论出发，得到了不同尺度的球形粒子对激光的散射图像及粒子的消光效率曲线。从得到的散射图像可以看出，随着粒子尺度的逐渐增大，散射光强越来越集中到前向散射方向，并且散射光强集中的角度越来越窄。从消光效率曲线可以看出，随着粒子尺度的增加，消光效率因子变化趋于平缓，并逐渐趋向于常数2。最后分析了散射光的偏振度对粒子尺度和散射角的变化关系。从散射光的偏振度随粒子尺度变化图可以看出，粒子散射光的偏振度随粒子尺度的增大而增加，且变化比较明显，而散射光偏振度大小的峰值逐渐趋向于前向方向，随着粒子尺度的增大，散射光偏振度趋于减小。     

雾天气中THz与红外的传输特性

基于HITRAN数据库,对比了大气主要成份分子对THz波段的吸收.从Mie理论出发,结合雾滴粒子谱分布,分析了不同波长信号雾滴粒子群的平均体系散射特性.采用蒙特卡罗方法,得到了红外波段和THz波段雾天气的透过率、反射率,以及前向、后向散射强度.结果表明:THz波段内,频率越低,透过率越高,反射率越低,后向散射强度越小;相同传输距离下,THz波段比红外波段具有更好的透射能力;相同散射角下,红外波段信号前向散射强度大于THz波段.该研究结果对THz技术在大气空间中的应用具有重要意义.     

近红外波段气溶胶的衰减特性研究

在已知大气气溶胶折射率和气溶胶谱分布的基础上, 对近红外波段的气溶胶衰减特性进行了研究。利用Mie散射理论计算并讨论了气溶胶的消光、散射、吸收效率因子随尺度参数的变化和消光系数随半径和波长的变化, 并且在MATLAB中对各种变化情况进行了仿真。结果表明, 三种气溶胶粒子的消光和散射能力依次为沙尘性粒子, 水溶性粒子, 烟煤。消光系数在粒子半径和入射波长相近时达到最大, 并且粒子半径对消光、散射、吸收系数的影响比入射波长更明显。这些结论可以为红外辐射在大气中的衰减计算和分析提供依据。     

非球形烟尘粒子后向散射场的光谱分析

在利用后向散射法测量烟尘浓度和粒径的过程中,对烟尘粒子模型的后向散射光谱特性进了计算,确定影响后向散射光谱强度的主要因素并进行分析。对实际排放的烟尘进行显微观察表明,利用椭球、圆柱和广义切比雪夫3种非球模型可以较好地模拟烟尘粒子,其等效直径约1μm。通过"T矩阵法"对这3种非球形粒子模型后向散射场的光谱特性进行了分析,结果表明:非球形粒子的可见/红外波段后向散射现象较球形粒子明显,特别是广义切比雪夫粒子的后向散射光强最高可达到前向的3.5倍;对于吸收性非球形粒子(复折射率m=1.57-0.56i),后向散射光强远大于非吸收性非球形粒子(复折射率m=1.57-0.001i);随着粒子等效半径的增大,光源波长也应随之增加。这为在实际测量时光源及方位的选择提供了理论依据。     

非球形火星沙尘粒子的光谱散射特性研究

针对复杂的火星大气环境,基于T-matrix理论,对三种非球形火星沙尘粒子的散射特性进行了研究,计算了服从对数正态分布的非球形火星沙尘粒子的散射特性,分别在有沙尘暴和无沙尘暴两种条件下,分析非球形火星沙尘粒子的传输衰减和透射率随粒子数浓度、波长以及高度的变化趋势,并与球形粒子进行对比。结果表明:非球形与球形粒子的消光效率因子和散射效率因子存在较大差异,两者之间的最大差值分别为1.786 8和1.761 9,而切比雪夫粒子的散射特性与球形粒子最接近;当入射波长为0.55μm时,火星上沙尘粒子群整体的散射主要集中在前向40°以内,且非球形与球形粒子在前向60°以内散射强度基本相等,大于60°时非球形的散射强度比球形粒子高;非球形火星沙尘粒子的传输衰减和透射率(随波长、粒子数浓度和高度)的变化趋势与球形的基本一致,且其尺寸的比值越接近于1,传输衰减和透射率越接近于球形粒子的值。     

