非视线紫外通信大气传输特性的蒙特卡罗模拟

基于蒙特卡罗方法建立了紫外光非视线传输多次散射模型,利用单次散射近似法和实验方法验证了模型的有效性,并利用该模型完成了非视线紫外光通信大气传输特性的模拟.模拟时光波长取紫外光通信的最佳工作波段(250 nm附近),分析了不同传输距离下能见度、风、雨、雾等参量对系统能量透射比的影响.结果指出,系统能量透射比随传输距离增大而剧烈减小,在天气较差传输条件下能量衰减得更快;风力大小的变化对通信系统影响不大.较近距离通信传输时(一两百米),通信系统受天气条件的影响较小.     

非视线紫外光信号传输时间特性的数值模拟

在研究紫外光学非视线通信技术中,需要深入了解由于紫外大气散射效应所带来的各种信号畸变.传统的单次散射近似方法在进行较远距离、复杂天气条件下非视线光传输模拟时误差很大,采用基于Monte Carlo(MC)方法改进算法进行非视线紫外光信号传输的数值模拟,通过随机抽样的方法模拟光子在大气系统中的随机游动,在光子被大气中的粒子散射时计算其进入探测器的概率,模拟大气系统的脉冲响应函数.模拟结果表明:采用光子散射探测概率方法改进后的MC模型在模拟非视线光信号传输时计算效率显著提高;大气系统对非视线传输时的紫外光脉冲具有很强的展宽效应;随着光信号传输距离的增大,信号强度呈近似指数衰减的趋势.     

激光在云雾中传输的消光特性（英文）

研究了大气分子和云雾粒子对入射激光的吸收与散射效应.采用Kruse模型、单次散射近似法和蒙特卡洛法计算了谱分布参量不同的三种云雾对0.86μm波长激光的消光特性,结果表明:能见度小于0.5km时,Kruse模型不再适用于云雾消光系数的计算;能见度相同时,消光系数的单次散射近似结果大于蒙特卡洛的仿真结果,导致传输距离相同时,云雾对0.86μm波长激光透过率的单次散射近似结果小于蒙特卡洛的仿真结果;同一能见度下谱分布参量不同的三种云雾,消光特性的差别较小,云雾粒子尺度分布对消光特性的影响不明显.     

大气信道简化单次散射模型

采用椭球坐标系研究非直视日盲紫外光通信的单次散射模型,求解过程中要对有效散射体的体积进行复杂的数值积分并确定三组积分限。为便于分析,使用近似表达式极大简化了复杂单次散射信道模型,得出路径损耗是收发机几何结构与大气散射吸收系数的函数。对传输距离和路径损耗的仿真证明,该近似表达式与原始模型的所得结果吻合很好。利用该近似表达式,分别仿真分析了大气能见度对紫外光通信系统路径损耗和误码率的影响,仿真结果表明,大气能见度并不是越高越好,而是在能见度为10 km时紫外光通信系统有最佳性能。     

基于多次散射和小散射角近似的水下激光传播特性

以辐射传输方程为基础,借助小角度近似条件,利用多次散射递归的逐级逼近来描述水体散射过程,推导得出水下辐射照度以及衰减系数的计算关系.着重讨论了激光在海水中的衰减特性,结果表明随着光学厚度的增加,各次散射光先增大后减小,相对辐射照度基本呈指数衰减,衰减趋势随单次散射反照率或者不对称因子的增大有所减缓.与蒙特卡罗方法模拟的结果进行比较,小散射角条件下多次散射近似方法的计算准确度优于单次散射近似,可以作为分析水下激光传播特性的参考依据.     

沙尘天气下激光信号的传输特性

以小角度近似为条件,利用逐级递归的方法推导了激光信号在沙尘天气下的辐射传输方程,得到了多次散射下的光强分布函数,以及波长和不对称因子对光强的影响。同时,通过比较不同散射相位函数及沙尘粒子的散射特性,采用了修正的TTHG(Two Term Henyey-Greenstein)散射相位函数,更加全面地反映了沙粒散射后光强的变化规律。研究结果表明,随着光学厚度的增加,散射光强呈现出先增大后减小的趋势,且多次散射的比重相比于单次散射而言逐渐增大。当散射次数超过3次以上时,接收光强的变化可以忽略不计。相对于Mie理论下的结果而言,采用小角度近似理论,从辐射传输的角度分析沙粒的散射特性误差更小,实现了准确描述沙尘天气下激光信号传输特性的目的。     

