分形结构对随机取向烟尘团簇粒子光散射特性的影响

利用蒙特卡罗方法对不同分形维数和分形前向因子的随机取向烟尘团簇粒子的分形结构进行了仿真,采用离散偶极子近似（DDA）方法对随机取向烟尘团簇粒子的缪勒矩阵元进行了数值计算,并与球形粒子模型进行了比较,深入探讨了烟尘团簇粒子的分形维数和分形前因子对其散射特性的影响。研究表明,等效球形粒子的光散射特性与随机取向烟尘团簇粒子的光散射特性存在很大差别,并且此差别随着团簇粒子的分形维数以及分形前向因子的增大而减小;分形维数对表征团簇粒子散射特性的缪勒矩阵元的影响在一定散射角范围内均比较明显,分形前向因子对团簇粒子的缪勒矩阵元角分布的影响与分形维数的影响类似,不过其影响相对分形维数较弱。     

水中气泡上的体散射函数的模拟与计算

基于几何光学的基本原理,推导出一种可以计算水中大尺度气泡上光散射角度与强度的关系式。推导中避免引入衰减因子G,较Davis模型更为简单。该模型可应用于光在水中单个气泡上散射的数值计算。最后,模拟计算了平行光束入射水中气泡的体散射函数曲线,发现水中气泡的前向散射远大于后向散射;当气泡半径在远大于光波波长的前提下变化时,气泡上散射光强分布规律与气泡半径无关;而介质相对折射率的增大会削弱前向散射而增强后向散射光强。     

基于Mie散射理论的C@H_2O复合粒子散射特性研究

大气中大量存在的复合粒子会对激光传输效率产生很大影响。由于空气中水蒸气含量较高,以C作为凝结核外层包裹以水的核壳结构微粒对光传输具有明显的散射效应。本文应用Mie散射理论对C@H_2O核壳结构微粒的散射特性进行了理论分析和数值计算,首先给出了不同入射波长、核粒子半径以及水膜厚度条件下散射强度分布变化曲线;其次给出了不同入射波长、核粒子半径以及水膜厚度条件下偏振变化情况;最后讨论了光学截面与粒子半径之间的关系。结果表明各参数对前向散射强度影响较大,入射波长越大散射强度越弱,C核半径增大粒子的前向散射增强,水膜厚度增大粒子的前向散射增强,而后向散射无明显影响;入射波长较大时,粒子在多个角度出现线偏振光,入射波长增大、碳核半径变大、水膜厚度增大,偏振度峰值都会增多;随着入射波长的增大,散射截面最大峰值位置向着半径增大的方向移动,并伴随一定的振荡现象,散射和消光截面在碳核半径为0.1μm左右达到最大值。     

基于Mie散射理论的铌酸锂晶粒散射特性

基于Mie散射理论,对铌酸锂晶粒光散射特性进行了理论分析与数值计算,得到了散射强度分布、偏振度与散射角、散射强度与粒子尺寸参数,以及光学截面与粒子半径的关系。研究表明:前向散射占优势,并随粒子半径的增大而增强;当粒子半径为0.1 μm 左右,散射截面和吸收截面达到最大值。     

测量单泡声致发光中气泡R(t)曲线的前向Mie散射技术

光干涉原理和Mie理论计算结果表明,单泡声致发光中气泡前向Mie散射的振荡信号,主要是由于气泡的透射光束和表面反射光束之间光干涉产生的. 这些干涉波峰形成了测量气泡半径的空间标尺,标尺的单位长度δR由散射角θ,检测光波波长和流体光折射率确定,而每个波峰就是标尺的刻线,它们与该时刻的气泡半径大小一一对应. 在30°—50°散射角范围内,利用前向Mie散射实验测定了单泡声致发光中气泡的最大半径,R(t)曲线及平衡半径,表明前向Mie散射是一种便捷的测定气泡运动特性的有效方法. 关键词： 单泡声致发光 前向Mie散射 光干涉     

基于CMOS探测模拟气泡幕前向光散射动态特性

提出了基于CMOS图像传感器探测前向激光近轴的散射横面角和散射纵面角的概念.使用CMOS采集了模拟气泡幕前向散射光动态图像序列,通过计算每帧灰度图像行和列像元均值将其可以用一个列向量和行向量表示,从而图像序列可以用一个图像序列矩阵描述.实验模拟了压强0.005MPa和0.01 MPa产生的气泡幕,通过计算两种压强产生的气泡幕前向光散射图像序列的横向灰度均值和纵向灰度均值,定性分析了100帧图像序列的灰度分布和演化特点,并定量分析了5帧连续图像的动态变化范围和相关性.分析CMOS探测气泡幕前向散射光动态图像序列实验结果表明,随着压强增大,产生气泡幕尺度增大、密度增加、上升速度加快,导致图像序列横向和纵向散射光灰度变化范围增加,并且相邻图像帧之间变化波动幅度增大.     

