随机取向椭球粒子的吸收特性

用Ｔ矩阵方法计算了折射率虚部的范围在０．００１至０．１的几种椭球粒子随机取向时在几种等效尺度参数下的光散射与吸收特性，并与等效的球形粒子的光散射结果进行了比较。分析结果表明：椭球粒子的吸收特性与等效的球形粒子的吸收特性存在着差别，这种差别随粒子的形状、尺度和折射率而改变，考虑到目前气溶胶粒子复折射率虚部的测量精度，以等效的球体粒子处理非球形粒子的吸收不会带来显著的误差。     

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。     

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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。     

基于蒙特卡罗法研究海水中矿物质的光传输特性

为了研究多次散射效应下偏振光在含矿物质粒子海水中的传输特性,建立了一种基于蒙特卡罗法的矢量辐射传输模型.验证了模型准确性,并利用该模型研究了矿物质粒子复折射率、粒子群平均半径和入射光偏振状态对传输特性的影响.模拟仿真结果表明,不同类型矿物质粒子中,较小复折射率实部的粒子,传输特性对复折射率实部变化的敏感性较大;较大复折射率实部的粒子,传输特性对复折射率实部变化敏感性较小.粒子复折射率的虚部是影响光波传输特性的另一重要因素,粒子的吸收性越大,其传输效果越差.随着海水矿物质粒子群平均半径变大,光波透射率降低,反射率增大.圆偏振光与自然光在含矿物质粒子海水中的传输特性相对接近,在海水中,透射率最高的是垂直偏振光,最差的是圆偏振光;反射率最大的是自然光,最小的是水平偏振光.其中水平偏振光传输特性受入射光入射角影响较大.     

大气气溶胶中NO3ˉ的光学特性研究

利用傅里叶变换红外光谱技术分析比较了大气气溶胶和NH4NO3的红外光谱,结果显示大气气溶胶和NH4NO3中的NO3-的红外光谱特征基本保持一致。通过NH4NO3中NO3-的透过率的大小计算出了NO3-的吸收系数α和质量吸收截面κ,利用所得吸收系数进一步求出了其复折射率的虚部,经过K-K(Kramers-Kroning)关系的转换,求得其复折射率的实部,实验结果对分析大气气溶胶中各化学组分的散射和吸收效应有着极其重要的意义。     

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.     

利用DDA方法计算大气气溶胶粒子光学特性

大气气溶胶是大气的重要组成部分,其光学特性是研究大气辐射传输特性的重要参量。本文基于DDA方法,对不同形状气溶胶粒子的光学特性进行计算,得到气溶胶粒子的消光因子、吸收因子随波长变化的数值结果。结合Muller散射矩阵,给出了气溶胶粒子散射强度和极化度的角分布,为研究大气辐射传输提供了有效的方法。     

傅里叶变换红外光谱对枯草芽孢杆菌的光学特性研究

使用傅里叶变换红外光谱(FTIR)技术,测量了两种不同浓度的枯草芽孢杆菌的红外透过率谱,根据朗伯-比尔定律计算出它们的质量消光截面,通过算出复折射率的虚部,再使用KK(Kramers-Kronig)关系,导出复折射率的实部,并对实验结果作了分析和讨论。通过研究枯草芽孢杆菌复折射率的测量和分析方法,对于进一步研究生物气溶胶的吸收和散射特性、拓宽生物气溶胶的测量和遥测技术方法,具有重要的意义。     

气溶胶激光散射信号的特征分析

本文应用Mie散射理论对微球体粒子光散射的性质进行了理论分析与数值计算,得出了散射光分布与微球体尺度参数、复折射率之间的关系。结果表明:不同尺度参数的粒子的散射光强的分布相差极大,随着尺度参数的增加散射光强越来越集中于前向;复折射率的变化对散射光强影响不大。并且在边界层大陆乡村型霾的气溶胶模型下对大气气溶胶的体角散射系数进行了分析与数值计算,得出:气溶胶粒子的散射光强主要分布在前向,并且随着散射角的增加有规律的减小。由此提出了利用气溶胶粒子体散射系数的性质,通过测量散射点前向散射光强和延迟时间来实现激光束的近轴定位的方法。     

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.     

