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     

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.     

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.     

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.     

群体粒子散射光偏振特性的研究

在Mie散射理论的基础上分析了群体粒子散射的偏振特性,并用两种不同直径(0.26 μm,0.55 μm)的球形粒子作为散射介质进行了相关实验,比较了群体粒子散射光垂直与水平偏振光的偏振度.实验发现:散射光的偏振度随粒子直径的变化呈现出一定的规律性,直径大的粒子散射光在水平方向的偏振度小于直径小的粒子;而垂直方向的偏振度却完全相反,直径大的粒子大于直径小的粒子.     

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.     

一层随机非球形粒子高阶散射矢量辐射传输迭代解的参数求逆

根据一层随机非球形粒子矢量辐射传输(VRT)方程的一阶与高阶Mueller矩阵解的差异,提出了在已知一些参数的条件下,用水平与垂直同极化和交叉极化后向散射测量反演非球形粒子复介电常数和单位面积粒子数的迭代方法,并用极化后向散射强度的模拟测量数据及机载合成孔径雷达(Air SAR)实测数据进行了反演试验,并对反演值与各参数的关系以及测量噪声对反演的影响进行了讨论.     

大气中球形粒子的散射特性研究

从Mie理论出发，得到了不同尺度的球形粒子对激光的散射图像及粒子的消光效率曲线。从得到的散射图像可以看出，随着粒子尺度的逐渐增大，散射光强越来越集中到前向散射方向，并且散射光强集中的角度越来越窄。从消光效率曲线可以看出，随着粒子尺度的增加，消光效率因子变化趋于平缓，并逐渐趋向于常数2。最后分析了散射光的偏振度对粒子尺度和散射角的变化关系。从散射光的偏振度随粒子尺度变化图可以看出，粒子散射光的偏振度随粒子尺度的增大而增加，且变化比较明显，而散射光偏振度大小的峰值逐渐趋向于前向方向，随着粒子尺度的增大，散射光偏振度趋于减小。     

非球形火星沙尘粒子的光谱散射特性研究

针对复杂的火星大气环境,基于T-matrix理论,对三种非球形火星沙尘粒子的散射特性进行了研究,计算了服从对数正态分布的非球形火星沙尘粒子的散射特性,分别在有沙尘暴和无沙尘暴两种条件下,分析非球形火星沙尘粒子的传输衰减和透射率随粒子数浓度、波长以及高度的变化趋势,并与球形粒子进行对比。结果表明:非球形与球形粒子的消光效率因子和散射效率因子存在较大差异,两者之间的最大差值分别为1.786 8和1.761 9,而切比雪夫粒子的散射特性与球形粒子最接近;当入射波长为0.55μm时,火星上沙尘粒子群整体的散射主要集中在前向40°以内,且非球形与球形粒子在前向60°以内散射强度基本相等,大于60°时非球形的散射强度比球形粒子高;非球形火星沙尘粒子的传输衰减和透射率(随波长、粒子数浓度和高度)的变化趋势与球形的基本一致,且其尺寸的比值越接近于1,传输衰减和透射率越接近于球形粒子的值。     

平面反射镜表面散射光干涉

激光束照射到表面被粘污的反射镜上会产生干涉环,入射光束和反射光束在被粘污表面产生散射光干涉.随着入射角的变化,光束在反射镜玻璃片内光程改变,引起干涉环从中心冒出或缩进,干涉环级数的变化与入射角的平方成正比.     

Depolarization of multiply scattered light in transmission through a turbid medium with large particles

An approximate analytical method for solving the vector radiative transfer equation is proposed. The method is based on the assumption that single scattering of light by large-scale inhomogeneities occurs predominantly through small angles. The method is applied to calculate the polarization state of multiply scattered light. The results obtained are discussed for various turbid media.     

