非球形粒子的散射特性分析

本文首先利用T矩阵方法计算了复折射率吸收指数和折射指数变化时的椭球粒子和Chebyshev粒子在不同等效尺度参数下的光散射特性,并与等效的球形粒子的光散射结果进行了比较;然后分析以上两种类型非球形粒子散射特性之间的关系.结果表明:椭球粒子和Chebyshev粒子的散射特性与等效球形粒子的散射特性存在着差别,粒子的形状越偏离球形,这种差别就越大;复折射率折射指数的变化对非球形散射效率因子的影响要比吸收指数的影响更大一些;当等效尺度参数相同时,椭球粒子与等效球形粒子的散射效率因子的差别要远远大于Chebyshev粒子与等效球形粒子散射效率因子之间的差别.     

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.     

不同形状的非球形粒子对偏振传输特性的影响

针对自然界的非球形粒子问题,对典型非球形粒子的偏振传输特性进行研究,采用T矩阵算法研究椭球、圆柱和切比雪夫粒子的偏振传输特性,及其与球形粒子偏振传输特性的差异。研究结果表明:对于横纵轴之比中等的椭球粒子,当散射角小于60°时,不同形状椭球粒子的偏振度(DOP)差异较小,可用Mie散射方法进行粒子偏振特性的近似计算;当散射角大于60°时,DOP随横纵轴之比的变化较大,且球形与椭球粒子的DOP差异随着横纵轴之比的增加而增大;对于直径与高度之比中等的圆柱体粒子,DOP的变化相比于椭球粒子更加平稳,但后向散射与侧向散射区域仍不能采用Mie散射进行近似计算;形状比例极端的椭球粒子和圆柱体粒子的偏振曲线均类似于钟形,且在散射角约为90°时DOP达到最大值;切比雪夫粒子的形变参数和级次都对粒子前向散射偏振特性的影响较小,但对后向散射偏振特性的影响较大,且灵敏度随级次的增加而减小。本研究结果可为非球形粒子偏振传输特性的研究及球形粒子近似提供理论指导。     

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。     

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.     

非球形椭球粒子参数变化对光偏振特性的影响

针对自然界中多数沙尘、烟煤粒子的非球形问题, 在球形粒子偏振特性的基础上, 进一步研究非球形椭球粒子的折射率、有效半径、粒子形状等参数变化对光偏振特性的影响, 采用基于T矩阵的非球形粒子仿真方法, 模拟非偏振光经椭球粒子传输后光的偏振特性及其与球形粒子间的差异, 并以实际沙尘、海洋、烟煤三种气溶胶粒子为例说明结果的正确性. 结果表明: 当折射率实部越小, 虚部越大时, 球形粒子与非球形粒子的偏振差异越不明显; 当粒子有效半径增加时, 球形粒子偏振度的变化比非球形粒子更为明显, 且最大值分别出现在散射角为150°和120°的位置; 当粒子形状不同时, 不同形状椭球及球形粒子的差异在散射角小于60° 时并不明显, 且当椭球粒子纵横比互为倒数时, 两种粒子的偏振特性近似相同. 通过以上分析可知, 在光传输过程中, 椭球粒子多数情况下无法被近似为球形粒子进行计算.     

硅酸盐粒子的远红外散射特性研究

本文首先将T矩阵方法程序的计算结果分别和Mie理论以及文献进行了对比,证实了程序的有效性。接着研究了在红外波段硅酸盐粒子的形状(非球形)对散射特性的影响,并用T矩阵方法对λ=10.6μm波段的硅酸盐粒子进行了一系列计算分析。计算结果表明:随着a/b值得减小,粒子的最佳单位体积消光截面逐渐增大。     

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。     

非球形粒子散射光的去偏振特性研究

目标对入射偏振光的散射特性反映了目标的属性信息。在Rayleigh散射理论的基础上，通过单层非球形粒子对入射偏振光的散射数学模型，应用矢量传输方程来计算非球形粒子散射的Mueller矩阵元，求解散射介质的偏振度，讨论在不同介质层厚度、粒子半径和探测角的条件下，非球形粒子散射光去偏振度的变化特性，给出了模拟仿真结果。该方法为研究目标的内部结构、厚度和粗糙度等特征以及目标的探测和识别提供了一种新的途径。     

利用T-matrix计算非球形粒子散射特性的研究

本文用T-matrix方法计算了非球形气溶胶粒子的光学特性,得到了气溶胶粒子的消光截面、散射截面、吸收截面与气溶胶粒子形状的关系,不同形状气溶胶粒子的有着相同的散射相函数和不同的偏振度,非球形气溶胶粒子的散射相函数对其复折射指数的实部和虚部都不太敏感,而偏振相函数对其实部和虚部都比较敏感.此结论为研究大气辐射传输提供了较好的方法,尤其是偏振度与偏振相函数的提出为用偏振的方法进一步的反演气溶胶的光学参数提供了理论基础.     

