沙尘暴粒子的非球形模型及其对激光的多次散射特性研究

计算沙尘暴对电磁波的衰减特性,以及利用卫星反射率遥感反演沙尘暴的光学厚度时,通常假设沙尘粒子为球形,但实验室和现场测量结果都表明,自然界中的沙尘粒子为非球形,因此利用球形粒子模型模拟沙尘暴对激光的散射和衰减特性将带来较大误差。利用具有一定尺寸分布、形状分布、随机取向的椭球粒子模型模拟自然界中的沙尘粒子,利用T矩阵方法计算了其单次散射特性,并与球形粒子模型进行了比较,结果表明,混合椭球粒子的相函数随角度分布是平滑的、无特征的、且在侧散射方向上是平坦的,这和自然界中的沙尘粒子散射特性非常类似。最后利用累加法计算了沙尘暴对激光的多次散射特性,结果表明,利用任何一种单一形状的粒子模拟沙尘粒子的散射特性都会带来较大的误差。     

偏振光在椭球细粒子中多次散射传输特性

为了研究偏振光在椭球细粒子中多次散射的传输特性,建立了以黑碳气溶胶粒子为对象的仿真与实验验证系统。采用T矩阵和蒙特卡罗相结合的方法,对偏振光经随机取向椭球细粒子多次散射后的偏振传输特性进行仿真研究,建立半实物模拟测试平台对仿真方法进行验证,采用延长灵芝孢子燃烧时间的方式制备椭球细粒子,分别由马尔文粒度仪和光功率计测试椭球细粒子的尺寸分布和光学厚度,建立实验与仿真间的联系,验证了仿真结果的正确性。结果表明：随着黑碳椭球细粒子浓度的增加,水平、垂直、+45°线偏光和右旋圆偏光的偏振度都随之下降,且3种线偏振光的保偏性基本一致;随着浓度的增大,圆偏振光的保偏性逐渐优于线偏振光,且两者保偏性差距越来越大,在光学厚度为3.12时达到最大值,当光学厚度大于3.12时,圆偏光和线偏光的偏振度差值趋于稳定。经计算,仿真与实验结果符合度优于70.84%。本研究结果可扩展偏振探测的适用范围,为非球形颗粒物环境下偏振探测研究提供理论支撑。     

取向数对非球形沙尘气溶胶光学特性的影响

利用离散偶极子近似法研究了旋转椭球体沙尘气溶胶粒子在尺度参数变化范围为0.1~23时(波长0.55!m对应有效半径为0.01~2!m)的光学特性,并通过分析比较不同取向数下光学特性的差别,研究取向数对非球形沙尘粒子光学特性的影响。对单分散系,较少的取向数使旋转椭球体沙尘气溶胶粒子的各光学参量对于取向的选取敏感,但随着取向数的增多,沙尘粒子的各光学量逐步趋于一致。对多分散系,受粒子谱分布积分效果的影响,旋转椭球体沙尘气溶胶粒子对取向的敏感度,相比单分散系要稍低一些。粒子的非球形程度对获得随机取向光学特性取向数的选取也有影响,粒子非球形特征越明显,获得随机取向光学特性所需要的取向数越多。以多分散的旋转椭球体沙尘粒子为例,要获得随机取向沙尘粒子的消光效率因子、单次散射反照率和不对称因子(相对偏差在1%以内),轴半径比为16的非球形程度所需的取向数超过500,而轴半径比为2的非球形程度所需的取向数则仅超过100。     

