水-气界面参数和二向性影响因素交互作用研究

基于光学辐射传输软件HYDROLIGHT,模拟不同外界和水质条件下水气界面透射率T,Gordon模型参数f和二向性因子Q,研究风速、太阳天顶角、单次反照率和拉曼散射对T、f和Q及其组合f/Q的影响和交互作用,确定T、f、Q和f/Q的主导影响因子,以期为确定水色反演算法误差来源以及减小反演误差提供定量的依据。研究结果表明,T、f和Q的主导影响因素为太阳天顶角,单次反照率和风速对T、f和Q的影响相对较小,而对f/Q影响最大是单次反照率,其次是太阳天顶角,风速最小,且各影响因素之间具有较强的交互作用。高散射特性水体中,拉曼散射对f、f/Q和T的影响可忽略不计;黄质(CDOM)和叶绿素的荧光特性对f和f/Q的影响随着叶绿素和CDOM浓度的增加不断减小,但在高CDOM和叶绿素浓度的富营养化水体中该影响仍难以忽略。     

海洋激光雷达水体光学特性参数反演模型对比及分析

激光雷达回波中的多次散射量决定了衰减系数KLidar,从而对水体光学特性参数的反演产生影响。目前的海洋激光雷达理论中,均以Walker-McLean模型和多次前向-单次后向散射模型的公式形式表示多次散射分量。根据水下激光传输机制,分析了这两种模型中多次散射因子的等效性,并将其多次散射项进行对比,讨论了利用这两个模型反演水体光学特性参数的异同。对比两种模型的散射相函数发现,Walker-McLean模型更符合实测情况;多次前向-单次后向散射模型适应于前向散射极强的介质。在激光刚进入水体时,其水体光学特征参数反演值会偏低,并随着多次散射次数的增加而变得偏高。     

油砂混合水体后向散射系数光谱贡献分离算法Ⅰ: 实验理论

在石油类污染水体中,油会吸附在悬浮颗粒物表面而形成一个双层结构,影响水体后向散射系数光谱特征, 分离水体石油类物质与悬浮颗粒物对后向散射系数光谱的贡献, 能提高水体石油类污染后向散射理论模型的准确性。将美国Wyatt公司生产DAWN HELEOS Ⅱ18角度散射测量仪、美国SEQUOIA公司生产的LISST-100x B粒径仪和美国Hobilabs公司的后向散射仪HydroScat-6 Sprctral Backscattering Sensor(HS6)联动观测,构成后向散射系数光谱测量系统,分别测量不同水样的散射强度电压值、粒径分布及粒径浓度、后向散射系数等参数,提出了利用Mie散射理论计算未知折射系数物质的体散射函数β(λ,θ)的新思路及分离后向散射系数光谱的算法。选择已知折射系数m的石英砂作为颗粒物与采自不同油田区域的油污水进行配比,获取不同特性水样,测定相关数据。首先, 根据Mie散射理论计算出各样本对应的水体体积散射函数β(λ,θ);其次,建立的DAWN HELEOS Ⅱ 18角度激光散射仪测定散射强度对应的电压值V(θ)转化为体积散射函数β(λ,θ)的关系式;再次,根据最优化方法估算出油砂混合的等效折射系数m_os以及油的折射系数m_o;最后,利用β(λ,θ)和估算的m_os值及m_o计算出各类样本的后向散射系数b_b(λ),分别建立油污水b_b,o(λ)和石英砂b_b,s(λ)与油砂混合总b_b,os(λ)的分离算法。分离算法的建立一方面提高了水体石油类污染后向散射理论模型的准确性,另外一方面拓展了米散射理论在海洋水色遥感中的应用。     

基于固有光学量的高光谱数据反演城市河网水质

水体辐射传输模型是水体光谱特性分析的理论基础,水体固有光学量由水体组成决定,与水体表面光场无关。基于统计的半经验算法虽然能获取指定区域水质参数反演结果,但是缺乏物理意义;基于生物光学模型的分析算法,针对城市河网内陆Ⅱ类水体光学特性复杂、空间分布异质性强、水体细小、流动性大等特点,利用高光谱数据,研究基于固有光学量的城市河网水质参数反演模型,对内陆城市浑浊水体光谱特性研究具有重大意义。提出了适用于内陆城市河网水体的改进QAA算法,以获取水体固有光学量,改进包括后向散射估计模型调整和参考波段优化两个方面;计算参考波段总吸收系数、颗粒物后向散射系数等固有光学量,得到浮游植物吸收系数和剔除纯水吸收系数;对浮游植物吸收系数最优波段比值与叶绿素a浓度进行线性回归分析,构建叶绿素a水质浓度反演模型,对剔除纯水吸收系数最优波段比值与悬浮物浓度线性回归分析,构建悬浮物水质浓度反演模型。针对内陆河网Ⅱ类水体,以典型的河网城市嘉兴市为研究区域,获取了研究区域航空高光谱数据,以及水质采样化验数据和水面以上光谱数据等地面准同步测量数据;利用QAA算法和IIMIW算法对实测水面以上光谱进行固有光学量反演,对比分析两个算法并结合城市河网水体特点,提出改进QAA算法;利用改进的QAA算法实现了研究区域水体的固有光学量反演,基于反演的水体固有光学量建立了叶绿素a浓度和悬浮物浓度两项水色参数定量反演模型,反演模型决定系数R2分别为0.64和0.71;并用航空高光谱数据同步区域的4个地面样点实测数据,对反演结果进行验证分析。通过水质参数浓度反演值与实测值的对比,叶绿素a和悬浮物水质浓度反演的平均相对误差分别为9.2%和9.4%,反演得到的叶绿素a和悬浮物浓度分布图,也与城市河网的特点和实际情况相符,为城市河网水质监测提供方法和模型参考。     

AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管中二维电子气的极化光学声子散射

Al Ga N/Ga N界面处的二维电子气迁移率是描述高电子迁移率晶体管特性的一个重要参数,极化光学声子散射是高温时限制二维电子气迁移率的主要散射机制.本文对极化光学声子散射进行计算,结果表明在二维电子气浓度为6×10~(11)—1×10~(13) cm~(–2),温度为200—400 K范围内,极化光学声子散射因素决定的迁移率随温度的变化近似为μPO=AT-α(α=3.5);由于Ga N中光学声子能量较大,吸收声子对迁移率的影响远大于发射声子的影响.进一步讨论了极化光学声子散射因素决定的迁移率随光学声子能量变化的趋势,表明增加极化光学声子能量可提高二维电子气的室温迁移率.     

基于双向反射分布函数的空间卫星紫外动态特性研究

根据目标所处的背景辐射环境,对空间卫星的紫外散射特性进行建模方法研究。依据目标表面材料属性与表面状况对目标表面进行区域分解与网格划分。基于辐射理论引入双向反射分布函数模型来描述目标表面网格单元的光散射特性,将目标各个表面所有网格单元散射分量叠加建立了目标紫外散射特性的数学模型。利用给定的目标几何结构尺寸和物性参数仿真获得了目标在轨动态光学特性。在某一观测角度下太阳帆板在探测光学系统入瞳产生的辐照度值与卫星本体接近,最大量级为10-11W/m2。仿真结果表明太阳帆板在目标特性分析时不可忽略。     

与散射相函数相关的光源附近微区漫反射

采用Monte Carlo法研究散射相函数对光源附近微区内的漫反射光的影响,分析一个半经验的漫反射解析模型与相函数相关的光学参量之间的关系.研究表明,来自光源附近微区的散射光对散射相函数的变化非常敏感,敏感程度随收集孔径φ的增大而逐渐减弱.当φ1.8mm时,散射相函数对漫反射率的影响不明显,反射率的相对变化小于1%;当φ1.8mm时,散射相函数对漫反射率的影响高达15.2%.用各向异性因子g和二阶光学参量γ表征单粒子散射特性时,散射特性的差异反应在三阶参量δ上.漫反射率随δ的增加而减小,并且δ对漫反射率的影响达到9%.     

随机取向六角形冰晶粒子的散射特性研究

利用离散偶极子近似方法研究卷云中随机取向六角形冰晶粒子的取向比对散射特性的影响,数值计算了在小尺度范围内随机取向六角形冰晶粒子的散射特征量,包括散射相函数、消光效率因子、不对称因子、单次散射反照率和线偏振度。研究表明:取向比对随机取向六角形冰晶粒子散射特征量的影响比较明显,并且此影响随着粒子尺度参数的变化而变化,与入射波长无关;相同尺度参量和不同取向比粒子的散射相函数的角分布曲线均有一个交点,并且随着粒子尺度参量的增加,交点所对应的散射角度值逐渐向小角度方向移动。此研究结果为气溶胶粒形检测和识别提供了理论依据。     

基于BRDF的光学表面疵病散射特性的仿真研究

为了研究精密光学元件表面微弱疵病的散射特性,基于矢量散射理论和双向反射分布函数,建立了光学表面微弱疵病的散射理论模型。通过仿真计算了双向反射分布函数随散射角的变化情况,分析了入射角度、入射光波长以及疵病自身尺寸等因素对疵病散射光特性的影响。基于仿真数据分析,针对光源参数对散射特性的影响进行仿真分析,为使用暗场成像法进行精密表面疵病检测的系统参数选择提供理论参考,疵病检测入射角范围为30°～50°最佳;在可见光范围内时,380～500 nm的波长范围更有利于疵病检测。另外还通过研究疵病尺寸发生改变时散射场变化的规律,为分辨疵病的形状大小等信息提供了参考依据。     

取向比对圆柱状冰晶粒子光散射特性的影响

利用T矩阵方法研究卷云中圆柱状粒子取向比对散射特性的影响,计算了在小尺度范围内圆柱状冰晶粒子的散射特征量如散射相函数、消光效率因子、不对称因子及单次散射反照率,并将计算结果与等表面积、等体积及等效体积与投影面积比三种情况下的球形粒子的相应值进行了对比.结果表明:体积与投影面积比等效最接近真实值;取向比对不同尺度柱状粒子散射特性的影响存在相似性且有必要加以考虑;此外,发现等表面积、不同取向比粒子的散射相函数有一交点.