机动车颗粒物的激光雷达监测

为了用激光雷达遥测机动车排放颗粒物的浓度分布,从理论上分析了颗粒物后向散射系数和质量浓度之间的关系;利用激光雷达测量的后向散射系数以及黑碳仪测量的黑碳气溶胶质量浓度数据,采用最小二乘法对颗粒物后向散射系数与浓度以及后向散射系数与车流量之间进行了相关性分析。结果表明,激光雷达测量的后向散射系数能够很好地反演机动车颗粒物质量浓度,它们之间存在正比关系。激光雷达探测的气溶胶颗粒物浓度和车流量具有很好的一致性,可以用来研究机动车排放颗粒物的水平分布和扩散特性;这对于机动车的管理以及大气污染控制具有重要意义。     

基于光散射的实时气溶胶粒子形状识别技术研究

利用米氏散射理论和时域有限差分(FDTD)软件计算了不同大小、形状和折射率粒子的前向散射光场分布,分析了通过光强度分布和非对称因子反演粒子相关信息、区分粒形的可行性。研制了一台利用增强型CCD相机在线采集单个气溶胶粒子在5°~19°前向散射角范围内光场图样的装置。8μm粒径的聚苯乙烯球形粒子散射图样实验结果与理论计算对比较为吻合,验证了该装置的有效性。应用该装置对不同形状的气溶胶粒子进行检测,结果表明能够从散射图像和反演计算结果区分出球形、杆状和其他形状粒子。     

多次散射的激光雷达消光系数反演方法研究

给出了在考虑多次散射时大气消光系数、后向散射系数的激光雷达反演方法.用半解析Monte-Carlo方法对大气多次散射激光雷达回波信号进行了模拟计算.讨论了激光雷达接收视场角(FOV)以及光学厚度对多次散射回波信号的影响.米散射激光雷达测量数据反演的结果表明,在反演含有云、雾等大气消光系数廓线分布时,需要考虑大气粒子的多次散射效应的影响.     

Raman-Mie激光雷达测量对流层大气气溶胶光学特性

为了研究合肥上空对流层大气气溶胶的光学特性,研制了一台Raman-Mie激光雷达,用来测量大气气溶胶的消光系数、后向散射系数和激光雷达比的垂直分布。文中介绍了研制的Raman-Mie激光雷达系统和数据处理方法,并且给出了几个测量结果。在冷锋过境时,激光雷达测量的整层对流层中大气气溶胶的后向散射系数的时空变化表明,大量的气溶胶粒子被冷空气输送到合肥上空,大气气溶胶在4 km以下的垂直分布有剧烈的变化,混合层顶的高度被抬升到了3 km附近。Fernald方法和Raman方法反演的大气气溶胶光学特性的对比结果表明,该激光雷达能够测量合肥上空大气气溶胶层中的消光系数、后向散射系数和激光雷达比廓线。     

反常衍射近似在测量圆柱形粒子粒径分布中的应用

在光全散射法颗粒粒径测量中,基于米氏(Mie)理论的计算方法只能求出均匀球形粒子的消光系数,而且计算复杂。通过反常衍射近似(ADA)代替米消光系数,可以简化粒径分布的反演过程。对使用反常衍射近似方法计算圆柱形粒子消光系数的可行性以及限制条件进行深入的研究,并在非独立模式算法下,采用遗传算法反演粒径分布。仿真结果表明,当粒子的相对折射率在一定范围内时,利用反常衍射近似反演圆柱形粒子的粒径分布是完全可行的,反演结果稳定、可靠。对消光值测量结果加入3％相对误差时,反演误差为5．7％。该方法具有简单、直观、计算速度快等优点,适合颗粒粒径的在线测量。     

1次沙尘暴天气的消光特性研究

沙尘暴是一种特殊的自然现象.为了分析沙尘暴对可见光和红外辐射传输产生的影响,利用米散射理论,对北京地区1次沙尘暴天气下沙尘粒子在可见和红外波段的消光进行了计算,并与沙尘暴来临前的测量结果进行了对比分析,得到了沙尘粒子在这些波段的消光特性,并根据激光雷达测量的数据,对沙尘粒子在红外波段的垂直消光廓线进行了反演.这对认识沙尘暴有很大的参考价值.     

