基于微扰近似的圆锥表面光散射*

由Hueygen原理出发,介绍了粗糙表面的光散射特性.基于微扰近似,在不考虑遮蔽效应和圆锥顶点的散射情况下,分析了圆锥物体的光散射特性,推导了圆锥物体对平面光的散射场解析表达式.计算了圆锥表面在高度起伏均方根不同情况下对1.06μm光波的散射,并且得到了入射角一定的情况下,不同观察方向的散射光强分布曲线.结果表明,在观察方位角不变时,圆锥的散射光强随观察角顶角的增加先增大后减小|在观测方位角一定时,散射光强随高度起伏均方根的增加而减小,且随观察方位角呈对称分布.     

椭球模型下通过雾场的多重光散射谱

由于雾滴的非球形、多重散射特性以及几何光学效应,光通过实际雾场的散射问题成为一个研究难点. 建立了近于实际的椭球雾滴模型,考虑光的衍射、透射及反射特性后,利用辐射传播方程得到了在不同的雾滴大小分布 及不同的雾滴形状分布下通过雾场的多重散射光强公式.在两种特例下与已有的结果较为相符,说明了方法的可靠性. 计算表明:与随机取向的非球形颗粒场的散射谱呈圆形特征不同,通过椭球形雾滴场的散射谱呈椭圆特征, 不同方位角的散射光强角分布有所差异,雾滴的形状因子越接近于1,差异越小;与单散射不同, 散射谱中的条纹随光学厚度增大逐步消失;对于不同大小分布及不同形状分布的雾滴场, 在不同方位角及不同观察角的散射光强随光学厚度τ的增加总是先增大再减小,光强的极大值位置在τ = 1.0---3.0 范围内.计算同时还表明,由于多数情况下实际雾场的雾滴大小偏差较大, 因而通过雾场的散射谱将呈现以中央亮斑为中心向四周弥散的图样.     

粗糙目标合成孔径激光雷达信号仿真

建立粗糙表面的蒙特卡罗模型,研究目标表面高度起伏对光外差信号的调制效应,对不同粗糙程度的目标引起的退相干效应进行定量分析,给出光外差信号恶化与粗糙目标表面参量的定量关系.结果表明:当相关长度为100λ,光外差信号随着高度起伏均方根的增大而减小,当高度起伏均方根超过0.2λ时,光外差信号非常微弱;当均方根高度起伏为0.1λ时,光外差信号随相关长度的减小而减小,给光外差探测造成困难.     

利用后向散射光空间谱强度分布探测尾流气泡的实验研究

利用自行设计制作的尾流模拟系统产生气泡，应用散射光空间频谱测量分析系统，对水中气泡群的后向散射光空间谱强度分布进行测量和分析，研究了不同探测距离的散射光衰减对其强度分布的影响.结果表明，在气泡密度、大小分布不变的情况下，扩束光照明时，由于参与光散射的气泡数目增加对散射光在水中传播衰减的补偿，散射空间谱强度分布的峰值和半宽值均不随探测距离变化；而细光束照明时，散射谱强度分布峰值随探测距离的增加而减小，半宽值则逐渐增大.所以在远距离探测时，细光束的探测效果好.     

角分辩的光散射轮廓及自仿射分形表面的粗糙指数的实验研究

建立了反射式随机表面的光散射特件实验测量系统,利用多幅平均及叠加连接的方法,得出入射角在45°～85°之间不同值时的光散射轮廓.结果表明,随着表面入射角的增加,光散射轮廓的半峰全宽逐渐减小.并且当入射角的增加到一定值时,光散射轮廓出现中央亮斑.由数学上的对称F降函数,推导出光散射轮廓的半峰全宽随散射光波矢的变化关系,从实验测得角分辩的的光散射轮廓中提取了自仿射分形随机表面的粗糙指数.与原子力显微镜测量得到的粗糙指数进行比较,两者符合得很好.     

光在水中吸附膜层气泡上的散射特性

光在水中大尺度气泡上散射特性的研究多是基于Davis模型.该模型没有考虑到吸附膜层对光在气泡上散射的影响,而海水中的大多数气泡都有膜层附着,这些膜层会影响到气泡的光散射特性.本文从几何光学的角度出发,建立了吸附膜层气泡的体积散射函数简化公式.在此理论基础上,模拟计算了尺度远大于入射光波长的大气泡散射光强分布曲线,得出光照射下气泡上散射光强的远场特性,讨论了影响气泡散射光强分布的主要因素.并与无膜气泡光散射分布曲线比较,讨论了油膜膜厚、折射率等参量对气泡的光散射特性影响.得出结论:吸附膜层气泡的光强分布曲线与无膜气泡相似,但吸附膜层会削弱前向散射光,增强后向散射光.     