非球形气溶胶粒子散射相函数经验公式

散射相函数是研究电磁波传输特性的重要参数，直接影响电磁波传输方程的简化程度和解的精度。基于电磁散射与辐射传输中的基本理论，对非球形粒子散射相函数的经验公式进行了研究。为了很好的模拟非球形粒子的后向散射峰值，提高辐射传输方程的简化程度和解的精度，提出了一种新的相函数经验公式。分析新的相函数对非球形粒子的适用性，以单个沙尘性气溶胶为例，计算了不同形状粒子的Henyey-Greenstein*相函数和新的相函数随角度的变化，并与T矩阵法的计算结果进行了对比，发现椭球形粒子的长短轴比和有限长圆柱形粒子的径长比大于0.5时，新的相函数在大角度后向散射部分与T矩阵法的吻合程度较高。考虑波长变化，对比了尺寸谱满足对数正态分布的四种气溶胶粒子的Henyey-Greenstein*相函数和新的相函数与T矩阵法的计算结果。研究表明，对于椭球形粒子和有限长圆柱形粒子，在大角度(大于90°)后向散射部分，除了0.694时的椭球形海洋性气溶胶，新的相函数均方根差较小的占100%，证明了新的相函数可以较好的模拟非球形粒子的后向散射特征。新的相函数对准确模拟辐射传输过程具有重要意义。     

反演非球形粒子光学常数的理论建模

本文基于完整的辐射传输方程,结合T矩阵法和K-K关系式,建立反演非球形粒子光学常数(复折射率)的理论模型.首先以椭球粒子为例,分析了非球形粒子光学常数反演模型的适用范围,重点分析了不同尺度参数下椭球粒子的单值性和多值性问题;然后以非球形煤灰粒子为例,采用MC法进行正问题计算,所得的光谱透射率作为"实验测量值",采用本文模型进行反演,得到较好的反演结果,充分说明了本文所建立的反演模型的可行性,同时分析了测量误差对实验结果的影响.     

随机非球形粒子全极化散射的时间相关Mueller矩阵解

从与时间相关的矢量辐射传输方程推导一阶Mueller矩阵解,用来模拟Gauss型平面脉冲波入射下,一层随机、非均匀取向非球形粒子的全极化双站散射.数值计算了同极化和去极化脉冲响应,与入射脉冲进行了比较,说明了随机介质的物理参数,如粒子的取向和占空比、入射角、极化以及层厚等对脉冲响应的影响 关键词： 平面脉冲波 非球形粒子 Mueller矩阵     

群聚球形粒子极化散射的T矩阵数值模拟

对于不小于波长或可与波长相比的大粒子集合性的相干散射,要求严格求解多次散射的Maxwel方程。作者利用多个粒子多次散射的严格的T矩阵公式,发展了数值模似算法,求出非均匀群聚分布的球形粒子相干极化散射在全方位上的数值结果,研究了群聚粒子相干极化散射的特征表现,并与双球粒子散射的实验结果作了很好的比较。     

含核椭球粒子后向散射特性研究

基于T矩阵方法,给出了随机取向、轴对称、含核椭球粒子的散射计算方法,散射体的核和外壳均可为非球形粒子,内层粒子和外层粒子可以为同心也可为不同心,整个粒子具有轴对称性.以含核椭球粒子为模型,计算了含有吸收性内核的水凝物气溶胶的散射特性,分析了核的大小、形状以及位置对后向散射的影响.计算结果表明,后向散射对内核的形状、大小...     

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。     

随机取向双层椭球粒子偏振散射特性研究

基于T矩阵方法,给出了随机取向、轴对称、含核椭球粒子的散射计算方法.散射体的核和外壳均可为非球形粒子,整个粒子具有轴对称性.以含核椭球粒子为模型,计算了含有吸收性内核(黑炭,black carbon)的水凝物气溶胶的散射特性,分析了核的大小、形状对消光系数、散射系数、吸收系数、不对称因子、单次散射反照率以及Muller矩阵等的影响. 关键词： 光散射 T矩阵 Muller矩阵 椭球粒子     