测量单泡声致发光中气泡R(t)曲线的前向Mie散射技术

光干涉原理和Mie理论计算结果表明,单泡声致发光中气泡前向Mie散射的振荡信号,主要是由于气泡的透射光束和表面反射光束之间光干涉产生的.这些干涉波峰形成了测量气泡半径的空间标尺,标尺的单位长度δR由散射角θ,检测光波波长和流体光折射率确定,而每个波峰就是标尺的刻线,它们与该时刻的气泡半径大小一一对应.在30°-50°散射角范围内,利用前向Mie散射实验测定了单泡声致发光中气泡的最大半径,R(t)曲线及平衡半径,表明前向Mie散射是一种便捷的测定气泡运动特性的有效方法.     

含气泡液体中气泡振动的研究

研究了含气泡液体中单个气泡在驱动声场一定情况下的振动过程. 让每次驱动声场作用的时间特别短, 使气泡半径发生微小变化后再将其变化反馈到气泡群对驱动声场的散射作用中去, 从而可以得到某单个气泡周围受气泡散射影响后的声场, 接着再让气泡在该声场作用下做短时振动, 如此反复. 通过这样的方法, 研究了液体中单个气泡的振动情况并对其半径变化进行了数值模拟, 结果发现, 在液体中含有大量气泡的情况下, 某单个气泡的振动过程明显区别于液体中只有一个气泡的情况. 由于大量气泡和驱动声场的相互作用, 使气泡半径的变化存在多种不同的振动情况, 在不同的气泡大小和含量的情况下, 半径变化过程分别表现为: 在平衡位置附近振荡的过程; 周期性的空化过程; 一次空化过程后保持某一大小振荡的过程; 增长后维持某一大小振荡的过程等. 所以, 对于含气泡液体中气泡振动的研究, 在驱动声场一定的情况下, 必须考虑气泡含量的因素. 关键词： 含气泡液体 超声空化 散射 数值模拟     

基于几何光学的泡沫滴/水滴光散射计算模型

为深入研究舰船泡沫 水两用幕的光衰减机理,建立了基于几何光学的泡沫滴/水滴光散射强度分布计算模型。利用该模型对液相折射率m2为1.20至1.50范围内、气泡相对半径r为0至0.99的球状泡沫滴和水滴、散射角为1至10内的光散射强度进行了数值计算。结果表明,泡沫滴/水滴对可见光具有强烈的散射作用,内的散射强度与入射光强度之比T随的增大而提高,最高可增加2个数量级;随m2的增大而降低,m2从1.30至1.40变化,T降幅最高达11.6%;随r的增加先下降而后提高,达到最低0和最高80.8%;T最低值对应的最优气泡半径ro随m2的降低和的增大而提高,从0.1最多增至0.4。该结论可为舰船泡沫 水两用幕技术的发展提供必要的理论基础。     

Mie理论递推公式计算散射相位函数

在激光雷达探测中,关于多次散射雷达回波的研究,散射相位函数是个非常重要的物理量。本文利用Mie理论的递推公式,对单一粒径介质的散射相位函数进行了计算,计算结果与散射理论中前、后向散射峰值大小随粒子半径的增大而增大相一致。同时,对非单一粒径介质的散射相位函数进行了计算,可用于大气、雾和云等气溶胶多次散射的研究。     

皮肤组织可见与近红外Mie散射光学特性分析

依据Mie单次散射理论, 并考虑到皮肤组织复折射率实部的色散, 分析了在可见与近红外波段皮肤组织对光的吸收、散射及散射的方向特性。研究表明, 散射系数和吸收系数均随皮肤组织中散射粒子半径的增加而增加, 而且, 对于大粒子, 在某一波长处表现出强烈的散射和吸收特性。当粒子半径大于临界半径时, 散射系数呈现振荡特性, 随着折射率虚部的增加, 振幅减小。皮肤组织呈现前向散射特性, 且散射粒子的半径越大, 前向散射特性越明显。     

水中气泡光散射动态特征及其与水粒光散射特征的对比研究

基于VirtualLab虚拟仿真软件建立了粒径在几十到几百微米内不同大小和形状的气泡模型。对其在平面光照射下的散射进行了仿真模拟,得到了气泡的前向、后向光散射特征分布,将结果与水粒的光散射特征进行比较分析,发现:同一气泡前向散射远大于后向散射,但两者拥有十分相近的变化趋势。光源和气泡大小影响气泡远场散射幅值的大小、振荡频率、角宽度及次极大与主极大的比值。气泡结构的对称性影响着气泡远场散射的对称性。气泡与水粒的远场散射特性既联系又区别。该研究的结果可以为气泡的分析检测提供了一定的理论依据。     

激光在水中气泡微粒的后向散射特性

从激光能量、目标位置、视场大小及气泡厚度等方面对气泡后向散射特性进行研究.采用实验方法研究脉冲激光气泡后向散射特性.实验结果表明,增大激光能量在一定程度上可以有效地改善气泡探测的效果,而气泡发生器位置和视场的合理选择使得气泡探测更容易些,气泡区域厚度的变化对气泡后向散射并没有明显的影响.该实验结论与蒙特卡洛数值模拟的结果一致.     