小斜率近似在粗糙面激光散射BRDF计算中的应用

基于小斜率近似法建立了粗糙面激光散射双向反射分布函数的数学模型,采用该模型计算了粗糙度参量已知的合金铝样片的双向反射分布函数值,计算结果与实测结果吻合良好,验证了模型的正确性.研究了粗糙度参量和样片光学常量对双向反射分布函数的影响,结果表明,粗糙面激光散射的双向反射分布函数与表面高度起伏均方根、自相关长度及样片光学常量相关.当入射波长一定时,高度起伏均方根越大,或者自相关长度越小,粗糙面粗糙度越大,入射激光的漫反射特性越强,双向反射分布函数峰值越小且分布越分散;当粗糙度一定时,样片光学常量对双向反射分布函数影响较大,粗糙面对入射激光复折射率的虚部越大,样片双向反射分布函数的峰值越小,当粗糙度参量增大时,样片光学参量对双向反射分布函数的影响逐步减弱.     

激光照明下黑硅表面的散射偏振特性研究

为了研究人工微结构材料表面的偏振特性,利用波长为532nm的激光器、精密旋转台和弱光照度计,自行搭建表面散射特性的测量系统。以黑硅为被测样品,测量样品不同姿态时对散射光偏振特性的影响,并对比分析随入射光入射角、样品方位角及俯仰角对散射光偏振分布的影响。实验结果表明,散射光的偏振度与表面微结构的周期性,以及入射角度有关。本文的研究对散射光的偏振特征应用在探测的分析领域上提供一定的实验基础。     

物体表面的划痕对其表面光散射特性的影响

为了寻求物体表面划痕对其表面光散射特性的影响,设计了测量物体表面散射特性的测试平台,利用该测试平台分别对无划痕和划痕间距不同的铁片和塑料片表面的散射光进行了测量。测量结果表明：样片表面的划痕对其表面散射特性有较大影响,划痕间距越小,即划痕越密集,其表面散射光越强。同时利用BRDF五参量模型对测量结果进行了分析,分析结果与测量结果具有很好的相关性。     

多光束在分形粗糙表面散射的仿真

采用矩量法(MOM),分析了多光束在分形粗糙导体表面的散射分布.对在不同入射角、光束宽度控制因子、光束照射区宽度、表面均方根高度和表面分维数情况下的散射进行了数值仿真.仿真结果表明了各参量的变化对散射分布的影响.根据仿真计算结果给出了最佳的散射测量区域,为减少多光束测量的误差提供了一定的参考.     

An angular cutoff composite model for investigation on electromagnetic scattering from two-dimensional rough sea surfaces

Based on the local configuration angle division to select the corresponding method for electromagnetic scattering calculation from rough sea surface,this paper presents an angular cutoff composite model:when the local scattered angle is in the specular region that is given by an approximately 20 degrees cone around the specular direction,the Kirchhoff approximation is applied to evaluate the specular reflection,which dominates the total scattering in this region;the small perturbation method is employed to handle the diffuse reflection which is predominant as the local scattered angle is situated out of the specular region.Numerical results are compared with those of experimental and theoretical models in several configurations as a function of incident angle,wind speed,wind direction.The comparison of numerical results of other experimental and theoretical models in several configurations shows that the new composite model is robust to give accurate numerical evaluations for the sea surface scattering.     

光学元件亚表面缺陷偏振双向反射分布函数

 利用琼斯散射矩阵,借助右手正交基组来表示入射场和散射场,推导出光学元件亚表面缺陷或微粒在不同偏振状态下的双向反射分布函数的表达式。给出了亚表面缺陷在不同入射角条件下,不同偏振状态下的双向反射分布函数与散射方位角之间的关系,以及不同入射角下p偏振入射产生的p偏振双向反射分布函数的3维散射图。结果表明:p偏振入射产生的p偏振双向反射分布函数强烈依赖于入射角、散射角和方位角,且随着入射角的增加,其最小值点所对应的方位角逐渐减小。     

雪层覆盖土壤表面与半埋柱体宽带复合散射FDTD方法

为满足半埋目标测量和检测的需要,应用指数型分布粗糙面模型和Monte Carlo方法模拟雪层、土壤表面,运用时域有限差分方法研究雪层覆盖的土壤表面与半埋矩形截面柱复合模型的宽带电磁散射,得出宽带复合散射系数的频率响应曲线,计算宽带复合散射系数随雪层表面、土壤表面高度起伏均方根、相关长度,雪层类型、雪层厚度,土壤层含水量,矩形截面柱几何参数、倾角、埋藏深度,电磁波入射角等参数的变化. 结果表明,雪层表面高度起伏均方根、相关长度对宽带复合散射系数影响较小,其它参数对宽带复合散射系数均有显著影响且较为复杂.     