随机取向非球形沙尘气溶胶粒子的光学特性

利用离散偶极子近似法分析了一种随机取向旋转椭球体沙尘气溶胶粒子模型在尺度参数变化范围为0.1~23时(波长0.55!m对应有效半径为0.01~2!m)的光学特性,研究了沙尘粒子非球形性程度对其光学特性的影响,并考察了非球形粒子的随机取向能否用等体积球体来代替。就随机取向单分散和多分散旋转椭球体沙尘气溶胶而言,粒子非球形特征越明显,消光效率因子、不对称因子和单次散射反照率基本上偏离其等体积球体越大;对于相同的非球形,不对称因子偏离其等体积球体的相对偏差要比消光效率因子和单次散射反照率要大。非球形粒子的随机取向并不能使其光学特性严格等效为其等体积球体的光学特性。如果粒子形状偏离球体较小,则非球形粒子的随机取向的平均效果能使其消光效率因子、不对称因子和单次散射反照率近似用等体积球体的对应光学参量来等效;而如果粒子形状偏离球形较大,仅有单次散射反照率可以近似用等体积球体的单次散射反照率来等效,例如,轴半径比为16的旋转椭球体沙尘粒子的单次散射反照率偏离其等体积球体仅在3%以内。     

考虑地表反射类型的气溶胶散射偏振特性

采用逐次阶散射法求解矢量辐射传输方程来研究气溶胶在不同地表反射模型下的散射偏振特性.首先,选取单一地表反射模型和耦合地表反射模型两种地表反射模型.然后,根据地表反射模型计算得到相应的地表反射率,进而采用逐次阶散射法对矢量辐射传输方程进行求解,得到散射光的Stokes矢量.最后,由Stokes矢量计算得出散射光的偏振度.仿真结果表明,两种地表反射模型下气溶胶单次散射的散射辐射强度和线偏振度均相等;耦合地表反射模型的总散射辐射强度和线偏振度总是大于单一地表反射模型;单一地表反射模型的气溶胶单次散射相对总散射的贡献总是大于耦合地表反射模型.研究结果对气溶胶光学特性的反演具有一定意义.     

非球形气溶胶粒子短波红外散射特性研究

利用T矩阵方法,以及基于扩散限制凝聚理论的广义多粒子米散射方法,研究了多种气溶胶粒子在1.6和2.0μm波段处,非球形单粒子和团簇粒子的光散射辐射特性,并分析了粒子有效半径、复折射指数、粒子形状、相对湿度等因素对非球形粒子散射特性的影响.分析表明,除了粒子有效半径和形状会在不同程度上引起粒子散射特性变化,相对湿度对其影响也比较大,球形粒子与非球形粒子在不同相对湿度下后向散射相对差异均在18%以上;当粒子体积较小时,水溶性气溶胶的后向散射强度随相对湿度的增加而增强,而当粒子体积较大时,则随相对湿度的增加而减弱;在体积相同的条件下,体积较小的团簇粒子的不对称因子比非球形单粒子平均偏大0.023,而体积较大的团簇粒子,却比非球形单粒子不对称因子平均偏小0.055;单粒子或等体积的团簇粒子,其不同波段之间单次散射反照率差异较大,最大可达0.226.该工作对研究气溶胶多次散射对CO₂浓度卫星反演精度影响具有重要的科学意义.     

包容性非球形气溶胶粒子的散射特性及其对激光传输的影响研究

针对局部地域大气气溶胶的生成、演化的特点,在分析典型对称结构的包容性非球形气溶胶粒子的形态学特征基础上,利用T矩阵法进行了椭球形粒子含非球形粒子的包容性粒子光散射特性计算和分析.以1 064nm波长激光传输为例分别计算了两种典型分布状况的包容性非球形粒子的散射相函数等散射特性,并针对稠密气溶胶大气路径上激光传输的多散射现象,利用蒙特卡罗方法进行了典型大气状况下包容性粒子多次散射对激光信号大气传输中脉冲展宽的应用分析,在传输3km和5km距离时多次散射效应造成激光脉冲峰值半宽分别为3μs和4μs左右.指出气溶胶的基本散射特性与粒子的形态学特征、尺度因子、化学成分及颗粒密度等有密切的关系,其散射特性对激光信号的大气传输具有明显的影响.     

