可见光波段非球形沙尘气溶胶散射和辐射特性的理论模拟

将非球形沙尘气溶胶视为具有一定的尺度谱和形状分布的随机取向椭球粒子群,利用T矩阵和改进几何光学方法（IGOM）模拟了非球形沙尘气溶胶粒子在可见光波段（0.47 ）的散射特性,并与实验室测量结果和等体积球形粒子的计算结果进行了比较。结果表明：利用具有一定的尺度谱和形状分布的随机取向椭球粒子模拟自然界中的非球形沙尘粒子散射特性是行之有效的;用等体积球形粒子得到的单散射相矩阵（特别是单散射相函数）与椭球粒子相比,具有明显的差异,而粒子形状对单散射反照率、不对称因子和消光效率的影响明显偏小。通过比较椭球和球形沙尘气溶胶在可见光波段的辐射特性说明在计算非球形沙尘气溶胶辐射特性过程中应考虑粒子形状对其单散射特性的影响。     

椭球形粒子浓度对激光偏振传输特性的影响

采用随机抽样拟合相函数的蒙特卡罗仿真方法,模拟了偏振光经过椭球形粒子发生多次散射后的偏振特性,并通过实验验证了其正确性。以长、短轴比为1.5的椭球形酵母菌粒子为研究对象,研究了激光在椭球形粒子烟雾中传输时的偏振特性。研究了波长为532 nm的0°线偏振光、45°线偏振光以及左旋圆偏振光在椭球形粒子烟雾扩散过程中偏振态的变化情况。结果表明,椭球形粒子的浓度越高,偏振度变化的随机性越大,且圆偏振光的保偏性优于线偏振光。在相同浓度下,不同起偏角度的线偏振光对偏振态的影响差别不大。     

非球形簇团核壳结构粒子的激光散射特性

在冰晶粒子异质核化理论基础上,建立了椭球形、六角平板和六角棱柱3种簇团形核壳结构冰晶粒子模型,利用离散偶极子近似法(DDA)数值计算同一入射波长下,有效尺寸对核壳结构冰晶粒子消光效率、吸收效率和散射效率的影响、中间均匀混合层对核壳结构冰晶粒子散射强度的影响以及Mueller矩阵元素随散射角度的变化情况。数值结果表明:随着有效尺寸的增大,椭球形、六角平板和六角棱柱3种簇团形核壳结构冰晶粒子的消光效率、吸收效率和散射效率随着有效尺寸的增大分别呈现不同的变化趋势;在相等尺寸条件下,散射强度随散射角度的变化情况与粒子形状有密切关系,且相比于椭球形和六角平板两种簇团形核壳结构冰晶粒子,六角棱柱核壳结构冰晶粒子的前向散射强度最大,散射强度随散射角度的变化曲线振荡更明显。根据Mueller矩阵元素随散射角度的分布情况,可以看出六角棱柱簇团形冰晶结构的散射方向最明显,前向散射强度最大,六角平板和六角棱柱簇团形冰晶结构的Mueller矩阵元素相对球形和椭球形在后向散射场区域的偏差更明显。论文的研究结果为进一步分析复杂冰晶粒子的散射特性,开展高空云层中各种复杂几何形状簇团冰晶粒子的散射特性研究和分析提供支持。     

应用T矩阵法对大气灰霾简单非球形粒子散射特性的计算与分析

针对灰霾天气条件下主要污染物粒子，PM2.5主要组分，以硫酸铵和碳质气溶胶粒子为典型粒子，运用T矩阵方法研究了这两种粒子不同形态的散射特性，包含椭球体（长短轴比a/b=1/2，1/3，2/1），圆柱体（直径与长度比D/L=1/2，1/3，1/1，2/1）及切比雪夫形（多项式n=2，形变参数=-0.1，0.1），两种粒子在不同形态下所对应的散射、消光及吸收效率因子随尺度参数的变化规律。结果表明，硫酸铵非球形粒子在尺度参数小于1时，不同形状粒子效率因子差异很小，从尺度参数大于1开始，散射、消光效率因子随尺度参数先增加后震荡减小，粒子吸收非常弱；而碳质气溶胶粒子在尺度参数小于2时，不同形状粒子效率因子差异很小，尺度参数大于2开始，各效率因子随尺度参数先增加然后缓慢减小，并且对光场具有较强的吸收作用。该研究结果可用于大气灰霾粒子探测分析，发展大气环境污染防护科技。     

