均匀球形液滴二阶和五阶彩虹的重建及应用

从理论和实验两方面研究了不同温度下球形液滴的彩虹强度分布及在粒度测量中的应用。研究结果表明折射率为 1.33附近液滴在 117°～ 134°散射角范围内的散射强度分布不是单一的二阶彩虹强度分布 ,而是二阶和五阶彩虹的干涉强度分布。基于散射强度频谱特点 ,提出了一种从干涉强度谱中重建二阶和五阶彩虹强度分布的方法 :逆快速傅里叶变换 (IFFT)。利用洛伦兹米理论 (LMT)模拟计算了温度为 2 0℃和 80℃下水粒子二阶彩虹的高频结构与粒子直径的关系 ,获得了经验公式。该关系式可用来测量确定温度下均匀水粒子直径。还利用激光彩虹测试系统测量了水柱二阶彩虹角度范围内的散射强度分布。上述理论研究结果与实验结果进行了比较 ,两者吻合得很好。基于上述研究 ,可以从单一阵列探测器获取的彩虹信号提取不同阶次彩虹分布 ,用于液滴多参量的反演测量。     

全场彩虹技术测量喷雾浓度及粒径分布

喷雾颗粒的浓度、粒径等多参数的同时测量是研究喷雾的关键. 对应用全场彩虹技术测量双组分液滴的浓度及粒径分布进行了研究. 基于改进的Nussenzweig理论,对液滴折射率和粒径分布采用无分布函数算法进行最优化求解, 然后通过折射率与浓度的关系反推液滴浓度.用模拟全场彩虹信号对该算法进行了验证, 该算法可准确反演具有单峰分布、双峰分布粒径特征的液滴群的折射率与粒径分布. 并对体积分数从0%到100%的乙醇溶液喷雾进行了实验测量, 结果表明,所测得折射率与理论值符合,粒径分布稳定.该技术在喷雾浓度测量方面具有广阔的应用前景. 关键词： 全场彩虹技术 折射率 粒径 组分     

基于一阶彩虹区域高斯光散射的液滴测量

为实现雾化过程中局域内单液滴的测量,采用德拜级数展开研究了高斯光照射下球形液滴一阶彩虹区域的散射光强分布,以及高斯光束腰大小对光强分布峰值角度的影响.根据德拜级数展开计算的散射光强分布反演液滴的折射率和粒径,证明了根据高斯光的彩虹散射反演液滴信息的可行性.基于广义洛伦兹-米氏理论计算一阶彩虹区域的总光强分布,根据总光强分布反演液滴折射率和粒径,讨论了高斯光束位置对反演液滴信息的影响.对于半径在200~1 000μm区间的液滴,高斯光束位于中心入射时,反演折射率的误差小于2.38×10-4,粒径的相对误差在-3.31%~3.31%之间.与采用平行光彩虹技术相比,采用高斯光束为入射光可以得到较高的光能聚集区,较好地定义测量区大小,既可以有效避免多个液滴同时出现在测量区的情况、减小颗粒之间复散射的影响,又可以提高信号强度.     

基于彩虹现象的光学测粒技术研究

对基于彩虹现象的光学颗粒测量进行研究,提出了一种新的参数反演模型和算法,可同时测量颗粒的粒径和折射率.新算法基于经验模态分解的去噪技术,并采用一种特征点提取技术和基于Debye理论的反演最优点搜索算法,能较精确的迅速找到反演最优点.数值模拟结果表明,当信噪比降至5 dB时,直径反演最大误差小于10%,折射率反演最大误差小于0.1%.对不同温度下自由下落的水滴进行实验研究,水滴由波长532 nm功率14 mW的连续激光源照射, 产生的彩虹光线经大口径透镜收集,被位于透镜焦平面的CCD相机接收.实验结果同样表明此测量方法具有较好的精度和可靠性.     

