基于Mie理论的水雾粒子多光谱消光特性研究

基于Mie散射理论,建立了水雾粒子的消光模型,计算了水雾粒子的多光谱消光特性,分析了水雾的消光特性与水雾粒子粒径之间的关系。结果表明:不同波长条件下,最佳水雾消光性能所对应的水雾粒子粒径也不同;半径在0.22~0.53μm的水雾粒子对可见光的消光性能最好;半径在0.81~8.15μm的水雾粒子对中、远红外辐射的消光性能最好;对于1.06μm和10.6μm两个军用激光常见波长,水雾粒子半径应分别为0.89μm和8.15μm,才能达最佳消光效果。     

基于MDA法计算水雾粒子红外隐身粒径

水雾隐身技术是一种较为理想且经济适用的目标特征信号控制技术。本文从辐射传输方程出发,考虑水雾粒子的本身辐射和散射,提出以红外表观透射率评价水雾粒子的红外隐身性能。应用Modified Differential Approximation(MDA)法结合MIE理论,计算了水雾粒子红外表观透射率随水雾粒子浓度和粒径的变化关系,得到水雾粒子最佳红外隐身粒径。结果表明:水雾粒子的红外表观透射率随粒子浓度的增加而减小,但当粒子的浓度增加到一定值时,红外表观透射率基本保持不变;水雾粒子的红外表观透射率随粒径的增加先减小后增大,当探测波段为3～5μm时,水雾粒子的最佳红外隐身粒径为6μm;而探测波段为8～12μm时,水雾粒子的最佳红外隐身粒径为12μm。     

细水雾遮蔽红外辐射的蒙特卡洛模拟及透射场分析

基于蒙特卡洛法,对水雾遮蔽热辐射衰减建立了光子状态序列的追踪模型.利用该模型对水雾粒子的多重散射进行模拟,分析了影响水雾消光性能的消光系数、水雾浓度、不对称因子等参数,发现不对称因子也是影响水雾隐身性能的重要参数.研究表明:对于消光系数相同的介质,不对称因子越小越有利于衰减目标热辐射强度,而采用朗伯比尔定律则不能获得此结论;在雾粒子半径远大于红外波长的情况下,提高水雾的浓度并减小粒子半径可有效提高水雾的衰减作用.     

随机取向纳米石墨椭球粒子的红外消光特性

利用离散偶极子近似(DDA)方法研究了椭球形的纳米石墨粒子的红外消光特性。计算了不同形状的椭球粒子红外消光截面随波长变化规律,并与等效球形粒子的消光性能进行了比较,分析了不同入射波长时,椭球粒子形状和粒径对消光的影响。结果表明,椭球状的纳米石墨粒子红外消光性能好于等效球粒子的消光性能,椭球粒子的最佳消光等效粒径与轴长比和入射波长有关。     

红外辐射在水雾中衰减计算的修正方法研究

水雾系统对红外光谱有着强烈的衰减作用,因此在军事目标的各种制导对抗中被予以高度的关注。以Mie散射理论为基础,分析了粒子对红外光谱前向散射的聚集特性,定义了近前向散射比,并确定了在应用朗伯比尔定律时需修正的粒子尺度和散射半角的范围。通过大量计算发现,单独将粒子尺度和散射半角的乘积作为独立变量计算的视消光系数不够精确。在中远红外波段,前向散射附近的小角度内散射强度积分与粒子尺度和散射角都成正比,若红外波长为定值,则与粒子半径成正比。最后根据前向散射规律给出了两个不单独以x.θ为变量的经验计算公式,使得对水雾消光的修正计算更加简便精确。     

动态细水雾的最佳热辐射消光粒径

研究了细水雾遮蔽衰减热辐射过程中,取得最佳遮蔽效果的动态雾滴初始粒径问题。综合考虑雾滴的光学特性和动力学特性,定义了热遮蔽指数作为度量动态雾滴消光能力的指标。在模型构建中,用索特粒径将多分散性的细水雾等效成单分散系;用Planck平均法获取水雾的灰体辐射特性参数;并采用数组调用、线性插值的方法提高大量计算Mie氏消光因子的效率。研究发现,基于遮蔽指数的最佳消光粒径要远大于基于光学特性的最佳消光粒径。     

空间垂直方向气溶胶消光特性的研究

在已知大气气溶胶折射率和气溶胶谱分布的基础上,对空间垂直方向的气溶胶消光特性进行了研究。文章利用Mie散射理论计算讨论了气溶胶的消光、散射、吸收系数随各参数的变化,并在MATLAB中对变化情况进行了仿真。结果表明,粒子半径与入射波长大小相近时气溶胶的消光最强,并且随着能见度的增大,气溶胶衰减系数减小。这些结论可以为红外辐射的大气衰减计算和分析提供依据。     