基于多模光纤的动态光散射粒径测量研究

介绍了一种用多模光纤构造的动态光散射粒径测量实验系统,系统中没有对接收光纤的孔径角加任何限制措施.分别用单分散,多分散和不同浓度的标准聚苯乙烯乳胶球悬浮液检测了该系统的适用性.结果表明,该系统可准确地测量浓度(体积分数)达5%的聚苯乙烯乳胶球溶液中悬浮颗粒的粒径分布.     

散射能见度仪接收器视场角对测量的影响

散射式能见度仪一般通过透镜限制接收器的视场角,接收光束成张角较大的锥形,测量角度具有不确定性,不符合严格的角散射系数定义.文中提出了使用透镜和阶跃光纤组合方式限制接收器视场角,接收光束为测量角度的入射平行光束,符合严格的角散射系数定义.使用TDA-4B气溶胶发生器产生6种浓度的气溶胶粒子,粒子直径不随浓度变化,对每一种浓度的粒子同时使用透镜和透镜加光纤组合两种限制接收器视场角的方式进行角散射系数的测量实验.通过实验得出,在单分散系条件下接收器的视场角偏大会导致角散射系数测量结果偏大,而通过Koschmieder定律计算得出能见度值会偏小.     

气溶胶质量浓度垂直分布反演模型的研究

激光雷达监测气溶胶垂直分布一直是大气环境监测领域的重要内容之一。为了研究大气气溶胶质量浓度的垂直分布,对气溶胶质量浓度反演模型进行了理论分析和实验验证。在理论分析后向散射系数与质量浓度之间指数关系及气象因子对气溶胶质量浓度分布影响的基础上提出了一种指数修正模型。采用非线性最小二乘法与经验相结合的方法进行了实验验证,获得了模型参量并反演了气溶胶质量浓度的垂直分布。结果表明,修正模型与实际情况更接近,能更好地反映气象因子对气溶胶质量浓度分布的影响,该修正模型对于气溶胶的垂直分布研究具有一定的参考价值。     

弱沙尘环境中太赫兹波的散射与传输特性研究

基于HITRAN2012数据库,采用三次样条插值算法给出了太赫兹波段沙尘颗粒的复折射率随电磁波频率的变化曲线。采用Mie散射理论,分析了不同粒径沙尘颗粒对太赫兹波的散射及消光特性。基于单次散射假定,研究了太赫兹波在浮尘、扬沙等弱沙尘环境中的散射与传输特性,考虑不同条件下沙尘粒子的谱分布,分析了入射频率、粒径分布等因素对散射及衰减特性的影响。结果表明:在1 THz～4 THz太赫兹波段,单个沙尘粒子的散射及消光特性分布主要由粒子的尺寸参数决定。对于尺寸较小的沙尘粒子,后向散射系数随着尺寸的增加而增大。当粒子尺寸较大处于Mie振荡区时,后向散射系数起伏变化较大。在浮沉和弱沙尘两种天气条件下,沙尘粒子群的统计消光系数随着入射频率的增大具有相似的增大趋势。本文研究结果对太赫兹波技术在应急通信、大气环境监测、风沙探测等相关领域中的应用具有参考价值。     

海洋悬浮粒子的光学后向散射率特性研究

后向散射率不仅是机载激光雷达探测海水后向散射信号的重要参量,也是海洋悬浮粒子重要的光学特性,根据米氏散射理论及其散射相函数计算公式,推导出了海洋悬浮粒子后向散射率的计算公式.通过对海水中的藻类粒子和悬浮泥沙颗粒散射相函数的分析,获取这两类主要海洋悬浮粒子各自的后向散射率,并进一步分析了后向散射率与粒子半径和波长的关系.仿真计算结果表明,当探测波长一定时,藻类粒子的后向散射率随粒子半径的增大而增大,而悬浮泥沙颗粒的后向散射率随粒子半径的增大而减小;当粒子半径一定时,藻类粒子和悬浮泥沙颗粒的后向散射率均随探测波长的增大而增大.     