用蒙特卡罗方法计算光通过薄层随机分布粒子的散射

本文利用蒙特卡罗方法计算准直光束通过薄层随机分布粒子散射的透射和反射光强,并和输运理论的扩散近似结果做了比较。当散射接近各向同性时两者符合良好。当散射明显地成为各向异性时,蒙特卡罗方法的结果是合理的,而输运理论的扩散近似失效。     

微小颗粒的光散射数值模拟

简单介绍了以经典Mie理论为基础的光散射测量技术在颗粒直径和颗粒浓度测量中广泛的应用。分别以Mie理论和离散偶极子近似理论(DDA)为基础, 用数值计算方法分析了球型颗粒的光散射特性，给出了微小颗粒对平行入射光散射的强度函数和散射偏振度的数值计算方法。得到了强度函数和偏振度随相关物理参量变化的三维图，为微小颗粒散射研究提供了一种三维视图。计算结果表明：当尺度参量x＜4时，2种方法所得结果差异不大；随尺度参量增大，2种方法所得结果出现较大差异。与经典Mie理论相比，由于离散偶极子近似理论可以解决各种形状的颗粒散射问题，其应用前景更广泛。     

激光偏振主动探测及成像系统的误差研究以及系统的改进

利用Mueller矩阵,以三种典型目标为模型,全面分析了主动偏振成像系统的误差来源。在实验系统典型参数下,对偏振度误差进行了模拟。提出了利用标准偏振度目标校准系统参数的方法,提高了实验系统的精度。以仿真结果为基础,对实验系统进行了进一步的改进。通过对实验元件参数和位置的合理配置,该实验系统能够提供高精度的目标偏振度探测。误差分析结果为偏振成像实验系统元件参数的选择提供了重要的参考依据,同时也为实验系统的改进提供了理论支持。     

Depolarization of second-order intensity correlation tensor of light scattered by random orientation of asymmetric particles

Investigation of second-order intensity correlation tensor elements (SOICT) by depolarization measurement of light scattered on orientational fluctuations of asymmetric particles is shown to yield new information on translational and rotational molecular motions.     

Monte Carlo simulation of light scattering from size distributed sub-micron spherical CdS particles in a volume element

Simulation of polarized light scattering by spherical particles having modal radius of 180 nm is presented in this paper. A Monte Carlo method which is based on the Stokes-Mueller formalism developed in ANSI Standard C-language is used for simulation. Single scattering is considered in our program with monodispersed sub-micron sized spherical CdS particles. We have considered only θ dependent scattering as described by Mie theory for spherical CdS particles. The experiments for studying light scattering properties of these particles were conducted in a designed and developed laser based light scattering studies setup. The simulation results were compared with experimental results and theoretical results obtained purely from Mie theory. The closeness of agreement or disagreement between these results is discussed in this paper.     

Modern description of polarized light: matrix methods

Problems involving the calculation of the passage of a polarized light beam through a succession of polarizing devices are often difficult and tedious. These may be simplified if modern methods of describing polarized light are used, namely the Stokes and Jones vectors, the Mueller and Jones calculi and the coherency matrix formalism. In this paper these concepts are presented and the vectors for various states of polarized light and the matrices of polarizers and retardation plates are given, together with examples of their method of use.     

部分偏振光经界面反射时的偏振度分析

定量计算了轴外点光源发出的部分偏振光束经界面反射后反射光偏振度与空间坐标及点光源坐标间关系，定量计算了特定参数的入射部分偏振光束经界面反射后的偏振度分布，给出了偏振度变化的数量级。计算表明一定偏振度的入射部分偏振光束经界面反射后，反射光束偏振度由于界面反射在反射光束截面上将产生一定分布。偏振度的变化不仅与光线入射角有关，还与点光源位置有关     

自然光在多层介质分界面上折射时的偏振度

通过光在介质的分界面上折射时产生的偏振现象,利用非磁性介质的菲涅耳公式及入射、折射时的光强关系,从理论上详细推导了自然光在两介质分界面上折射时其偏振度的数学表达式,探讨了透射光的偏振程度与介质层数的关系.实验测试的结果表明,在考虑误差存在的情况下,实验曲线与理论曲线的变化趋势基本相符;对于同一介质,折射光的偏振度随入射角的增大而单调地增加.