非球形大气粒子对任意波束的电磁散射特性

研究大气中变形球状的气象粒子对电磁波以及激光的散射特性,采用广义米氏(Mie)理论,精确地求解在任意波束中大气粒子的散射强度,数值计算激光束腰位置对散射强度分布的影响,分析彩虹强度和散射角与变形球状粒子偏心率的关系,研究随着长短轴比例增加,彩虹强度峰值的偏移。计算结果表明雨滴在下降过程中,它在各个方向的光散射强度逐步减弱,即随着雨滴偏心率的增大,散射强度减少,彩虹角变大。对于激光入射,当粒子距离波束中心位置越远,粒子的散射就越弱,并且随尺寸参量增加,后向散射振荡的频率要大于前向散射,当束腰位置矢径的大小增加时,后向散射和前向散射强度均变小。     

太赫兹波在雾中的多重散射特性

太赫兹(THz)波作为微波和毫米波的延伸,它所提供的通信带宽和容量远大于毫米波。在随机介质中传播时,不但会发生时域和空域的形变,介质中的粒子还会对入射波发生散射,这些都会使得脉冲信号发生衰减。根据Mie理论与随机离散分布粒子的波传播与散射理论,计算了THz波信号入射下雾滴粒子的消光系数。结合雾滴粒子谱分布,得到了雾媒质的平均体系散射特性,采用蒙特卡罗法得到了平流雾对THz信号的多重散射特性,计算了THz波段信号对平流雾的透过率与反射率,分析了THz波段信号的前向、后向散射特性随散射角的分布。结果表明,低能见度大气环境中,雾对THz波产生的吸收和衰减不容忽视。相关研究结果对THz在大气传输、通信等方面的应用具有重要意义。     

多波段激光雷达颗粒物质量浓度探测方法

为了获得大气颗粒物的质量浓度廓线,提出一种基于多波段激光雷达回波信号的大气气溶胶消光系数与颗粒物质量消光效率相结合的新型算法。该方法利用覆盖紫外到近红外波段的激光雷达作为遥感探测工具,获取气溶胶的消光与后向散射系数,反演得到气溶胶粒子谱分布;同时,根据米散射理论算出气溶胶消光效率,结合粒子谱分布,提出颗粒物质量消光效率模型,从而建立基于消光系数与质量消光效率相结合的反演颗粒物质量浓度的新型数学模型与算法。采用该算法对两组不同天气条件多波段激光雷达实测数据进行反演,并与地表采用的颗粒物浓度对比,证明该方法的可行性,为实现颗粒物质量浓度空间分布的探测提供科学依据和方法论。     

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。     

微脉冲激光雷达水平探测气溶胶两种反演算法对比与误差分析

大气气溶胶对人类健康、环境和气候系统具有重要的影响。微脉冲激光雷达(MPL)是一种新型的探测大气气溶胶水平分布的有效工具,而消光系数的反演和误差分析是其数据处理的重要内容。为了探测近地面大气气溶胶的水平分布情况,采用分段斜率法和Fernald算法对合肥地区实测MPL水平数据进行了消光系数反演,并将反演结果进行了对比和误差分析。误差分析表明,分段斜率法和Fernald算法的误差分别主要来源于其理论模型和多个假设条件。虽然分段斜率法和Fernald算法应用于大气水平消光系数的反演都仍存在一定的问题,精确度有待提高,但都能在一定程度上反映出气溶胶粒子的时空分布特征,与前向散射能见度仪的测量结果相关性都能达到95%以上,具有一定的可行性。且相对来说,Fernald法更适用于大气非均匀分布情况下消光系数的反演。     

北京奥运前期典型天气拉曼激光雷达观测研究

以自行研制的双波长三通道拉曼激光雷达、振荡天平（PM10、PM2.5）、碳黑（BC）气溶胶分析仪及能见度仪相结合对“好运北京”2008年奥运会前期典型天气状况进行了测量与分析,给出了北京奥运主场馆上空气溶胶消光系数的垂直分布及其时空变化关系,计算了气溶胶的消光散射比,并分析了灰霾天气条件下大气能见度、气溶胶颗粒物PM10、PM2.5、BC及气溶胶消光系数垂直分布之间的相互关系。研究结果表明,灰霾天气条件下,大气能见度、颗粒物质量浓度与气溶胶颗粒物消光系数之间具有直接的相关性。     

MPM—An atmospheric millimeter-wave propagation model

A broadband model for complex refractivity is presented to predict propagation effects of loss and delay for the neutral atmosphere at frequencies up to 1000 GHz. Contributions from dry air, water vapor, suspended water droplets (haze, fog, cloud), and rain are addressed. For clear air, the local line base (44 O₂ plus 30 H₂O lines) is complemented by an empirical water-vapor continuum. Input variables are barometric pressure, temperature, relative humidity, suspended water droplet concentration, and rainfall rate.     