多层球粒子彩虹光强分布特性研究

基于多层球Debye级数分解理论,计算了不同参数下多层球粒子一阶彩虹的光强分布,分析了多层球粒子的参数-折射率指数因子对多层球粒子的一阶彩虹主峰角位置的影响;同时根据多层球Debye级数分解理论,将多层球粒子的各阶彩虹进行分离,对不同特性散射结构的光强分布进行了研究,分析了各阶干涉强度对散射场的贡献。     

测量透明微粒群参量

设计了测量透明微粒群参量的干涉检测系统,能够有效记录透明颗粒群在1阶彩虹角附近的光强分布,并利用Nussenzveig理论和改进的量子粒子群算法对记录图像进行反演,能够实现透明颗粒群粒径分布和折射率的同时测量．实验结果表明：以Lorenz-Mie理论作为模拟光强信号,利用算法反演模拟的微粒群信号,折射率相对误差为0.02%;通过实验测量粒径为400～600μm的玻璃微珠群,粒径均值的相对偏差为2.8%;对不同浓度乙醇喷雾的折射率进行测量,相对偏差小于0.7%.     

多层球对高斯波束散射的德拜级数研究

基于广义洛伦兹-米氏理论,利用多层球粒子散射系数的德拜级数展开公式,提出了一种新的研究多层球粒子对高斯波束散射的方法。计算结果与已有的广义洛伦兹-米氏理论算法的计算结果吻合得很好。利用该方法有效分离了折射率分布满足指数变化规律的多层球粒子对高斯波束散射的远区散射场中多阶彩虹的干涉强度分布。数值模拟了双层球的归一化双一阶彩虹强度分布以及各层的一阶彩虹艾里结构。最后分析讨论了高斯波束的入射位置和束腰半径对多层球单阶彩虹强度分布的影响。     

无限长非均匀圆柱对平面波散射的彩虹特性研究

以梯度折射率聚合物光纤为例,利用非均匀柱粒子的洛伦茨-米氏(Lorenz-Mie)理论和德拜(Debye)级数研究了非均匀柱粒子的一阶、二阶彩虹强度分布特点.针对不同阶次彩虹间存在相干现象这一特点,提出了低通、带通滤波和逆快速傅里叶变换(IFFT)方法,将各阶彩虹从相互干涉的强度分布中分离重建出来,并且与Debye级数模拟的结果进行了比较,吻合得很好;讨论了分层柱粒子的双重一阶彩虹现象,利用Lorenz-Mie理论和Debye级数模拟了双重一阶彩虹的强度分布.     

核爆与雷电电磁脉冲识别

用经验模态分解和分形分析相结合的方法对核爆和雷电电磁脉冲信号进行了识别研究。计算了核爆和雷电电磁脉冲原始信号的盒维数,以及原始信号经验模态分解后前4阶固有模态分量（IMF）的盒维数。用最近邻法对核爆和雷电进行了识别,实验结果表明：原始信号经验模态分解后一阶、二阶IMF盒维数的识别率要略高于三阶、四阶IMF盒维数的识别率;原始信号盒维数的识别率高于经验模态分解后各阶IMF盒维数的识别率;二维和三维特征的识别率要高于一维特征的识别率,另外二维和三维特征的识别率更加趋于稳定,并且三维特征的识别率都在90%以上。     

利用彩虹强度角谱分布对圆柱直径的测量

采用ＣＣＤ线阵的散射光强角分布测量系统,测量了水、酒精液柱、光纤的彩虹角分布。根据严格米氏理论,数值研究了大尺寸参数圆柱的彩虹现象,获得与实验相吻合的数值结果。讨论了几何光学和艾里理论局限性,将米氏理论和几何光学结合,对彩虹现象给予了更为合理的解释。利用第一级彩虹角反演折射率,以及将彩虹强度导数角分布进行快速傅里叶变换获得了角谱反演圆柱粒子的直径。并讨论了利用角谱反演粒子折射率和直径的精度。     