“日盲”紫外光通信网络中节点覆盖范围研究

Ad Hoc网络技术可以大大扩展紫外光散射通信的有效范围,对通信节点覆盖范围模型的研究非常重要;针对"日盲"波段(200～280nm)紫外光通信的特点及Ad Hoc网络中固有的一些特性,研究了非视距(non-line-of-sight)紫外光散射通信的三种通信方式,分析了单次散射信道中大气传输衰减,有效散射体体积,接收功率;根据单次散射数学信道模型中收发仰角的不同,得到三种不同的通信模型,并在此基础上建立了"日盲"紫外光通信网络中节点覆盖范围模型,并分析计算了三种通信方式下节点通信距离和覆盖范围;给出了紫外光散射通信网络中不同通信方式下通信节点覆盖范围的具体公式和计算方法。     

非直视紫外光通信单次散射传输模型研究

依据Lambert定律建立了非直视紫外光通信系统单次散射传输模型。模型表明:大气传输中的两次斜向传输引入的大气透射比衰减,大气散射衰减和距离平方反比衰减是导致接收光功率随距离增加迅速衰减的主要因素。为便于实际计算,对建立的散射传输模型做了合理的计算简化,经实验验证简化后的传输模型计算结果与实验结果吻合较好。利用简化后的传输模型可以方便有效地计算出非直视紫外光通信接收机在不同距离下的接收功率和路径传输损耗,进而可以迅速、有效地计算和评估已知参数的非直视紫外光通信系统的极限工作距离。     

紫外光通信中基于大气散射理论的传输模型

在研究单次散射模型的基础上, 针对单次散射模型不能对天气变化对紫外光信号造成的影响做出模拟的不足, 结合大气散射理论构建了紫外光传输的二次散射模型。研究了瑞利散射和米氏(Mie)散射在四种典型天气条件下的散射相函数, 仿真得出了紫外光被大气中的粒子散射后的能量分布情况, 将其引入二次散射模型, 并确定了各种天气条件下的散射粒子浓度后对紫外光通信系统做出性能仿真。计算结果表明, 二次散射模型可以仿真不同的天气条件下的紫外光通信系统的性能, 从仿真结果上验证了非直视通信的可实现性。并得出, 在雨、雾天气下, 紫外光信号衰减剧烈, 接收仰角不可过大; 在天气晴好时, 能更好的实现紫外光非直视通信, 接收仰角可达到180°。长距离通信时, 天气状况变化对通信性能影响更大。     

紫外光非视距单次散射链路模型的研究

为了详尽而深刻地研究紫外光在大气中的非视距散射传输机制,以数学中的椭球坐标系为基础,分析了紫外光非视距单次散射链路模型中光子从发射端到接收端经历的散射过程及其间光子能量的变化;着重研究了与紫外光非视距散射通信密切相关的有效散射体的体积分,并对决定体积分的三组积分限进行了重点分析与计算,得到了各组积分限准确的取值公式。研究结果对紫外光的通信机制与接收能量给予了完整的分析与准确的定量,为将来实现紫外光通信的组网和进一步研究紫外光通信打下了坚实的基础。     

天气对光散射传输影响的仿真分析

天气对光散射传输影响分析具有很好的实践指导意义。目前均用单次散射模型研究非视线光传输信道特性,但该方法在天气条件差或者传输距离较远时误差很大。利用蒙特卡罗方法进行了基于多次散射的非视线光传输模拟,对多种天气条件下(晴、阴、雨和雾等)不同距离光散射传输进行仿真。结果表明,中远距离散射传输时,大气衰减起主导作用,信号传输质量由晴、阴、雨、雾依次降低;近距离散射传输时,受到大气衰减和散射的共同作用,天气对光散射传输的影响较小。因此,大气光散射传输技术可作为短距离条件下实现全天候通信的一种新方式。     

Multipath dispersion of pulse signals in a non-line-of-sight optical scattering channel

Multipath-induced pulse broadening in a non-line-of-sight (NLOS) optical scattering channel is investigated. Expressions for impulse response and digital signal-to-noise ratio (DSNR) penalty induced by inter-symbol interference (ISI) of a NLOS ultraviolet (UV) scattering communication are introduced based ona single-scattering model, and simulated results for some typical atmospheric condition and configurationof geometry are given in the paper. It is shown that the multipath dispersion is one of the most importantfactors limiting the system performances, and return-to-zero (RZ) format is more suitable for the opticalscattering communications than non-return-to-zero (NRZ) format. The method proposed here can be usedto predict available bandwidth and data rate of the communication system operating in a NLOS opticalscattering channel.     