粒子形态对浑浊介质后向散射光偏振特性的影响

偏振光在浑浊介质中传输的偏振特性的研究对实现各类偏振光技术具有重要意义。建立一种非球形粒子介质模型,并采用T矩阵法和矢量蒙特卡罗模拟相结合的方法,计算分析含不同非球形粒子的介质中的偏振光经过多次散射形成的后向散射光的偏振特性。按照介质所含非球形粒子的尺寸分为瑞利散射粒子介质和米氏散射粒子介质。结果表明:瑞利散射粒子介质中,不同粒子形态对线偏振光和圆偏振光的后向散射光的偏振特性的影响不显著,线偏振光保偏能力优于圆偏振光,线偏振方向得到保持,而圆偏振光旋性发生改变;米氏散射粒子介质中,不同粒子形态对后向散射光的偏振特性有显著影响,光学厚度大时,各介质中的圆偏振光保偏能力优于线偏振光,厚度小时线偏振光的保偏能力优于圆偏振光。此外,粒子的形态对偏振光后向散射光偏振度空间分布及光强空间分布均有显著影响。     

不同湿度环境下可见光波段激光偏振特性研究

雾霾天气严重干扰了可见光成像效果,利用可见光偏振特性可以有效提升探测效率。雾霾环境会受到气溶胶颗粒湿度的影响,湿度是雾霾环境重要物理参数。为了获得可见光在雾霾环境的偏振特性规律,分析了环境湿度对偏振特性的影响。在非偏振光气溶胶单粒子散射特性基础上,采用改进蒙特卡罗方法建立了偏振传输模型,对不同湿度水雾环境下可见波段偏振光传输特性进行研究,重点分析水雾环境湿度改变对不同可见光波段偏振光偏振特性的影响情况并建立了接近真实水雾环境,通过室内实验对偏振模型进行验证,对不同湿度环境下的 450、532 、671 nm 线偏振光与圆偏振光的偏振度与偏振态改变进行了比较与分析,仿真模型置信度>60%。研究结果表明:偏振光的偏振度随水雾环境湿度是呈下降趋势。随着波长的增大,偏振度变化趋于平缓,出射偏振度随着波长的增加而变大,当激光波长为 450、532、671 nm 时,偏振度下降点的湿度值分别为 50%、70%、90%;圆偏振光入射,圆偏振光的旋性对于偏振度没有影响,且高于线偏振度值。对于水雾这种容易受湿度影响较大的环境而言,在可见光波段,应该尽量选择较长波长的偏振光进行传输探测,因为湿度对较短波长的影响比较长波长的影响要大,所以,在湿度较大的环境中,较长波长的圆偏振光是偏振保持特性最好的。在湿度较大的环境中,应尽量选取波长较长的偏振光成像,以达到较好的成像效果。     

气溶胶单粒子的偏振散射特性研究

建立了气溶胶单粒子的偏振散射实验装置,采用T-matrix方法模拟球形粒子和长形粒子的光散射计算, 讨论了偏振强度因子(Pf)和穆勒矩阵元素(Z11、Z12)随粒径、形状的变化关系,结果表明,球形粒子和杆状粒子的Pf和Z12随着粒径的增大存在明显差异。通过对单分散的气溶胶颗粒物样品的实验测量,得到不同样品的Pf值和Z12。实验结果表明,以油酸粒子的Z12为基准, 差值△Z12=12可以作为球形的油酸粒子和长形的核黄素以及石棉纤维的区分阈值, △Z12 介于12~41主要为核黄素粒子, △Z12达到59时粒子可被认为是长形的石棉纤维粒子, 而立方形的NaCl气溶胶粒子的△Z12与油酸粒子非常接近,难以区分。初步实验表明,穆勒矩阵元素Z12可以用于识别长形粒子,该研究为颗粒物形态的偏振测量提供依据。     

球形气溶胶粒子对激光散射退偏特性的研究

介绍了气溶胶粒子光散射的基本理论及偏振特性的基本计算方法。根据Mie氏理论,通过建立光散射的穆勒矩阵,建立球形气溶胶粒子的光散射理论模型,并通过递推的方法进行数值模拟,研究了几种典型天气条件下球形气溶胶粒子对光散射偏振特性的影响。     

太赫兹波段下切比雪夫粒子散射特性研究

为探究太赫兹波段下沙尘粒子的散射特性,本文采用离散偶极子近似方法对不同切比雪夫模型(Chebyshev)的沙尘粒子散射特性进行研究。分别计算1.5 THz、2.524 THz、3.437 THz频率下的切比雪夫粒子不同物理性质如粒子尺寸、粒子形状,对其散射特性如后向散射截面(C_bak)、衰减截面(C_ext)、散射截面(C_sca)、单次散射反照率(ω)等的影响。结果表明：同一波纹参数下,1.5 THz时粒子尺寸对C_ext和C_sca的影响较大;2.524 THz时粒子尺寸变化对C_bak影响较大;同一频率下,波形参数为2～5的粒子尺寸变化对各光学截面的影响较其他形状有明显不同;三个频率下,各波纹参数的粒子在有效半径大于10μm时单次散射反照率都大于0.95。     

偏振光在冰水混合云中的传输特性

根据米氏理论,分别计算了由纯水、纯冰和冰-水同心球形粒子构成的平面平行、各向同性云层的单次散射特性(单次散射反照率、不对称因子以及单次散射相矩阵).根据辐射传输理论,利用累加法求解了矢量辐射传输方程,得到了3种不同构成云层的多次散射矩阵,对不同波长的太阳光的反射特性进行了比较.结果表明,反射光的偏振度比强度对云层的微观...     

