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...     

基于Mie散射理论的云红外辐射传输研究

在Mie散射理论的基础上,计算了8~14 μm波段不同半径云粒子的散射特性,对散射相函数的特点进行了分析。根据积云、层云和卷云的粒子分布,对三种云的散射相函数、散射系数、吸收系数以及对辐射衰减90%的距离进行了计算,并根据辐射经过云层的传输方程,分析了云粒子前向散射对辐射传输的影响。结果表明:积云和层云对辐射衰减90%的距离分别在20 m、60 m以内,而卷云的可达2km以上。     

团聚形核壳结构冰晶粒子的激光散射特性

地空链路无线光通信链路上,云层是影响激光传输散射特性的主要因素之一,主要是由水滴、冰水或者具有其他混合的核壳结构冰晶粒子等组成。建立了考虑晶核以及中间混合层结构的2、8和39个球形核壳结构团聚冰晶粒子模型,分析了晶核尺寸对于理想团聚形核壳结构冰晶粒子消光、吸收和散射系数的影响;且通过对均匀混合层折射率的计算,对比了纯冰晶、理想核壳和考虑中间混合层的核壳三种多球团聚形冰晶粒子散射强度随散射角度的变化情况。数值结果表明:理想核壳结构和中间混合层的核壳结构对冰晶粒子的散射特性影响较大;相同条件下,三种不同团聚形核壳结构冰晶粒子消光、吸收和散射系数存在显著差异。该研究结果对冰晶粒子的散射特性研究结果更为精确,为开展无线光信号在随机分布冰云中的传输分析奠定理论基础。     

不同类型降水对毫米波传播特性的影响研究

为了提高复杂降水条件下毫米波传播衰减的评估精度,通过分析多个地区的降水谱特征,得出具有代表性的层状云降雨、积层混合云降雨、积雨云降雨以及干雪、湿雪的谱分布参数,然后结合降水粒子的形状、相态、介电模型,计算降水体目标在毫米波波段的散射特性.结果表明,降水强度不是唯一影响毫米波传播衰减的因素; 降水粒子相态、谱分布、入射波频率和温度等对毫米波传播特性均有不同程度的影响,其中谱分布和数密度是影响降雨对毫米波衰减的主要因素; 冰水构成比例是影响降雪对毫米波衰减的主要因素; 不同相态的降水,尤其是干雪、湿雪和雨对毫米波传播影响的差异较大; 而温度的影响较小.并建立了考虑谱分布和温度的降水衰减模型.     

多分散气溶胶凝聚粒子散射特性的数值计算

基于簇团-簇团(Cluster-Cluster Aggregation,CCA)模型,结合气溶胶谱分布函数,模拟了多分散气溶胶凝聚粒子.利用离散偶极子近似方法,数值计算了多分散气溶胶凝聚粒子散射强度的角分布,对比分析了多分散和单分散气溶胶凝聚粒子散射特性的差别,并讨论了散射强度随入射波波长和入射角变化的规律.结果显示:多分散和单分散气溶胶凝聚粒子的散射特性截然不同,凝聚粒子中原始微粒的粒径、入射波长、入射波的入射角等因素都将影响气溶胶粒子的散射特性.多分散凝聚粒子模型更接近实际气溶胶粒子,结果可为全面理解和研究气溶胶粒子散射特性提供参考和有效的计算方法.     

灰霾中主要污染物粒子散射特性的研究

分析了灰霾污染天气条件下气溶胶的物理光学特性,研究了PM2.5污染物粒子主要成分,包含硫酸铵、硫酸、硝酸铵和碳质气溶胶等粒子。运用Mie散射理论对此类灰霾粒子的光散射特性进行了研究,分析计算了上述几种粒子组分的散射、吸收、消光效率因子以及散射相函数。结果表明硫酸铵、硫酸和硝酸铵粒子主要以散射作用为主,吸收效应很弱几乎为零,且散射效率因子随尺度参数振荡衰减最终趋于常数2,而碳质气溶胶粒子则表现出较强的吸收效应。最后通过对比不同半径不同粒子的散射相函数,结果表明粒子相函数对粒子大小和复折射率较为敏感,且前后向散射具有一定的对称性。该研究结果可用于大气污染光学遥感监测。     

纳米级颗粒系对激光的多次散射特性

激光在具有一定浓度的离散随机介质中传输时,将会经历多次散射.为了研究纳米级颗粒系对激光的多次散射特性,建立了一种考虑颗粒多次散射的累加模型.利用此模型研究了纳米级颗粒系对激光的多次散射特性,得到了反射和透射光强随着散射角以及光学厚度的变化关系.粒子的单次散射相函数采用瑞利相函数,并与根据Mie计算的相函数进行了比较.结...     

