一种求解光学厚层渐近公式的新方法

根据Mie理论和辐射传输理论，利用迭代法结合高斯-勒让德积分，求解了Ambartsumian非线性积分方程，得到了光学半无限长粒子层的反射函数；利用半无限长粒子层的反射函数，推导了逃逸函数、漫射指数、漫射强度等参数的求解方程组．基于此方法，以典型的积云为例，计算了在0．4-5μm范围内各参数的谱分布．     

两种按比例混合颗粒系的多次散射模拟

一种颗粒与其他种类的颗粒混合后, 会使其散射特性发生变化, 本文研究了水云中混有黑炭气溶胶后的散射特性变化. 根据Mie理论计算了水云和黑炭气溶胶散射相函数、单次散射反照率和不对称因子. 给出了混合颗粒系的蒙特卡罗模拟方法, 给出了颗粒碰撞类型抽样、自由程抽样和根据Mie相函数进行散射方向抽样的方法. 计算了光垂直入射时, 水云和黑炭气溶胶混合颗粒系的反射光强随观测角的变化, 并计算了平面反照率随入射角的变化, 讨论了黑炭气溶胶的有效半径、混合比例对整个混合颗粒系散射特性的影响. 计算结果表明, 水云中混合黑炭会加强其吸收, 且黑炭的比例和尺寸不同其散射特性差异较大.     

将噪声作为独立变量的动态光散射数据反演

在动态光散射颗粒测量时,为了从含噪的自相关函数数据中准确地反演出颗粒粒度分布,对Tikhonov正则化算法进行改进,将噪声作为一个独立的未知变量应用到正则化方程中进行粒度反演.在计算过程中,相应增加方程中各系数矩阵的行数和列数,对求解的粒度分布数值则仍取其原来方程的行数和列数,从而达到对部分噪声的剔除作用.不同噪声水平下的颗粒粒度反演结果表明,改进后的算法能够显著提高低信噪比动态光散射数据粒度反演结果的准确性,适用于宽分布较大粒径的颗粒粒度反演.     

角度组合对多角度动态光散射测量的影响

针对多角度动态光散射中角度组合对颗粒粒度分布测量的影响,对5组模拟的双峰分布颗粒体系(114/457 nm,202/800 nm,307/541 nm,433/721 nm和600/900 nm)分别选取3、4、5和6个散射角,采用不同角度组合进行测量.粒度反演结果表明,在选取同样数量散射角条件下,不同的角度组合会得到不同的测量结果.当选取的各散射角对应的Mie散射光强差异显著,特别是对应光强值包含了Mie散射光强曲线的极大值和极小值点时,测量结果更准确.采用标准聚苯乙烯乳胶颗粒进行的测量实验,实验结果与反演结果一致.这种角度组合影响的原因在于,随着散射角的增多,得到的颗粒粒度信息也相应增加,但只有增加的散射角所对应的散射光强显著不同时,才会较多地增加颗粒粒度信息,从而改善测量效果;否则,增加的信息会被增加的角度校准噪声所抵消.     

基于多尺度变换的动态光散射粒径反演范围的自适应调整

 通过多尺度变换实现了反演范围的自适应调整,使其更接近真实范围。分别采用反演范围固定算法与自适应算法对200～600 nm单峰和200～900 nm双峰分布颗粒的模拟相关函数进行了反演,结果表明：自适应算法的结果更接近理论分布,抗干扰能力更强。相对于固定算法,单峰分布颗粒最多可缩小峰值误差4.73%,缩小峰宽误差185 nm。双峰分布颗粒在0～0.001噪声水平时,峰值误差分别小于11.33%,12.45%,峰宽误差分别小于35,160 nm,而固定算法在噪声水平大于0.000 1时,难以得到合理的反演结果。反演范围自适应调整方法能够有效优化粒径反演结果。     

非负约束全变差正则化方法在动态光散射颗粒粒度分布反演中的应用

将非负约束全变差正则化方法应用于颗粒粒度分布反演,并用固定点迭代法求解所构造的非线性最优化问题.模拟结果表明,在无噪声或加入0.01的噪声的情况下,全变差正则化均能较好地反演出单峰和双峰分布.通过对150nm的标准聚苯乙烯乳胶颗粒和由60nm与200nm组成的混合颗粒的反演验证了算法的性能.     