外混合气溶胶粒子光散射的等效性

以两种典型的气溶胶粒子组成的单分散和多分散处理混合气溶胶粒子系统的光散射的各效率因子，各散射截面和散射相函数分析了以等效折射率描述由具有不同折射率的各种粒子组成的混合气溶胶粒子系统的适用性，结果表明，对单分散系统，本不同的混合比下对于许多尺度参数吸收效率因子和散射相函数的等效性很差，对多分散系统，在不同的混合比下等效性较稳定但各散射光学量的余差很大，因而对多分散系外混合气溶胶粒子系统如使用等效折射     

内混合强吸收气溶胶粒子光散射的等效性

 以黑碳和水两种成分组成的内混合单分散气溶胶粒子为例，根据其各消光效率因子、吸收效率因子和散射相函数，分析了用等效折射率来描述含有不同成分的内混合气溶胶系统的适用性。结果表明：在瑞利散射区和几何光学区内，内核（碳粒）体积比为0.01,0.1,0.5,0.9时，消光效率在大多数尺度参数下等效性都很好，但在米散射区内相对较差；当体积比大于0.3时，其吸收效率、消光效率等效性较好；除瑞利散射区外，散射相函数在各体积比下的等效性都很差。当考虑内混合气溶胶粒子系统的散射和吸收特性时，一般不难找到等效折射率，但在光散射技术中，应用相函数反演等效折射率的可靠性还有待商榷。     

雷达波段内磁性吸波颗粒光散射特性分析

针对目前在微波雷达隐身技术中广泛运用的吸波材料颗粒,根据米氏(Mie)散射理论对磁性吸波颗粒在雷达波段内的光散射特性进行了数值模拟和计算分析.在Mie系数中引入磁导率变量,分别计算了磁导率、折射率及颗粒粒径等参数对吸波颗粒光散射特性的影响;同时对比分析了磁性与非磁性吸波颗粒的散射光强、散射系数、吸收系数等散射特性规律.数值计算结果表明,颗粒磁特性的变化对其散射性能造成影响,磁导率的增大将使颗粒的吸收性能增强而后向散射强度减弱,有利于吸波颗粒雷达散射截面的减小,同时磁导率变化对颗粒散射特性的影响受到复折射率的制约.     

Limitations on retrieval of complex refractive index of spherical particles from scattering measurements

On the base of a lookup table approach we performed sensitivity tests of dual-polarization polar nephelometer (D2PN) data to optical and microphysical parameters of ensembles of spherical particles. Measurement errors were modeled as Gaussian random variables. It is shown that D2PN data enable to retrieve some microphysical parameters (depending on the case) along with the assessment of the complex refractive index. In the case of the low absorbing particles, measurement errors substantially reduce the sensitivity to the imaginary part of the refractive index and only the range of the imaginary part can be estimated, whereas the real part of the refractive index and the microphysical parameters can be retrieved. When the absorption of spherical particles is moderate, i.e., 10⁻⁴?χ?0.5, the real n and imaginary χ parts of the refractive index can be deduced along with the microphysical parameters. In the case when the absorption of spherical particles is high, only the microphysical characteristics and the imaginary part can be retrieved. These limitations on retrieval should be valid for data of other instruments measuring the same magnitudes as D2PN with the same errors, at least for aerosols made of spherical particles.     