中远红外隐身光子晶体薄膜的制备及隐身特性

采用传输矩阵法和蒸发镀膜工艺,设计并制备了一种中、远红外双波段兼容隐身的光子晶体薄膜。测量了该光子晶体膜层的实际厚度和中、远红外光谱反射率,所得结果与理论设计相吻合。研究结果表明,与红外隐身涂层和常规迷彩布两种传统红外隐身材料相比,光子晶体薄膜在中、远红外双波段抑制红外辐射的能力最强;室外环境辐照对光子晶体薄膜在8~14μm及3~5μm波段隐身效果的影响较小。     

压片法测试纳米氧化铝的红外消光特性

溴化钾压片法研究了6个厂家生产的13种α型和γ型纳米氧化铝的红外消光特性,给出晶型、平均粒度和比表面积等表征数据,计算机分类绘制了α型和γ型纳米氧化铝的红外透过光谱,光谱带积分计算出了3-5和8-14微米两个红外窗口内的红外光平均透过率。测试结果的分析对比表明,纳米氧化铝对红外光具有良好的吸收特性,γ型纳米氧化铝的红外平均透过率普遍小于α型,比表面积越大的纳米氧化铝红外光的平均透过率越小,经过改性处理的纳米氧化铝在远红外波段红外消光作用得到显著增强。     

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。     

纳米碳纤维红外消光数值计算

为探讨纳米碳纤维作为烟幕粒子的红外消光特性,基于电磁场理论建立了细直的纳米碳纤维感应电流积分方程,并利用矩量法进行了求解,导出了纳米碳纤维散射场及吸收、散射和消光截面的计算式.通过与变分法的计算结果相比较,表明了该方法的有效性.利用该方法数值分析了纳米碳纤维红外消光截面与入射场波长、入射角、纤维长度和半径的关系,计算结果为纳米碳纤维用于红外烟幕干扰提供了理论依据.     

生物材料红外波段消光性能分析

对制备的三种消光材料真菌An0429孢子,真菌Bb0919孢子以及真菌Cx0507孢子的红外波段消光性能进行了测试分析。静态测试采用压片法得到三种生物材料的镜面反射光谱,然后根据Krames-Kronig(K-K)关系对三种生物材料红外波段的复折射率进行了计算。由Mie理论计算得到三种生物材料红外波段的静态质量消光系数,并与几种无机非金属材料进行了对比。搭建烟幕箱实验平台,对三种生物材料3~5 μm波段动态质量消光系数进行了测试分析,得到三种消光材料的动态质量消光系数分别为1.257,1.065以及1.009 m2·g-1。测试分析结果表明,三种生物材料的红外波段消光性能优于常见的无机材料,其生产周期短,生产成本低,生产过程无毒,对环境友好等优点,使得生物消光材料具有较好的应用前景。     

颗粒系的可见消光光谱分析及最佳波长的选择

在光全散射法颗粒粒径测量中,被测颗粒系的消光光谱包含有颗粒粒径、折射率等信息。对常用的单峰及双峰R-R分布的可见消光光谱进行模拟,分析了可见消光光谱随粒径和相对折射率变化的规律。选取二阶微分可见消光光谱不连续点对应的波长作为测量波长,并将可见光边界波长同时作为测量波长,在非独立模式下,采用遗传优化算法反演粒径分布。仿真计算与实验验证结果表明,通过消光光谱分析,可以预先确定被测颗粒系的分布状况,缩小优化算法中反演参数的搜索范围。结合最佳波长选择方法,使测量的精度和可靠性明显提高。对测量光谱加入1%随机噪声时,单峰及多峰分布粒径反演均能得到满意的结果。     

消光起伏光谱的时间相关处理

消光起伏光谱法(TFS)是一种新的颗粒测量方法,可同时测量两相流中颗粒的粒径分布和体积浓度。由于在测量原理和结构上非常简单,这种方法可用来实现在线、实时测量。然而在实际测量中,消光起伏光谱法对颗粒粒径分布的分辨率还比较低且对高浓度颗粒系的测量须考虑颗粒相互作用效应。本文提出一种新的数据处理方法-消光起伏相关光谱法(TFCS),通过对消光起伏信号在不同相关时间参数下进行相关计算来得到消光起伏光谱以提高消光起伏法对颗粒粒径分布的分辨率。     

石墨烯/纳米铜复合材料的制备及红外性能研究

采用原位还原法制备了还原石墨烯/纳米铜复合材料,对其进行表征分析.测量该材料的中远红外波段的复折射率,计算其吸收系数和大气窗口内的法向光谱发射率并进行实验验证,进而分析其在中远红外波段的吸收和辐射性能.结果表明,纳米铜吸附在还原石墨烯表面,粒径集中在15~25nm;不同尺寸的纳米铜、还原石墨烯及其表面缺陷和官能团等的吸收特性,使该复合材料在8~9.2μm、6~6.5μm、2~3μm波段内的吸收较强,且在远红外波段吸收最强;其在3~5μm的法向发射率在0.65~0.68范围内,法向发射率在8~9.5μm内有最小值0.53,而后稳定在0.58左右,其总法向发射率分别为0.66和0.59,且与测量值相符.该复合材料可用于红外吸收、消光材料和隐身涂料等方面.     