动态光散射技术的角度依赖性

与单角度动态光散射技术相比,多角度动态光散射(MDLS)颗粒测量技术能够提高颗粒粒度分布的测量准确性。但在MDLS技术中,测量角度的选择常常与被测颗粒体系的分布有关。对100nm、500nm的单峰模拟分布和300nm与600nm混合的双峰模拟分布的颗粒体系,分别在1、3、6、9个散射角条件下进行了测量。颗粒粒度反演结果表明,随着散射角个数的增大,颗粒粒度分布更趋于真实的颗粒粒度分布。对数量比为5:1的100nm与503nm双峰分布的聚苯乙烯颗粒,分别在1、3、5、10个散射角条件下进行了测量,实测结果表明采用单角度测量只能得到单峰分布,3个及更多散射角可得到双峰分布,并且双峰的数量比随散射角数量的增加逐渐趋近真实的数量比。因此,MDLS颗粒测量技术能够改善颗粒粒度分布的测量结果,但这种改善程度会随散射角的增多逐渐降低。由于散射角个数的增多会增加散射角的校准噪声和光强相关函数的测量噪声,因而会导致在有些情况下颗粒粒度分布的测量结果反而变差。     

等效球模型模拟冰晶云反射的误差分析

用射线光学理论计算了具有一定尺度分布的六角冰晶粒子在可见和近红外光谱区一系列波长上(0.2～5μm)的单次散射特性.利用米氏(Mie)理论,计算了与六角冰晶具有相同截面积的球形粒子的单次散射特性.根据辐射传输理论,应用累加法,分别计算了由冰晶粒子和等效球形粒子构成的卷层云的多次散射特性,计算结果表明当入射波长λ≈3.0 μm时,等效球Mie理论可以很好地用于计算卷层云的反射特性,但是当λ＜2.8μm时,尤其在可见光区,将引起显著的误差.最后提出了计算冰云光学特性的两种方案.     

双峰分布的超细颗粒动态光散射信号模拟及精度分析

为获取双峰分布超细颗粒的动态光散射模拟信号,通过建立动态光散射随机过程的AR模型,利用修正的Levison-Durbin递推算法确定模型参数和阶数的方法模拟光散射信号.分别对10 nm与90 nm,200 nm与1 000 nm双峰分布颗粒的动态光散射信号进行模拟,得到的模拟信号光强自相关函数与理论值吻合,用双指数法对颗粒粒径反演,相对误差小于3.55%.通过分析模型阶数、采样时间、采样频率、模拟数据长度等参数对模拟精度的影响,得出双峰分布颗粒光散射信号的模拟精度与各参数的关系:在低于阈值阶数时,模型阶数选择对精度影响大,模型阶数越高,信号模拟的精度越高,高于阈值阶数时,模型阶数选择对精度影响不大,可选阈值阶数模型模拟信号.选定一定的采样时间,采样频率越高,模拟数据长度越长,模拟精度越高.     

Multiple scattering of light by water cloud droplets with external and internal mixing of black carbon aerosols

The mixture of water cloud droplets with black carbon impurities is modeled by external and internal mixing models.The internal mixing model is modeled with a two-layered sphere(water cloud droplets containing black carbon(BC) inclusions),and the single scattering and absorption characteristics are calculated at the visible wavelength of 0.55 μm by using the Lorenz-Mie theory.The external mixing model is developed assuming that the same amount of BC particles are mixed with the water droplets externally.The multiple scattering characteristics are computed by using the Monte Carlo method.The results show that when the size of the BC aerosol is small,the reflection intensity of the internal mixing model is bigger than that of the external mixing model.However,if the size of the BC aerosol is big,the absorption of the internal mixing model will be larger than that of the external mixing model.