飞尘气溶胶粒子散射特性分析:对比实验和米散射方法

采用Mie散射理论计算了可见光波段等效球飞尘气溶胶粒子的Stokes散射矩阵,并与实验得到的空间随机取向的非球形飞尘气溶胶粒子结果进行了对比分析;由理论与实验方法得到的散射相函数,采用离散坐标法计算了两者的双向反射函数(BRDF),并对此结果进行了分析研究。结果表明:实验测量的非球形飞尘气溶胶粒子群的散射矩阵和基于球形粒子假设的Mie散射理论计算结果在大多数散射角上都不相同,但是不对称因子却大致相同;球形-非球形粒子群的BRDF随反射角的变化趋势基本一致,但是球形粒子群的BRDF曲线分布具有更大的波动趋势;随着光学厚度的增加,球形-非球形粒子群的BRDF曲线分布均趋于平坦,计算结果趋于一致。因此在飞尘气溶胶粒子散射特性研究中,当光学厚度较小时,用球形假设的方法会造成一定的误差,BRDF相对误差最大可以达到60%,需考虑粒子非球形特性造成的影响;而当光学厚度较大时,BRDF相对误差一般不会超过10%,采用球形假设的方法具有一定的适用性。     

飞尘气溶胶粒子散射特性分析：对比实验和米散射方法

采用Mie散射理论计算了可见光波段等效球飞尘气溶胶粒子的Stokes散射矩阵,并与实验得到的空间随机取向的非球形飞尘气溶胶粒子结果进行了对比分析;由理论与实验方法得到的散射相函数,采用离散坐标法计算了两者的双向反射函数(BRDF),并对此结果进行了分析研究。结果表明：实验测量的非球形飞尘气溶胶粒子群的散射矩阵和基于球形粒子假设的Mie散射理论计算结果在大多数散射角上都不相同,但是不对称因子却大致相同;球形-非球形粒子群的BRDF随反射角的变化趋势基本一致,但是球形粒子群的BRDF曲线分布具有更大的波动趋势;随着光学厚度的增加,球形-非球形粒子群的BRDF曲线分布均趋于平坦,计算结果趋于一致。因此在飞尘气溶胶粒子散射特性研究中,当光学厚度较小时,用球形假设的方法会造成一定的误差,BRDF相对误差最大可以达到60%,需考虑粒子非球形特性造成的影响;而当光学厚度较大时,BRDF相对误差一般不会超过10%,采用球形假设的方法具有一定的适用性。     

降雨粒子的无线紫外光散射特性

紫外光与降雨粒子相互作用发生散射,散射光特性改变能够反映降雨粒子的相关物理特性（如粒子尺寸参数、浓度、形态）,因此研究粒子的物理参数对散射光特性的影响对有效提高光谱法定量探测降水的精度有很大意义。由于雨滴在非球形降水粒子中具有代表性,以群雨滴粒子为例,采用T矩阵理论,利用紫外光直视和非直视单次散射模型,分析了入射光波长、群雨滴粒子形态、降雨强度、粒径大小与散射光强之间的关系。并用蒙特卡洛方法仿真分析了非球形群雨滴粒子在不同降雨强度和粒径下散射角与散射光强之间的关系,以及降雨环境中的风切变对紫外光散射特性的影响。通过理论及仿真分析,得到了不同群雨滴粒子形态下的路径损耗,不同降雨强度、风切变率和粒径下的散射光强分布。仿真结果表明：在紫外光直视与非直视通信方式下,降雨环境中的通信质量比晴天条件下的通信质量差,即路径损耗增大。当粒径分布已知时,随着降雨强度的增大,衰减系数增大,路径损耗增加,且直视通信方式的路径损耗比非直视降低7 dB左右。随着降雨强度、风切变率和粒子粒径的增大,散射光强曲线整体呈下降趋势,其中,降雨强度的变化对散射光强分布影响程度最大。相同通信距离时,不同降雨强度下的紫外光散射光强分布均随着散射角的增大而减小,当散射角继续增大到90°时,有效散射体体积逐渐减小,接收到的光子能量减小,暴雨中的散射光强衰减程度最大。相同降雨强度下考虑风切变时,相比较无风时的路径损耗增大5 dB左右。除此之外,还研究了椭球形和切比雪夫形粒子对紫外光散射光强的影响,结果表明当粒子粒径分布相同时,椭球形粒子的散射光强衰减较广义切比雪夫形粒子大。根据散射粒子的散射光强分布以及路径损耗能够区分雨滴粒子是否由相同粒径及形态组成,为粒子测量提供理论基础。分析降水中群雨滴粒子的光散射特性,为提高光谱法评估降水衰减的数值模拟方面提供理论依据,为光学技术在探测识别降水现象等气象领域的广泛应用提供了设计参考。