多次散射因素影响下天空偏振光模式的解析模型

为了解决天空偏振光模式的描述问题,从经典的瑞利散射模型出发,考虑大气粒子尤其是气溶胶粒子的多次散射特性,构建了一种天空偏振光模式的解析模型.首先分析大气分子的瑞利散射,并结合Perez光强分布模型描述光强分布,而后考虑二次散射因素,分析不同尺度不同组分典型粒子的散射相位函数,根据其角度分布特征,解决二次散射积分的求解问题,最终得到本模型.仿真实验表明,与瑞利散射模型相比,本模型能够解决实际天空中存在的中性点的描述问题.与晴朗天气下不同时刻实际测量结果之间的对比进一步说明,本模型不仅可以定性地描述实际天空中偏振光模式的角度变化趋势、中性点以及对称性等重要特征,而且具体数值与实际分布之间的符合程度要优于单次散射模型,其中偏振度的相似度最高可以达到75%左右.     

紫外光非视距多次散射信道模型研究

利用蒙特卡罗方法对紫外光非视距传输过程进行了模拟,讨论了传输过程中固体角的确定,仿真分析了系统的角度设置对传输损耗的影响.结果表明,增大收发仰角可以降低系统的传输损耗,并且小角度集中发射与大视场角接收可以降低系统的传输损耗.     

多次散射等过程对卢瑟福散射实验的影响

在卢瑟福散射实验中,多次散射等因素会影响模型的验证结果．通过角分布的卷积研究多次散射过程,采用卢瑟福散射角分布与小角度散射的角分布函数的卷积来近似描述多次散射的影响,并提出使用小角度散射数据与卢瑟福散射截面卷积的模型来描述大角度数据的方法．实验结果表明：与卢瑟福散射公式相比,卷积模型与实验数据符合得更好．     

一种内混合气溶胶粒子模型光散射的等效性

以包含灰尘、黑碳和水三种成分的单分散内混合初次气溶胶为例,利用消光、吸收、散射效率因子和不对称因子,探讨了以等效折射率描述具有不同成分的内混合气溶胶粒子系统的适用性。结果表明,在尺度参数为0.1～25时不同半径比下,消光、吸收和散射效率因子的等效性较好,相对误差分别在3%、3%和4%以内;不对称因子的等效性相对稍差,相对误差在13%以内。当半径比a/b小于1/5,即内混合体中所含灰尘和黑碳较少时,等效折射率实部和虚部值基本可以确定,而不必考虑尺度参数的影响。用除散射相函数之外的其他光学量来等效时,较为容易找到等效的气溶胶粒子。     

聚合物中多重光散射传导的Monte Carlo数值模拟

基于米氏散射(Mie scattering)理论,建立填充分散粒子群的聚合物对光散射传导的Monte Carlo数学模型.在此基础上,编写了一套仿真模拟程序.通过模拟单个光子在聚合物中的多重散射运动过程,把问题扩展到以激光束或线状光为入射源,得到在聚合物板块内的光传导情况,并且在计算机上图像化地重现整个物理过程,对输出光强的分布情况进行模拟统计分析.模拟结果表明,利用体散射机制,可以将点光源和线光源转换为平面光输出,输出光的状态可以通过对比计算结果实施有效控制.     

生物组织的可见光与近红外光散射模型

对生物组织光学模型尤其是光散射特性进行了研究, 发现可以利用等效粒子数密度的粒度分布更精确地了解生物组织的光散射性质。在夫琅和费衍射近似下, 散射系数和散射相函数可以由等效粒子数密度的粒度分布得到。基于粒子粒度光散射测量技术, 所得结果可给出一种新的可行的测量生物组织光学性质参数的方法。     

