含核椭球粒子后向散射特性研究

基于T矩阵方法,给出了随机取向、轴对称、含核椭球粒子的散射计算方法,散射体的核和外壳均可为非球形粒子,内层粒子和外层粒子可以为同心也可为不同心,整个粒子具有轴对称性.以含核椭球粒子为模型,计算了含有吸收性内核的水凝物气溶胶的散射特性,分析了核的大小、形状以及位置对后向散射的影响.计算结果表明,后向散射对内核的形状、大小...     

非球形生物气溶胶对偏振光的多次散射特性研究

基于回转椭球模型和有限长圆柱模型,采用T矩阵方法研究了非球形生物气溶胶的单次散射特性,计算了鼠疫耶尔森氏杆菌、土拉热杆菌二种生物气溶胶对氦氖激光的单次相矩阵、单次散射反照率以及不对称因子。根据矢量辐射传输理论,研究了激光在生物气溶胶中传输的偏振散射特性,基于累加-倍加法(adding-doubling method)求解矢量辐射传输方程,并计算了非球形生物气溶胶对激光多次散射的斯托克斯参量。计算结果表明,生物气溶胶的尺寸和形状对光的极化更为敏感,因此在利用激光进行生物气溶胶微观特性探测和反演时,利用激光的偏振散射特性为非常有效的方法。     

随机取向双层椭球粒子偏振散射特性研究

基于T矩阵方法,给出了随机取向、轴对称、含核椭球粒子的散射计算方法.散射体的核和外壳均可为非球形粒子,整个粒子具有轴对称性.以含核椭球粒子为模型,计算了含有吸收性内核(黑炭,black carbon)的水凝物气溶胶的散射特性,分析了核的大小、形状对消光系数、散射系数、吸收系数、不对称因子、单次散射反照率以及Muller矩阵等的影响. 关键词： 光散射 T矩阵 Muller矩阵 椭球粒子     

偏振光在多层散射介质中传输的蒙特卡罗模拟研究

基于米氏散射理论,运用斯托克斯-穆勒形式,结合子午面法和拒绝法,提出了偏振光在多层散射介质中传输的蒙特卡罗模型,并首次分析了当菲涅耳公式失效时,多层介质界面处的全反射行为.同时用该模型研究了微粒直径和介质折射率对漫反射和漫透射的影响.结果表明:无论是折射率匹配介质还是非匹配介质,当粒子浓度一致时,漫反射率都随微粒直径的增加而增加,随介质折射率的增加而减小,而漫透射率则相反.研究结果为生物组织的偏振光散射研究提供了理论验证模型.     

偏振光在多层散射介质中传输的蒙特卡罗模拟研究*

基于米氏散射理论,运用斯托克斯-穆勒形式,结合子午面法和拒绝法,提出了偏振光在多层散射介质中传输的蒙特卡罗模型,并首次分析了当菲涅耳公式失效时,多层介质界面处的全反射行为.同时用该模型研究了微粒直径和介质折射率对漫反射和漫透射的影响.结果表明：无论是折射率匹配介质还是非匹配介质,当粒子浓度一致时,漫反射率都随微粒直径的增加而增加,随介质折射率的增加而减小,而漫透射率则相反.研究结果为生物组织的偏振光散射研究提供了理论验证模型.     

光在可变厚度介质中后向散射传输的偏振特性分析

针对不同浓度下介质厚度改变对后向散射光偏振特性影响的问题,以典型蒙特卡罗偏振模型为基础,提出了一种基于后向散射的可变介质厚度蒙特卡罗偏振模型。根据本文提出的模型开展了仿真实验,得到了不同浓度下介质厚度与后向散射偏振特性的影响关系。仿真结果表明,介质厚度在不同浓度下均对后向散射光的偏振度有着直接影响;在低浓度的情况下,介质厚度增加主要起消偏作用,浓度达到一定阈值后,介质厚度增加起起偏作用;在低浓度的情况下,线偏振光的后向散射光偏振保持特性优于圆偏振光,浓度达到一定阈值后,圆偏振光的后向散射光偏振保持特性优于线偏振光;在浓度极高的情况下,线偏振光与圆偏振光的保持特性趋于一致。     

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.     