Analysis of the polarization characteristics of scattered light of underwater suspended particles based on Mie theory

Aiming at the problem of underwater polarized laser scattering caused by underwater suspended particles, the equivalent spherical particle Mie scattering theory simulation method is used to study the polarization characteristics of underwater scattered light. The relationship between underwater suspended particle characteristics and optical characteristics is analyzed, and the effects of particle size, polarization characteristics of incident light, and angle of incidence on the degree of polarization of forward and backward scattering light are studied. The results show that:When the incident light is natural light, the degree of polarization of scattered light is very low at the forward-scattering angle, which increases with the increase of the scattering angle, but changes frequently with the increase of the particle size. When the incident light is linearly polarized, the degree of linear polarization of the scattered light is related to the azimuth Angle. The degree of circular polarization is largely unaffected by particle size.     

二维非球形粒子随机介质中光场的传输特性

研究了散射粒子形状改变对光波在二维随机介质系统中的传输情况的影响。基于整体散射效应模型,建立了非球形粒子作为散射粒子的二维随机介质的模型。构建了模型的Maxwell方程,采用非均匀网格划分的时域有限差分(FDTD)方法解Maxwell方程,得到了TM模在非球形粒子二维随机介质模型中的传输及空间分布。采用快速傅里叶变换(FFT)对仿真获得的数据进行频谱变换,得到光波在频域上的发射谱。与以往的研究相比较,仿真结果表明,在非球形粒子系统中,光波的电场强度与球形粒子系统中电场强度随着散射粒子浓度的增加而增加不同,而是出现振荡的现象;发射谱显示,非球形粒子系统的模式竞争强于球形粒子系统,更易于实现模式选择。     

利用近场多波长激光雷达对生物气溶胶的偏振测量

基于非球形粒子偏振特性,设计并试制了近场偏振激光雷达。该系统包含二个激光光源和退偏组件,激光束的线偏振度为1/500,偏振和弹性散射信号由孔径200 mm的卡塞格林望远镜接收。在一个半封闭的生物气溶胶腔里,对10种生物气溶胶,按355, 532, 1064 nm的顺次进行线偏振测量。数据分析结果表明,退偏比表现出较强的波长依赖性; 利用欧氏相关度和马哈拉诺比斯距离,可以确定多波长线偏数据的差异,并对生物气溶胶进行分辨。     

NUMERICAL SIMULATIONS OF POLARIZED SCATTERING FROM RANDOM CLUSTERS OF SPATIALLY-ORENTED, NON-SPHERICAL SCATTERS

Employing multiple scattering formulation of T-matrix method, numerical simulations are developed and applied to polarized scattering from random clusters of spatially-oriented, non-spherical particles. Polarized scattering is numerically presented for the functional dependence on particle shape, size, spatial distribution and orientation, and other physical parameters. Numerical calculations of backscattering from randomly clustered particles are well compared with that from independent particles and clusters. It can be seen that spatial distribution and orientation of non-spherical particles can have significant effect on scattering.     

火灾烟颗粒Stokes散射矩阵的实验研究

针对火灾烟颗粒的Stokes散射矩阵,利用电光调制器、1/4波片、偏振片及锁相放大器等设计与搭建了火灾烟颗粒光散射实验平台;并基于该平台测量了棉绳阴燃、正庚烷明火及檀香阴燃生成的3种烟颗粒的Stokes散射矩阵中16个元素的角度分布.实验结果表明,这些烟颗粒在光散射过程中都体现出明显的非球形效应,尤其是阴燃过程生成的灰烟颗粒.这说明基于球形模型的Lorenz-Mie散射理论对于分析烟颗粒光散射特征存在一定的局限性,而为了进一步挖掘火灾烟颗粒光散射过程中的光强与偏振等信息,需要建立合理的非球形模型,从而为光电感烟火灾探测技术的发展提供指导与支撑.     

基于等效球形颗粒数的颗粒物质量浓度算法

从Mie散射理论出发,推导了粒子计数器(OPC)测量球形颗粒物质量浓度的计算公式.考虑非球形颗粒,从颗粒群粒度分布概念出发,提出了统计意义上的等效球形颗粒数概念,给出了非球形颗粒物质量浓度的理论公式,并利用该理论公式阐明了OPC测量非球形颗粒物质量浓度计算公式的合理性,进而给出了基于等效球形颗粒数的悬浮颗粒物的质量浓度算法.实验结果表明,该算法的质量浓度计算值与实际值十分吻合,因而为实现OPC在线测量悬浮颗粒物的质量浓度提供了一种可行途径.     

任意取向非球形群聚粒子极化散射及其数值模拟

利用Ｔ矩阵法，通过严格求解Ｎ个粒子的多次数散射方程，发展了任意大小、空间分布和取向的多个非球形粒子集合性相干散射的数值计算方法。