气溶胶粒子散射和吸收特性对复折射率依赖性的数值研究

利用米散射理论数值计算分析了尺度参数为0.1~100时球形典型气溶胶粒子的散射和吸收特性对复折射率的依赖性关系。气溶胶粒子复折射率的实部和虚部是一个有机的整体,粒子复折射率的实部和虚部可以分别影响其散射和吸收特性。若实际大气气溶胶粒子大多是成核模态和积聚模态的小粒子,基于气溶胶的散射和吸收特性可以获得其复折射率的唯一解。但是,如果大气中存在大量的粗模态粒子时,气溶胶散射和吸收特性对其复折射率的依赖性较为复杂,只有选择有限的合适复折射率库区间,才有可能获得更合适的有效复折射率。     

光通过纳米颗粒随机散射体透射光强的计算及分析

光通过随机散射体后透射光强的估算,对于提取散射体内部无法直接测量或者无法直接观察的信息至关重要。在分析平行光束通过纳米圆形颗粒随机散射体出射面上光强组成的基础上推导了透射光强的计算公式,并指出多重散射理论、一阶多重散射理论和朗伯-比尔定律在一定近似程度上可以相对精确地估算透射光强。这三种方法的估算结果之间会出现四种相对关系。根据这些相对关系,分析了光在散射体内部传输时散射过程的特征以及各种散射过程对出射面光强的贡献大小。     

The Role of Aerosols in Light Scattering in the Atmosphere

This paper addresses the important role of how aerosols play in light scattering in the earth’s atmosphere and how their characteristics can be retrieved. It is shown here, by referring to typical aerosol types, that more than a half of the atmospheric light is scattered by aerosols, and the aerosol optical properties can be estimated in terms of the scattering behavior. It is also confirmed that aerosol retrieval can be accurately determined by combining polarization and radiance data.Presented at the 7th International Workshop on Multiple Scattering Lidar/Light Experiments (MUSCLE7), July 21–23 1994, Chiba, Japan.     

Light Scattering by Bent Cylindrical Fibers for Fiber Length and Diameter Characterization

Light scattering computations for cylindrical fibers of high aspect ratios are needed in designing instruments for the optical characterization of airborne fibers. Long airborne fibers may also appear in a bent shape. In this paper computational results for bent fibers of various radii of bending will be presented using the multiple multipole technique (MMP).     

Spectral Changes of Light Produced by Multiple Scattering from Space-Time Fluctuating Random Media under the Born Approximation

Changes in the spectrum of light scattered by space-time fluctuating random media are investigated theoretically within the accuracy of the second-order Born approximation, as a continuation of the previous paper [Opt. Commun. 123 (1996) 234]. Effects of multiple scattering on the resultant field are manifested by a number of illustrative examples. It is shown, in particular, that the spectrum of the scattered light to be observed under practical circumstances is distorted by the process of multiple scattering. Comparison between spectra of both single and multiple scattering lights is also presented in the framework of the dynamic scattering.     

沙尘气溶胶粒子群的散射和偏振特性

根据Mie散射理论,以对数正态分布函数描述沙尘气溶胶粒子群的粒径尺度分布,计算了沙尘气溶胶粒子群在0.2～40μm波段间对太阳短波辐射和地球大气长波辐射的单次散射反照率、散射相矩阵函数,揭示了不同相对湿度时,沙尘粒子群对入射辐射的散射和偏振的特征。结果表明,沙尘粒子群的单次散射反照率随着入射波长的增加有较大起伏,不同相对湿度条件下,变化趋势基本一致;在可见光、近红外波段单次散射反照率随湿度增加而变大,湿度95%时非常接近于1;大于10μm的热红外波段单次散射反照率随相对湿度增加而减小,具有较强的吸收辐射能力。散射辐射强度受湿度影响较小,随散射角的增加呈现先减小后增大的趋势,且增大的趋势随着波长的增加而减弱;不同波段上,线偏振和圆偏振随散射角和相对湿度变化存在差异;在前向和后向仅对入射辐射为圆偏振辐射产生圆偏振散射;散射光的偏振特性及其湿度差异主要表现在后向散射区,多以拱形形式体现。拱顶峰值散射角位置存在差异,且峰值散射角随相对湿度的降低向后向漂移。