球形雾霾粒子的紫外光散射偏振特性研究

在我国经济社会快速发展的同时,雾霾天气成为了突出的环境问题,雾霾粒子的测量非常重要。偏振紫外光与大气雾霾粒子发生散射后,散射光偏振状态(Stokes矢量以及偏振度)的改变能反映雾霾粒子的相关物理特性(粒径、复杂折射率等)。基于Mie散射理论建立了紫外光雾霾球形粒子直视和非直视单次散射模型,研究了单个球形粒子和链状结构球形粒子物理特性的改变对散射光偏振状态的影响,并用蒙特卡洛仿真分析已知粒径分布的雾霾粒子浓度对散射光偏振状态的影响。结果表明：针对单个球形粒子,随着粒子粒径的增大Stokes矢量中散射光光强(I_s)随之增强,粒子复折射率虚部为先增大后较小,偏振度也是在不断增大,且复折射率虚部较小时,偏振度增加趋势快;对于粒径分布不变的雾霾粒子,随着粒子的浓度增加,雾霾粒子的散射系数、消光系数和吸收系数均呈线性增加,但是I_s先增大后减小。针对链状球形粒子,随着粒子个数的增加,I_s均呈现增大的趋势,且偏振度可用于区分链状球形粒子是否由相同球形粒子组成; 相同球形粒子组成链状结构中,I_s随着粒子数量的增加而线性增大,偏振度不改变;不同球形粒子组成的链状结构,I_s以及偏振度的变化趋势可以区分粒子物理特性。     

Transmission of radiation through an aerosol medium

The properties of radiation through an aerosol medium have been achieved. This has been done by employing Mie scattering theory to calculate the radiation transfer scattering parameters in the form of extinction, absorption and scattering efficiencies. The equation of radiative transfer for the heat flux through a plane parallel atmosphere of aerosol has been solved. The aerosol size distributions are found in practical systems. Average efficiencies over size distribution for spherical particles of complex refractive index are calculated. Therefore, the radiative properties of stratospheric aerosols have been done. The obtained results found to be in a good agreement with the previous work.     

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。     

Aerosol light absorption and its measurement: A review

Light absorption by aerosols contributes to solar radiative forcing through absorption of solar radiation and heating of the absorbing aerosol layer. Besides the direct radiative effect, the heating can evaporate clouds and change the atmospheric dynamics. Aerosol light absorption in the atmosphere is dominated by black carbon (BC) with additional, significant contributions from the still poorly understood brown carbon and from mineral dust. Sources of these absorbing aerosols include biomass burning and other combustion processes and dust entrainment.For particles much smaller than the wavelength of incident light, absorption is proportional to the particle volume and mass. Absorption can be calculated with Mie theory for spherical particles and with more complicated numerical methods for other particle shapes.The quantitative measurement of aerosol light absorption is still a challenge. Simple, commonly used filter measurements are prone to measurement artifacts due to particle concentration and modification of particle and filter morphology upon particle deposition, optical interaction of deposited particles and filter medium, and poor angular integration of light scattered by deposited particles. In situ methods measure particle absorption with the particles in their natural suspended state and therefore are not prone to effects related to particle deposition and concentration on filters. Photoacoustic and refractive index-based measurements rely on the heating of particles during light absorption, which, for power-modulated light sources, causes an acoustic signal and modulation of the refractive index in the air surrounding the particles that can be quantified with a microphone and an interferometer, respectively. These methods may suffer from some interference due to light-induced particle evaporation. Laser-induced incandescence also monitors particle heating upon absorption, but heats absorbing particles to much higher temperatures to quantify BC mass from the thermal radiation emitted by the heated particles. Extinction-minus-scattering techniques have limited sensitivity for measuring aerosol light absorption unless the very long absorption paths of cavity ring-down techniques are used. Systematic errors can be dominated by truncation errors in the scattering measurement for large particles or by subtraction errors for high single scattering albedo particles. Remote sensing techniques are essential for global monitoring of aerosol light absorption. While local column-integrated measurements of aerosol light absorption with sun and sky radiometers are routinely done, global satellite measurements are so far largely limited to determining a semi-quantitative UV absorption index.