大气后向散射对主动探测激光脉冲的影响

分析了大气散射模型导致的后向散射对激光脉冲的影响,建立了激光脉冲后向散射物理模型,可用于估算后向散射产生干扰脉冲的功率.利用雪崩二极管探测器(APD)对实际大气条件下大气后向散射对探测激光脉冲产生的干扰脉冲进行了测量,结合测量结果和模型计算结果得到气溶胶和分子散射综合相函数值,与实测后向散射相函数值具有较好的一致性,对设计激光主动探测系统具有实际应用价值.     

超光滑基片表面散射的理论研究

从理论和数值模拟两个方面对超光滑表面的散射电磁场进行了分析研究。从极化电流源的散射出发,推导了基片表面背向散射电磁场的微分散射分布。通过与经典散射理论的比较,发现在入射角和散射角都较小时,结论与经典散射理论相一致,但是在入射角或者散射角较大时,两者存在差异,原因是理论中考虑了阴影遮蔽效应,导致了入射光或散射光必须透过两...     

基于anti-Stokes Raman散射温度效应的温度解调理论研究

激光脉冲进入光纤中,与光纤分子相互作用,产生Raman散射和Raylei曲散射。由于Raman散射具有温度效应,其散射光强度受温度调制,可作为温度信息的载体,用于温度解调及测温系统设计。本文提出了可行的温度解调方法及理论推导,并推导出单通道和双通道条件下的测温关系,设计出两种条件下的传感器系统。     

微球体光散射的研究

利用Mie散射理论对微球体光散射特性进行了研究，分析了散射光的偏振、分布规律及微球体对光的散射、吸收与半径的关系。结果表明，微球体的半径大小对光散射及吸收有较大的影响。分析结果可为实际应用中微透镜尺寸的选择以及微透镜阵列光学性能的进一步分析提供依据。     

基于光散射技术的两种能见度探测方法的比较分析

为了提高大气能见度的仪器探测水平,并验证自行研制的车载式拉曼激光雷达探测大气水平能见度的可靠性,使用1种基于可见光波段的前向散射能见度仪,与基于后向散射原理的拉曼激光雷达进行了联合试验,对两者测量结果,进行了分析和讨论,结果表明这两种探测手段具有较高的相关性.同时,通过对前向散射原理的探讨,为能见度仪的国产化提供了参考,也检验了国内首台车载式拉曼激光雷达在测量能见度方面的可靠性,扩展了它的应用领域.     

基于Mie散射理论的磷化镓粒子散射特性

基于Mie散射理论,对磷化镓微球粒子从紫外光区到红外光区的光散射特性进行了数值计算与理论分析,得到了散射强度与散射角、粒子尺寸参数、偏振度与散射角以及光学截面与粒子尺寸参数的关系。结果表明,入射波长越长,粒子半径越小,散射越弱;并且在红外波段光散射很弱,在散射角90°方向上能观测到线偏振光,这为磷化镓材料的制备与应用提供了理论参考。     

轻霾天气下大气多次散射对激光通信的影响

为了了解多次散射对轻霾天气下大气激光通信的影响程度,建立了轻霾天气下大气多次散射的模型,并进行了分析,从理论上证明了在轻霾天气下前向散射对光接收的影响可以忽略。这为设计大气激光通信光收发系统提供了理论依据。     

单脉冲激光散射探测研究

利用低空激光大气传输模型,对1.06μm激光在大气中传输时散射辐照度的分布进行了数值计算,通过与相同条件下的激光器回波信号能量进行比较,发现计算结果在理论分析上存在较大差异,其原因是未考虑激光器的单脉冲特性。通过对在单脉冲工作方式下的激光散射能量公式进行改进,提高了散射探测的计算精度。     

激光信号大气散射探测分析

有些应用场合需要利用大气气溶胶对激光的散射来探测激光。在都市郊区大气模型条件下,利用米氏散射理论,对1.06μm激光在低空大气中传输时散射辐照度的分布进行了理论分析和数值计算。得到激光大气散射辐照度随离轴距离的增大近似按反比规律缓慢下降、能见度仅影响散射强度的大小而不影响散射强度的分布等特征。这些特征在激光散射实验中得到了初步的验证,可为激光信号的散射探测提供理论依据和参考。