Study on measurement of refractive index profile of GI-POF by light scattering

This paper is devoted to the study on measurement of refractive index profile of graded-index polymer optical fiber (GI-POF) by light scattering. Using Generalized Airy theory and Debye series of an inhomogeneous cylinder, the scattering intensity distributions are obtained of Airy structure of rainbows for different refractive index profile. The results show that positions of Airy peaks depend closely on refractive index profile of GI-POF. Since each order of rainbow penetrates it to different depths, such methods could be used to provide information of the refractive index profile of GI-POF. For GI-POF with given diameter, positions of Airy peaks of rainbows are simulated as a function of refractive index profile, which can be used to inverse unknown parameters of refractive index profile. The least square method is used in inversion of refractive index profile with the given refractive index of the cladding. The results obtained agree with theoretical values with high precision. The method has the advantages of non-instructive and on-line measurement, and can be used for the measurement of other inhomogeneous droplets.     

高折射玻璃微珠粒径与折射率关系的研究

利用激光照射高折射率玻璃微珠下形成的二次彩虹现象,以艾里的虹理论为基础对玻璃微珠折射率进行了测量。推导了玻璃微珠尺寸对折射率影响的计算公式,表明半径差异在10μm时,折射率的测量误差为10^-3数量级。此外,通过软件模拟计算玻璃微珠的二次彩虹现象,并对微珠的折射率进行了测量,验证了二次彩虹方法的正确性,同时也表明玻璃微...     

二次彩虹法测量高折射率玻璃微珠折射率研究

基于米氏散射理论解释了激光照明下玻璃微珠的二次彩虹精细结构的成因,发现折射率的差异将直接影响二次彩虹精细结构的位置.对于实验中玻璃微珠半径变化引起二次彩虹精细结构间距变化的现象亦用米氏散射理论进行了模拟分析和实验研究.利用米氏散射的近似理论——艾里理论对玻璃微珠的折射率进行了测量.在对玻璃微珠二次彩虹精细结构所计算得到的折射率的统计分析基础上,通过校正测量误差后得到了玻璃微珠折射率的准确数据.     

二维高斯波束入射时无限长多层园柱的彩虹现象研究

二维高斯波束入射时无限长多层园柱的彩虹现象研究郭立新１）２）吴振森２）（１）中国科学院陕西天文台临潼７１０６００）（２）西安电子科技大学物理系西安７１００７１）ＲａｉｎｂｏｗＳｃａｔｅｒｉｎｇｂｙａＭｕｌｔｉｌａｙｅｒｅｄＣｙｌｉｎｄｅｒＷｉｔｈａ２...     

Influence of Refractive Index Gradients within droplets on rainbow position and implications for rainbow refractometry

Rainbow refractometry allows the determination of the refractive indices of droplets if a homogeneous refractive index can be assumed throughout the whole droplet. The influence of gradients on the angular position of the rainbow was examined for refractive index distributions with constant gradients and for distributions as they occur during cooling, heating and burning of droplets. Geometrical optics were used to determine rainbow positions. For a given value of refractive index at the surface, the rainbow position is in many cases a measure for the gradient itself. It was found that information obtained for constant gradients can often be used in cases with more complex distributions, which are found, for instance, for droplets undergoing heat-transfer processes. Significant errors may be obtained only for a very short initial phase of the process. Experimental results obtained with monosized droplet streams, which confirm theoretical predictions of the influence of gradients on the rainbow position, are presented.     

Generalization of the rainbow Airy theory to nonuniform spheres

Rainbow techniques permit measurement of refractive indices, and hence the temperatures of liquid droplets through determination of the absolute angular position of a rainbow interference image in space. The Airy theory, which is commonly used to explain the rainbow effect, permits the determination of a unique refractive-index value, even in the presence of nonuniformities in the droplet. An extension of this theory to spheres that exhibit internal refractive-index gradients is proposed. The case of burning droplets is considered as an example of such spheres, and the results obtained are successfully compared with those presented in the literature.