气泡线性振动时近海面气泡群的声散射

海洋中的不同成因的气泡群是常见的水下声学目标及声呐混响源,因此对水下气泡群进行声学建模意义重大。利用有效媒质理论描述气泡群内部的相速度及声衰减变化,并考虑到海洋中气泡群往往产生于不同界面附近,进一步利用球面波叠加原理描述海面对气泡群散射声波的再辐射,导出了平海面作用下气泡群声散射截面的一般表达式,建立了其声散射模型,研究了单一尺寸及混合尺寸气泡群的声学特性。数值分析表明,气泡群的谐振频率会随其半径或孔隙率增加而降低;由于海面的存在,气泡群声散射截面会随频率进行周期性变化,且随气泡群远离海面,这一变化逐渐加剧。此外,若气泡的黏滞阻尼项在全部阻尼项中占比较高,气泡群声散射强度会在谐振频率附近存在起伏振荡。该模型可为近海面鱼群、气泡羽流及海底泄漏的甲烷气体的声学建模提供一定的理论基础。     

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。     

偏振光大气传输的前向散射新模型

建立了偏振光空间传输前向散射的物理模型。对各向同性散射介质,在非相干性假设条件下,导出了偏振光双散射和多散射前向散射的有效Mueller矩阵,给出了偏振光Mie散射前向有效Mueller矩阵各矩阵元之间的对称性关系,即Mueller矩阵的16个矩阵元中只有7个是独立的,其他9个矩阵元通过组合及一定角度的旋转即可得到。利用Monte Carol方法模拟了偏振光在空间传输10km的前向散射的有效Mueller矩阵,模拟结果表明各矩阵元存在一定的对称性关系,与基于本模型导出的偏振光前向散射的有效Mueller矩阵元具有较好的一致性。     

舰船远程尾流的散射光能量分布特性

为探索光尾流的探测和自导模式,研究了舰船远程尾流中气泡群的散射光能量分布特性.根据米氏理论推导了舰船尾流气泡群的光散射能量分布函数的计算公式,基于此公式对干净的尾流气泡群和覆盖着两种典型有机膜的脏尾流气泡群的能量分布函数进行了数值计算,得到了它们的能量分布特性.计算和分析结果表明,气泡群的前向光散射能量远大于后向散射,前向散射能量占总散射能量的90%以上;散射能量分布函数在小于1°的前向小角度散射角范围内迅速增加到40%以上,然后随散射角的增加缓慢增加;气泡表面附着的有机膜会较显著的增强气泡群的后向散射能量.但由于后向散射能量占总散射能量的比例很小,有机膜对前向散射能量的减小幅度不大.     

碳纳米粒子悬浮液光限幅性能数值模拟

碳纳米粒子悬浮液具有良好的光限幅性质,是一种优良的宽波段光限幅材料。通过热传导方程和米氏散射理论建立了微气泡半径与入射光能量、碳纳米粒子悬浮液散射系数和透过率的理论模型。采用Matlab数值模拟了散射系数随微气泡尺寸因子的变化关系,碳纳米粒子悬浮液光限幅性能随入射光能量的变化规律。研究了气泡尺寸因子、入射激光能量以及波长对碳纳米粒子悬浮液光限幅特性的影响。研究发现当激光能量达到一定值时,微气泡的半径保持恒定,不再随入射激光能量的增加而增加。微气泡尺寸的增大对碳纳米粒子悬浮液的透过率有着显著的影响。同时,碳纳米粒子悬浮液对不同入射光波长和光能表现出不同的光限幅性能。研究结果为实验研究提供了理论指导。     

气泡浓度对海洋激光雷达后向散射特性的影响

对不同浓度气泡幕水下激光雷达的后向散射特性进行了理论分析和实验研究。实验结果表明：由于水中气泡群后向散射的原因,在水下激光雷达整体后向散射信号的回波曲线上,除了水体后向散射导致的信号峰以外,还出现因气泡散射而导致的散射峰,该散射峰叠加在水体的后向散射信号峰上,其位置与水中气泡幕的位置直接相关,而其幅值则受气泡幕的浓度影响。随着气泡幕浓度的增大,其后向散射峰幅值相应增大,这一点与理论分析结果一致,而回波峰值的变化趋势则主要受水体质量的影响。     

熔石英亚表面球形杂质对入射光场的调制作用EI北大核心CSCD

建立激光辐照下熔石英体内球形杂质引起元件损伤的模型。基于Mie理论计算杂质的散射系数,研究杂质颗粒附近的调制光场分布,分析光强增强因子(LIEF)与杂质折射率及半径的关系。结果显示,杂质颗粒半径小于40 nm时,所有类型杂质对光场的调制作用可以忽略;颗粒半径大于40 nm时,对于折射率小于熔石英的非耗散杂质,LIEF随颗粒半径的增大和折射率的减小而增大,且后向散射远强于前向散射;对于折射率大于熔石英的非耗散杂质,随着折射率和半径的增大,LIEF整体趋势增大,局部达到102量级。对于耗散杂质,前向散射强度随颗粒半径的增大先增大后减小,当颗粒半径大于170 nm时,后向散射强于前向散射。