雾天降质图像的快速复原

针对在雨雾霾天气条件下,大气介质的散射和吸收作用导致光电成像系统接收的图像对比度降低,细节模糊不清及颜色偏移,提出通过快速图像复原来解决此类图像退化问题。基于大气成像光学模型,在暗通道先验的理论基础上,提出了一种基于形态学滤波器的快速估算暗通道图像的方法,并采用参数自适应调整方法来抑制暗通道先验不满足时的大片天空/白墙区域的颜色失真现象。实验结果表明,该算法能够有效快速复原雨雾天气条件下的降质图像,对于600×400大小的图像,其Matlab复原仿真时间仅为0.4 s,复原后的图像主观视觉质量明显提升,其大片天空/白墙区域的颜色失真得到有效抑制。     

银川上空大气气溶胶光学特性激光雷达探测研究

小型米散射激光雷达是广泛使用的探测大气气溶胶光学特性的有效工具。作者研制了一台小型米散射激光雷达,并利用该激光雷达于2009年4月1日至4月10日期间对宁夏银川地区(北纬38°29′, 东经106°06′)上空的大气气溶胶光学特性以及时空分布进行了观测。系统选用532 nm波长激光作为光源,采用Fernald法对接收到的大气回波信号进行反演,得到了气溶胶消光系数的高度分布廓线及24 h内气溶胶消光系数相对浓度的时空变化特性;并对期间一次明显的沙尘天气进行了观测和分析。观测结果表明,该小型米散射激光雷达能够对大气气溶胶及其时空分布情况进行有效、连续的观测,其观测结果有利于分析该地区气溶胶及沙尘天气的变化趋势。     

Performance analysis of continuous-variable measurement-device-independent quantum key distribution under diverse weather conditions

The effects of weather conditions are ubiquitous in practical wireless quantum communication links.Here in this work,the performances of atmospheric continuous-variable measurement-device-independent quantum key distribution(CV-MDI-QKD) under diverse weather conditions are analyzed quantitatively.According to the Mie scattering theory and atmospheric CV-MDI-QKD model,we numerically simulate the relationship between performance of CV-MDI-QKD and the rainy and foggy conditions,aiming to get close to the actual combat environment in the future.The results show that both rain and fog will degrade the performance of the CV-MDI-QKD protocol.Under the rainy condition,the larger the raindrop diameter,the more obvious the extinction effect is and the lower the secret key rate accordingly.In addition,we find that the secret key rate decreases with the increase of spot deflection distance and the fluctuation of deflection.Under the foggy condition,the results illustrate that the transmittance decreases with the increase of droplet radius or deflection distance,which eventually yields the decrease in the secret key rate.Besides,in both weather conditions,the increase of transmission distance also leads the secret key rate to deteriorate.Our work can provide a foundation for evaluating the performance evaluation and successfully implementing the atmospheric CV-MDI-QKD in the future field operation environment under different weather conditions.     

一种无需定标的地基激光雷达气溶胶消光系数精确反演方法

如何对低云下雾霾的激光雷达探测数据进行准确定标,一直是米散射激光雷达数据反演中一个有待解决的问题.对于低云和雾霾同时出现的天气,激光很难穿透云层,不能利用大气清洁层对激光雷达信号定标.而对于探测高度小于6 km的便携式米散射激光雷达,由于探测高度较低,也很难利用大气清洁层对激光雷达数据进行定标.本文根据Fernald前向积分方程的特点,提出了一种气溶胶消光系数迭代算法.通过对反演过程进行特定设置,每经过一次迭代,利用气溶胶消光系数迭代算法得到的气溶胶消光系数反演值与其真实值之间的差值就会相应减小.经过几次迭代后,气溶胶消光系数反演值与真实值之间的差值就会小到可以忽略不计.初步反演结果表明:利用气溶胶消光系数迭代算法,无需对激光雷达探测数据定标就能精确反演出气溶胶消光系数廓线.