Multiple scattering of plasmons at rough surfaces

We investigated the polarization and angle dependence of the scattered light intensity of surface plasma oscillations (SPO) propagating along rough silver surfaces. The rough silver films were prepared using the methods of pre-evaporating CaF₂ and silver on heated substrates. The scattered light intensity of both systems is explained by surface scattering effects. Differences of the light intensities between the rough silver films prepared by the two methods mainly were observed in “restlight intensities”, which cannot be described by first-order scattering theories. We explain these differences by higher order scattering effects.     

基于温敏漆技术的圆锥高超声速大攻角绕流背风面流动结构实验研究

高超声速流动中, 大攻角下圆锥背风面边界层会存在流动分离与再附、边界层转捩等多种流动现象, 进而对圆锥表面温度分布产生显著的影响。为了对这一复杂流动规律及其对表面温升分布的影响进行讨论, 研究基于温敏漆技术, 得到了在Mach数为6的低湍流度来流条件下, 攻角为10°的圆锥背风面温升分布结果。通过对不同位置、不同方位角处温升分布曲线的分析, 对大攻角下圆锥背风面边界层流动发展过程及不同发展阶段的流动特征进行了讨论。同时, 通过对来流总压的调节, 得到了不同Reynolds数下的圆锥背风面温升分布结果, 总结了Reynolds数对流动的影响规律。研究发现, 高超声速大攻角圆锥背风面边界层流动发展过程中会依次出现层流分离、定常横流涡影响、转捩以及湍流分离与再附等流动特征, 而在不同的Reynolds数下, 各个流动特征产生影响的范围不同, 随着Reynolds数的降低, 层流范围和定常横流涡影响范围均有所增加, 而从观察到横流影响到转捩开始发生的范围基本相同。      

随机粗糙表面光散射场分布特性的机理研究

为了研究随机粗糙表面光散射分布特性机理,采用线性滤波法生成高斯分布随机粗糙表面,以基尔霍夫近似作为电磁场边界条件,采用蒙特卡罗方法数值计算了一组金属和一组电介质粗糙表面在S偏振光和P偏振光照射下的散射光强度空间分布。计算结果显示:金属表面与电介质表面的散射光分布宽度、散射峰值、散射峰位置三个散射特征存在显著差异,经过分析发现这种特征差异的产生机理是由表面面元的斜率分布和面元反射率共同因素导致,与数值计算结果对比,二者具有良好的一致性。     

指数型分层介质粗糙面光透射问题的微扰法

运用微扰法研究了平面波入射分层介质粗糙面的光透射问题,推出了不同极化状态的透射系数公式.采用指数型粗糙面模拟实际的分层介质粗糙面,结合其功率谱导出了平面波入射时的透射系数计算公式.通过数值计算得到了HH极化情形透射系数随透射光散射角变化的曲线.数值计算结果表明,底层介质介电常量对透射系数几乎没有影响;中间介质介电常量影响透射系数的大小及透射系数角分布曲线;中间介质厚度增大为原来的二倍时,曲线振荡的周期减小为原来的二分之一;粗糙面高度起伏均方根影响透射系数的大小、曲线振荡的振幅;粗糙面高度起伏相关长度既影响透射系数的大小、同时影响曲线的振荡行为;透射系数随入射波长的增大而振荡减小.     

修正反射系数的Kirchhoff近似方法计算高斯起伏冰面三维声散射

针对随机起伏冰面的声散射计算问题,利用修正反射系数的Kirchhoff近似方法计算了高斯起伏冰面的三维声散射。在计算模型中引入了冰面局部统计平均反射系数的概念,将二维高斯起伏冰面的散射分为相干散射和非相干散射,分别得到两类散射成分的散射系数公式,计算了高斯起伏冰面三维声散射的散射强度。分析了散射强度与随机起伏冰面的均方根高度、声波入射角度及频率的关系。通过实验室水池中高斯起伏冰面的散射强度测量实验,对理论模型的计算结果进行了验证。将实验结果分别与采用冰面局部统计平均反射系数的模型计算结果和文献中采用平整冰面镜反射系数的模型计算结果进行了对比,采用冰面局部统计平均反射系数的模型计算结果与实验测量值吻合较好。      

Apparent and real roughness

Some works have studied the light scattering from a rough surface immersed in a liquid, where the light scattered from the immersed rough surface was assumed to be equivalent to that scattered from a fictitious rough surface with a different texture. This work deals with this kind of problems analyzing the light scattered by a reflecting strong scatterer and the light scattered by a rough surface immersed in a transparent liquid. The general Kirchhoff solution for scattering from a rough surface has been used.It is shown that under certain conditions, the mean scattered intensity (MSI) from a surface immersed in a liquid can be quasi-indistinguishable from that scattered from a non-immersed surface with an “equivalent texture”. An expression relating the equivalent texture and the immersed surface texture was obtained.The results of this work allow to evaluate the characteristics of any surface immersed in a liquid with a known refractive index.