随机取向烟幕凝聚粒子的消光特性

采用蒙特卡罗方法根据团簇-团簇凝聚(CCA)模型对由球形原始微粒凝聚而成的烟幕凝聚粒子进行模拟,用离散偶极子近似(DDA)方法研究随机取向烟幕凝聚粒子的消光特性.结果表明,凝聚粒子的消光特性受到原始微粒数量以及粒径的影响,粒子的凝聚将减弱烟幕的消光性能;当凝聚结构中原始微粒的数目一定时,存在使烟幕消光性能达到最大的原始微粒粒径.     

大气红外辐射及消光特性实测研究

应大口径红外望远镜选址需求,研制了一台红外辐射测量设备,对丽江天文观测站及澄江M′波段(4.605~4.755μm)大气红外辐射与消光特性进行了实测。用Allan方差法和大气辐射传输方程分别对大气辐射的时间和空间变化数据进行了分析,讨论了辐射时空变化对红外天文观测的影响。结果表明,低频区的辐射涨落较大,Allan方差随积分时间呈指数增加,丽江和澄江的Allan方差拟合参数分别为0.794和1.238。从天顶到60°天顶角,丽江和澄江站的辐射亮度分别增大了68%和72%,透过率分别降至0.46和0.52;红外天文观测需斩波,在丽江站,探测器单像元、2×2Binning、4×4Binning最佳斩波频率分别为0.030,0.070,0.144 Hz。实测所得Allan方差、大气消光、最佳斩波频率可用于指导大口径红外望远镜的选址及设计。     

双波长米散射激光雷达探测对流层气溶胶消光特性

新近研制了一台基于532和1 064 nm的双波长米散射激光雷达(dual-wavelength lidar,简称DWL),用于探测对流层大气气溶胶可见和红外波段的消光特性及其时空分布,同时用于粒子尺度谱垂直分布特征的研究。系统采用4个通道分别用于接收对流层下部和中上部532及1 064 nm的大气回波信号,有效地缩短了获取大气信息的时间。采用窄带滤光片,并借助光阑,将接收的激光大气回波信号谱线(米散射和瑞利散射光谱)从天空太阳背景噪声中分离,提高系统的白天探测能力。叙述了雷达系统的总体结构和技术参数以及数据处理方法。利用该雷达对合肥地区(117.16°E, 31.90°N)上空的气溶胶进行了探测。给出了对流层大气气溶胶532及1 064 nm消光系数的垂直廓线及其时空分布典型探测结果。分析了气溶胶波长依赖指数的空间垂直分布。讨论了对流层大气气溶胶光学厚度月变化。观测和分析结果表明,双波长具备昼夜连续观测对流层大气气溶胶的能力,可以很好的反映气溶胶粒子的时间和空间分布特征。     

RGB三波段消光法测量细微颗粒粒度分布研究

提出了采用彩色相机RGB信号实现三波段消光法测量微米级颗粒粒度分布的方法。当一束平行白光入射到弥散细微颗粒时,测量不同波长的透射光强信号,用多波长消光法理论反演可以测得被测弥散细微颗粒粒度。当用彩色相机拍摄透射光,得到的图像实际是RGB三个波段的透射光信号,该信号与相机的RGB响应曲线、光源光谱特性、被测颗粒粒径及颗粒浓度有关。对RGB三波段信号用消光法理论进行分析和反演计算,可以得到细微颗粒的粒度分布。通过数值模拟与实验验证,表明用彩色相机RGB三波段消光法可以测量亚微米到3 mm大小的颗粒粒度分布。将该方法与图像法颗粒粒度测量相结合,可以将彩色相机测量颗粒粒度的范围拓展到从亚微米到数百微米。     

用多波长消光法测量大颗粒的尺寸分布

基于Mie光散射理论,提出一种用多波长消光原理(light extinction)测量大颗粒的尺寸分布的方法.理论分析及计算机数值模拟表明,采用可见光波段的多波长消光法可将测粒上限扩展至300μm以上.文中给出了数值模拟结果和对几种大尺寸标准颗粒的实测结果.