随机取向内外混合凝聚粒子辐射特性

采用离散偶极子近似方法对随机取向混合凝聚粒子在内外混合状态下的光学截面、单次散射反照率以及非对称因子等辐射特性参量进行了数值计算,详细讨论了混合方式、混合比等因素对混合凝聚粒子辐射特性的影响。研究表明,混合凝聚粒子的混合方式对非对称因子的影响非常大,对散射截面和单次散射反照率的影响比较大,但是对吸收和消光截面的影响不明显。随着凝聚粒子中基本粒子粒径和数量的增大,非对称因子、散射截面以及单次散射反照率受混合方式的影响变得愈加明显。此外,混合比的变化对不同混合状态下的凝聚粒子的辐射特性参量均存在不同程度的影响,并且此影响随着基本粒子粒径和数量的变化而显著变化。混合比相同情况下,所有外混合凝聚粒子的散射截面均大于内混合凝聚粒子的散射截面,而单次散射反照率却相应减小。     

粒子取向以及空气含量对卷云雷达反射率因子的影响分析

为研究卷云的非球形粒子对毫米波雷达的散射特性,利用矩量法计算了卷云六种非球形冰晶粒子最大尺寸与散射截面之间的双指数函数关系.利用三种假设模型:Ⅰ.B-H混合模型、Ⅱ.等效椭球模型、Ⅲ.等效球模型分别验证NASA在2007年7月31日一次卫星与飞机同步测云试验数据,对比后发现模型Ⅰ(B-H模型)模拟4个位置处实测的结果最好,模型Ⅱ的结果其次,模型Ⅲ的结果最差,但是B-H模型模拟1号,2号,3号位置处的雷达反射率因子与实测值相比偏低,分析原因认为粒子谱探测仪器忽略了滴晶粒子贡献.加入滴晶粒子后统一拟合1号,2号,3号以及4号的普适性粒子谱,拟合其满足B-H模型时冰水含量与雷达反射率因子之间的关系式,将CVI仪器实测的冰水含量值代入上面的关系式得到反演的雷达反射率因子,对比CRS毫米波雷达实测的雷达反射率因子可知:当云中冰水含量小于0.1342 g/m3,冰晶中的空气含量对雷达反射率因子的影响要远大于粒子的取向问题;当云中冰水含量介于0.134 2~0.199 4 g/m3,冰晶中的空气含量可以忽略不计而仅考虑粒子的取向问题;当云中冰水含量大于0.199 4 g/m3,B-H模型将不再适用.因此为了利用毫米波雷达反射率因子精确地反演云中冰晶粒子,应以冰水含量为前提考虑B-H模型中冰晶粒子的取向以及空气含量.     

基于用几何光学和米散射法的球形粒子前向散射特性计算研究

分别用几何光学(GOM)、Lorenz-Mie散射方法计算了0.55 m波段球形粒子的散射特性,并对两种计算方法的准确性进行了分析。研究了粒子尺度参数、折射率虚部对粒子0散射相函数的影响。结果表明:在粒子尺度参数大于60时,GOM计算的球形粒子的散射特性与Mie非常接近。在粒子尺度参数小于1 000时,两种方法得到的前向散射相函数与粒子尺度参数均成二次方关系,且计算结果基本一致;随着粒子尺度参数的增大,前向散射与尺度参数之间将逐步失去二次方关系。当粒子尺度参数大于10 000时,采用GOM方法得到的结果要比Mie散射方法的结果偏大;当粒子尺度一定时, 0散射相函数与折射率虚部之间呈先增大后减小的规律。     

1.064μm波长卷云反射率的模拟研究

为了给激光测距、激光对大气的探测等实际工程应用提供理论依据,采用逐线积分方法计算大气分子吸收,结合离散纵标法,并耦合卷云的单次散射特性,对由实心六棱柱状冰晶粒子组成的卷云在波长为1.064μm时的散射特性和辐射特性进行了理论分析,得到了该波长上激光在卷云中传输时的反射率随入射光源的位置、观测器的位置以及卷云参量(云光学厚度、粒子尺度等)的关系。结果表明,卷云在1.064μm附近对激光的主要影响是散射,吸收在消光中占了很小的部分;其次,卷云的散射明显改变了光辐射的空间分布,散射的方向变化主要由卷云的散射相函数以及光线入射角度和观测角度决定。这一结果对实际工程应用(比如激光测距、激光对大气的探测等)是有帮助的。     

5G网络中无人机-车辆非平稳信道模型与统计特性分析

针对无人机到车辆通信场景,提出了一种椭圆-圆柱-半球几何非平稳无人机-车辆信道模型。为了描述收发端周围散射体分布情况,一次散射径的散射体分布用同心椭圆面模拟;在二次散射径建模中,无人机侧散射体分布采用同心圆柱体模拟,并且车辆侧散射体分布使用同心半球体模拟;地面一次反射径的反射点分布则通过半球底面同心圆来模拟。为了进一步研究信道的非平稳特性,在各路径分量的二维角度服从Von Mises分布、Laplacian分布以及Von Mises Fisher分布的基础上,推导了时间自相关函数、空间互相关函数和多普勒频谱密度函数。仿真结果表明,理论值与测量值具有较好的拟合度,所提出的信道模型可以作为无人机到车辆非平稳信道建模的设计方案。     