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。     

随机取向群聚椭球粒子光散射特性研究

利用离散偶极子近似方法,考虑单元粒子之间的电磁相互作用,数值计算了随机取向的不同尺度参数、不同纵横比的群聚椭球粒子的缪勒矩阵元素,给出了各个缪勒矩阵元素的角分布曲线,探讨了随机取向的群聚椭球粒子的尺度参数、纵横比、基本粒子相对位置对其缪勒矩阵元素的影响。并将随机取向群聚椭球粒子的光散射特性与单个等效球形粒子的数值结果进行了比较。结果表明,随机取向群聚椭球粒子的光散射特性与等效球形粒子的光散射特性存在很大差别,基本粒子的形状越偏离球形,这种差别就越大; 随机取向群聚椭球粒子中椭球粒子的纵横比和相对位置对整个群聚粒子的缪勒矩阵元素存在不同程度的影响,并且此影响随着粒子尺度参数的增大而变得更加显著。     

紫外光非视距多次散射信道模型研究

利用蒙特卡罗方法对紫外光非视距传输过程进行了模拟,讨论了传输过程中固体角的确定,仿真分析了系统的角度设置对传输损耗的影响.结果表明,增大收发仰角可以降低系统的传输损耗,并且小角度集中发射与大视场角接收可以降低系统的传输损耗.     

取向比对椭球气溶胶粒子散射特性的影响

利用T矩阵和离散坐标法研究了取向比对椭球粒子散射特性的影响, 计算了小尺度范围内椭球粒子的散射特征参量, 包括消光效率因子、不对称因子、单次散射反照率、散射相矩阵及双向反射函数(BRDF). 结果表明, 椭球粒子的散射特性与取向比密切相关, 粒子取向比会影响散射参量的振荡频率和振幅, 与球形粒子散射参量的相对差异也呈周期振荡趋势. 研究还发现, 某些特殊粒子尺寸的散射参量与粒子取向比基本无关. 在多次散射条件下, 分析不同取向比粒子群的BRDF随反射角和光学厚度的变化特性. 结果显示: 不同取向比粒子群的BRDF随反射角的变化趋势基本一致, 球形粒子群比非球形粒子群的BRDF曲线波动振幅更大; 球形-非球形粒子的BRDF相对差异随光学厚度和取向比的增大而减小, 随入射角的增大而增大.     

随机取向群聚椭球粒子光散射特性研究

利用离散偶极子近似方法,考虑单元粒子之间的电磁相互作用,数值计算了随机取向的不同尺度参数、不同纵横比的群聚椭球粒子的缪勒矩阵元素,给出了各个缪勒矩阵元素的角分布曲线,探讨了随机取向的群聚椭球粒子的尺度参数、纵横比、基本粒子相对位置对其缪勒矩阵元素的影响。并将随机取向群聚椭球粒子的光散射特性与单个等效球形粒子的数值结果进行了比较。结果表明,随机取向群聚椭球粒子的光散射特性与等效球形粒子的光散射特性存在很大差别,基本粒子的形状越偏离球形,这种差别就越大; 随机取向群聚椭球粒子中椭球粒子的纵横比和相对位置对整个群聚粒子的缪勒矩阵元素存在不同程度的影响,并且此影响随着粒子尺度参数的增大而变得更加显著。     

沙尘暴粒子的非球形模型及其对激光的多次散射特性研究

计算沙尘暴对电磁波的衰减特性,以及利用卫星反射率遥感反演沙尘暴的光学厚度时,通常假设沙尘粒子为球形,但实验室和现场测量结果都表明,自然界中的沙尘粒子为非球形,因此利用球形粒子模型模拟沙尘暴对激光的散射和衰减特性将带来较大误差。利用具有一定尺寸分布、形状分布、随机取向的椭球粒子模型模拟自然界中的沙尘粒子,利用T矩阵方法计算了其单次散射特性,并与球形粒子模型进行了比较,结果表明,混合椭球粒子的相函数随角度分布是平滑的、无特征的、且在侧散射方向上是平坦的,这和自然界中的沙尘粒子散射特性非常类似。最后利用累加法计算了沙尘暴对激光的多次散射特性,结果表明,利用任何一种单一形状的粒子模拟沙尘粒子的散射特性都会带来较大的误差。     