基于组合拟合法的冰晶粒子的光散射计算

利用组合拟合法计算了冰晶粒子的单次散射特性。给出了消光效率因子、单次散射反照度及非对称因子的拟合公式,利用拟合公式对有效粒子尺度为20μm和120μm的六种冰晶粒子的消光效率因子、单次散射反照度及非对称因子进行了计算。结果表明,粒子的消光效率因子、单次散射反照率和非对称因子随着入射波长的增加有着较大的起伏,后两者随着波长的增加而变化趋势基本一致;对于单次散射反照率来说,在可见光波段,反照率非常接近于1;在短波段,粒子的非对称因子变化较小,并且随着波长的增加,非对称因子会逐渐增大。     

Evaluation of Influence of Multiple Scattering Effect in Light-Scattering-Based Applications

The extinction cross sections of a system containing two particles are calculated by the T-matrix method, and the results are compared with those of two single particles with single-scattering approximation. The necessity of the correction of the refractive indices of water and polystyrene for different incident wavelengths is particularly addressed in the calculation. By this means, the volume fractions allowed for certain accuracy requirements of single-scattering approximation in the light scattering experiment can be evaluated. The volume fractions calculated with corrected refractive indices are compared with those obtained with fixed refractive indices which have been rather commonly used, showing that fixed refractive indices may cause significant error in evaluating multiple scattering effect. The results also give a simple criterion for selecting the incident wavelength and particle size to avoid the ＇blind zone＇ in the turbidity measurement, where the turbidity change is insensitive to aggregation of two particles.     

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基于Mie散射理论和方法,研究了航天器尾喷焰等离子体中Al2O3粒子的光学散射特性,分析了复折射率对单个Al2O3粒子消光效率因子、散射效率因子、吸收效率因子、散射相函数以及单次反照率的影响。同时,基于多分散系粒子尺度单峰分布,分析了Al2O3粒子按粒径分布后散射场的有关效应因子及散射相函数的变化,并进行了相应的数值模拟。理论和数值模拟研究表明,航天器尾喷焰等离子体Al2O3粒子复折射率的虚部和实部、粒径的大小与分布对其散射相函数、消光和散射效率因子以及单次反照率均有明显的影响。     

Small-angle light scattering from polymer-dispersed liquid-crystal films

A method is developed for modeling and computing the angular distribution of light scattered forward from a single-layer polymer-dispersed liquid-crystal (PDLC) film. The method is based on effective-medium approximation, anomalous diffraction approximation, and far-field single-scattering approximation. The angular distribution of forward-scattered light is analyzed for PDLC films with droplet size larger than the optical wavelength. The method can be used to study field-and temperature-induced phase transitions in LC droplets with cylindrical symmetry by measuring polarized scattered light intensity.     

Calculation of Transfer Functions of Multilayer Biotissues in the Problems of Correction of Their Fluorescence Spectra

A method for rapid calculation of a flux of stimulated fluorescence of a multilayer optically dense medium with inhomogeneous distribution of the fluorophore has been developed. The light field in the medium at the excitation wavelength of fluorescence is represented by a superposition of incident collimated, incident diffuse, and reflected diffuse fluxes. A two-stream approximation is used to describe the light field in the medium at the wavelength of emission of the fluorescence. Fluxes in adjacent elementary layers of the medium and on its surface are connected by simple matrix operators that are obtained using a combination of engineering approaches of radiation-transfer theory and single-scattering approximation. The calculations of fluorescence fluxes of a four-layer biotissue that are excited and recorded at 400–800 nm are compared with their Monte Carlo simulation with a discrepancy of 1%. The effect of the propagation medium on the fluorescence spectra of 5-ALA-induced protoporphyrin IX that are recorded from human skin was studied, and a technique for their correction that is based on measurements and quantitative analysis of the diffuse reflectance spectrum of skin was proposed.     

严格电磁场波导方法的三维厚胶光刻工艺仿真（英文）北大核心CSCD

无论是在微机电系统(MEMS)还是集成电路(IC)领域,SU-8厚胶光刻已经成为制造高深宽比结构的主流工艺。为了取代昂贵而耗时的光刻实验,一套能够良好预测显影形貌,从而为优化光刻制造提供有效帮助的光刻仿真软件就成为必要而有价值的工具。基于严格电磁场波导法的理论,给出一种针对SU-8光刻胶在紫外光下的三维光刻仿真模型。利用该模型,能很好地预测显影后的光刻胶内光强分布和立体形貌。并完成了一系列仿真和实验结果来验证模型的有效性。仿真结果给出横截面光强分布图和显影立体形貌模拟图形,并与相应的实验结果进行对照。结果验证了本文提出的仿真模型的正确性,并且表明三维混合模型在保证精确性的前提下,较之其他仿真算法运算速度更快。