云的多次散射对激光雷达测量结果影响的研究

为了更加准确地获得大气消光系数和后向散射系数,利用半解析Monte Carlo方法对云的大气多次散射激光雷达回波信号进行了模拟计算。分析了激光雷达接收视场角及光学厚度对多次散射回波信号的影响及水云和卷云多次散射因子与光学厚度的关系。激光雷达测量数据的对比结果表明,多次散射对卷云和水云消光系数影响较明显,而对后向散射系数的影响可以忽略。     

1.315 μm波长冰晶粒子辐射特性的模拟研究

利用逐线积分法(LBL)计算得到了大气分子红外吸收信息,结合不同形状冰晶粒子的单次散射特性,通过离散纵标法(DISORT),模拟计算了由实心六棱柱状冰晶粒子组成的卷云在波长为1.315μm时的散射特性和辐射特性,定性分析了激光在卷云中传输时的衰减和散射规律与入射光的位置、卷云光学厚度、冰晶粒子有效尺度等参数的关系。与晴天大气相比较,卷云的散射明显改变了光辐射的空间分布,被其他传感器探测到的可能性增大,其结果对于激光测距、激光探测等有关工程设计方面有非常重要的参考价值。     

北极冰水混合水域的水声信道预测技术

为在北极冰水混合水域环境下实现可靠的自适应水声通信,本文对此环境下的水声信道预测技术进行研究,利用水声信道的稀疏性,使用时域预测器对少数主要路径进行预测,降低计算复杂度的同时消除大部分噪声影响,提高预测精度。本文利用2018年第九次北极科学考察进行的水声通信试验数据比较了基于不同预测系数获取算法的信道预测方法性能,数据处理结果表明本文方法收敛后的信道预测误差可以达到-30dB,证明可以实现水声信道的有效预测,为冰水混合环境的水声通信提供可靠信道状态信息。      

Optical imaging through clouds and fog

Imaging and detection of objects at optical wavelengths offers better resolution than at microwave or millimeter wavelengths. However, the imaging is severely affected by scattering from fog and clouds. This paper presents a study of optical imaging through clouds by using the point-source vector radiative transfer theory. The point-spread function including complete polarization characteristics is presented with numerical examples at 1 /spl mu/m wavelength showing the effects of aperture size and optical depth on the shower curtain effects.     

非视距大气散射光通信最优化链路分析与设计

提出平均散射相函数,更为准确地反映了云滴粒子的角散射强度分布特性;基于概率论和随机迁移理论,以马尔可夫数据链的形式建立多次散射随机分析模型,借助蒙特卡罗仿真得到给定通信几何构架下的非视距大气光散射链路路径损耗特性;针对大气链路中有无云存在两种实际,从大气气溶胶散射和云散射两个方面分析非视距大气光散射链路的最优化通信构架设计;通过模型仿真结果与实地实验数据的对比验证了分析的合理性。结论与波长相关,实验及仿真均采用808nm波长的激光二极管(LD)作为光源。     

Multiple scattering simulations for the Japanese space lidarproject ELISE

Spaceborne lidar observations have a great potential to improve our knowledge of the atmosphere. However, contrary to ground-based or airborne lidar measurements in observations from space multiple scattering (MS) has to be accounted for under all atmospheric conditions. A simple way to achieve this is to introduce the approximative MS factor F in the single scattering lidar equation. We determined F for measurements of aerosols, ice and water clouds as they were planned with the Japanese space lidar ELISE. We found that F is almost constant in cirrus clouds and in water clouds which are penetrable by lidar. In aerosol layers F depends on penetration depth, extinction coefficient and aerosol type. In comparison to LITE the MS factor is smaller (for aerosols and water clouds) or almost equal (cirrus)     

激光雷达探测水云退偏振比的敏感性研究

利用激光雷达探测水云微物理特性时，雷达回波信号中会出现退偏振信息，这是由激光与云层的多次散射造成的，利用这些退偏振信息可以反演云层特性。利用半解析蒙特卡罗方法研究了波长为0.532m激光雷达后向散射退偏振比对云底高度、云滴大小以及消光系数的敏感性。计算结果表明，对于相同的接收视场角，激光雷达与云层的距离越远，退偏振比越高；消光系数越大，退偏振比越大；雷达接收视场角越大，被接收器捕获的多次散射信息越多，因此退偏振比越大。当穿透深度较小时，云滴尺寸较小的云层退偏比更高，随着穿透深度的增加，云滴尺寸更大的云层退偏振比更大。