激光在不同类型气溶胶中传输特性研究

激光在大气中的传输衰减特性是激光工程应用中需要考虑的一个重要问题.本文针对常用的1.06 μm和10.6μm激光,基于Mie散射理论计算了气溶胶粒子的单次散射参量;对于激光在气溶胶中多次散射传输衰减,建立了蒙特卡罗模拟计算模型,利用Matlab语言编制了相应的计算程序,计算分析了两种波长的激光分别在沙尘性、水溶性、海洋性和煤烟性四种不同类型气溶胶中透过率与传播距离、能见度的关系,并将蒙特卡罗方法和单次散射的计算结果进行了比较.结果表明,当能见度较低、气溶胶粒子反照率较高时,单次散射计算存在很大的误差,用蒙特卡罗方法更能揭示多重散射现象;煤烟性气溶胶对1.06 μm激光的传输衰减影响最大,沙尘性气溶胶对10.6 μm激光的传输衰减影响最大.     

多次散射因素影响下天空偏振光模式的解析模型

为了解决天空偏振光模式的描述问题,从经典的瑞利散射模型出发,考虑大气粒子尤其是气溶胶粒子的多次散射特性,构建了一种天空偏振光模式的解析模型.首先分析大气分子的瑞利散射,并结合Perez光强分布模型描述光强分布,而后考虑二次散射因素,分析不同尺度不同组分典型粒子的散射相位函数,根据其角度分布特征,解决二次散射积分的求解问题,最终得到本模型.仿真实验表明,与瑞利散射模型相比,本模型能够解决实际天空中存在的中性点的描述问题.与晴朗天气下不同时刻实际测量结果之间的对比进一步说明,本模型不仅可以定性地描述实际天空中偏振光模式的角度变化趋势、中性点以及对称性等重要特征,而且具体数值与实际分布之间的符合程度要优于单次散射模型,其中偏振度的相似度最高可以达到75%左右.     

各向异性生物组织中偏振光传输的模拟与实验

针对具有纤维状结构特征的生物组织(诸如肌肉、皮肤等),建立了包含球状散射体和具有取向分布的圆柱状散射体的仿体模型,并对偏振光在这类具有各向异性分布的复杂体系中的传输过程进行了蒙特卡罗模拟.给出了蒙特卡罗模拟程序的实现方法并验证了程序的可靠性,随后将程序用于模拟和分析一些肌肉组织的偏振成像实验.实验和模拟结果的一致性验证了用柱-球散射体混合的仿体模型来模拟各向异性生物组织的合理性.同时,通过模拟验证,得到了两个新的参量,分别可以用来表征组织样品中纤维的空间取向和组织样品的各向异性度.     

光在分层散射介质中传输行为的蒙特卡罗模拟研究

建立了光在发层散射介质中传输行为的蒙特卡罗模型,计算了皮肢层状结构的光传输特性,考虑联折射率不匹配带来的影响及不同光束特性（如均匀分布平面光场、高斯光束、光纤光束）对传输行为的影响,分析了分界面处光通量的传输特性,给出了不同特性光束的生物组织的表面漫射率曲线,比较了高斯光束和平面光场的卷积结果。     

线偏振光波在闪锌矿半导体中的非线性传输特性

闪锌矿半导体的三阶光学非线性具有本征各向异性和二色性,线偏振光波在传输过程中偏振态和偏振方向都将发生变化.本文建立了线偏振光波在闪锌矿半导体中的非线性传输方程,并用传输方程分析了光波偏振态的变化规律.     

硅酸盐粒子的远红外散射特性研究

本文首先将T矩阵方法程序的计算结果分别和Mie理论以及文献进行了对比,证实了程序的有效性。接着研究了在红外波段硅酸盐粒子的形状(非球形)对散射特性的影响,并用T矩阵方法对λ=10.6μm波段的硅酸盐粒子进行了一系列计算分析。计算结果表明:随着a/b值得减小,粒子的最佳单位体积消光截面逐渐增大。