沙尘暴对太赫兹波传播的影响

为研究太赫兹波在沙尘暴中的传播特性,应用Mie散射理论研究了太赫兹波段沙尘粒子的散射特性,得到沙尘粒子的散射效率因子、消光效率因子和吸收效率因子随粒径、太赫兹波长的变化关系。基于沙尘粒子尺寸的对数正态分布,数值计算了沙尘暴的太赫兹衰减。研究结果表明,沙尘的衰减随能见度的增大而减小,波长越小,沙尘暴引起的太赫兹波衰减越大;波长为40 μm时,沙尘暴对太赫兹波传播影响最大,浮尘对太赫兹波传播影响最小。低能见度沙尘暴对太赫兹波传播影响明显。     

沙尘暴多重散射对毫米波衰减影响研究

根据随机介质中电波传播理论,应用等效介电常数法和Mie理论,研究毫米波在沙尘暴中传播的衰减;并应用Monte Carlo方法,研究沙尘暴大气中毫米波多重散射对衰减的影响.分别得到了单次散射和多重散射时沙尘暴引起的毫米波段几个大气窗口频率的特征衰减,及随沙尘大气能见度和沙尘粒子水含量的变化关系.结果表明,当能见度小于1 km时,随着能见度的减小,特征衰减增大很快,多重散射的影响也愈来愈大.衰减随含水量的增加而增加,尤其当沙尘粒子水含量大于1%时增加较为显著.因此,对于预测自然沙尘暴大气对毫米波的衰减,当能见度小于1 km时,必须考虑粒子的多重散射效应.当沙尘粒子的水含量超过1%时,需要考虑水含量的影响.这些研究对民用和军用通信、遥感等系统的开发和应用均具有重要的实际意义.     

沙尘暴对低层大气红外辐射的吸收和衰减

根据Mie散射理论用数值法研究了沙尘粒子对大气红外辐射的散射,消光和吸收效率,揭示了不同粒径的沙尘粒子在不同红外辐射波段消光和吸收的特点。考察了三种典型的沙尘天气-浮尘、扬沙和沙尘暴时沙尘对红外辐射的吸收系数和消光系数,得出了沙尘暴天气对红外辐射具有显著的吸收和衰减特别是对于λ=2-2.6υm和λ=3-5υm这两个红外大气窗口的衰减最严重的结论。     

太赫兹波在沙尘中衰减特性

为了研究太赫兹波在沙尘大气中的衰减特性,根据Mie散射理论计算了单次散射情况下沙尘粒子不同尺寸参数下的散射效率因子和不同散射角下的散射相函数值。并得到了具有一定尺寸分布的沙尘粒子的单位距离衰减和能见度的关系曲线。还利用Monte Carlo方法对太赫兹波在沙尘中的多次散射特性进行了模拟计算,分析了不同能见度和不同沙尘类型对太赫兹波传输过程中能量损耗的影响。结果表明:单次散射条件下沙尘粒子的散射主要受尺寸参数影响;沙尘能见度较低时必须要考虑多次散射的影响。研究结果对太赫兹技术在大气环境监测和烟尘和风沙的探测等方面的应用具有参考价值。     

沙尘在FSO常用红外波段的散射特性研究

研究红外波段沙尘的散射特性对自由空间光通信（FSO）具有重要的理论意义。针对FSO常用的几个红外波长,采用Mie理论对激光在不同沙尘粒径下的散射特性进行了分析;基于粒子尺寸的对数正态分布模型,计算了沙尘条件下红外波段（0.76~10.6 m）激光的传输衰减率。结果表明:在沙尘条件下,7.4~8.0 m这一波段附近的传输衰减最小,并且明显低于其他波段。因此,可以选用7.4~8.0 m这一波段的激光进行沙尘条件下的激光通信,其传输性能会明显优于其他波段。最后,以波长1.064 m为例,分析了能见度随粒子浓度的变化关系,并与蒙特卡罗方法的计算结果进行了比较。     

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。     

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.     

激光在沙尘暴中的衰减特性研究

复杂环境中激光传输和散射特性是目标与环境光散射特性研究的基础。主要讨论了激光信号在沙尘中的传输衰减特性。根据Mie理论研究了具有一定粒径分布沙尘粒子对于激光信号的单次散射衰减特性，给出了不同分层沙尘粒子的平均散射截面、粒子平均反照率、平均不对称因子和平均相函数。利用四通量法和蒙特卡罗法研究了激光在分层沙尘大气中的多重散射和斜程传输衰减特性，并给出它们与能见度及高度的变化关系。最后，在考虑多重散射时，分别用以上两种方法数值计算了1．06μm激光在斜程沙尘大气中的衰减率，并与单次散射结果进行了比较。结果表明，能见度较低时，不考虑多重散射效应会带来较大的误差；在斜程沙尘大气激光传输时，随分层数增加，数值结果就越精确。     

石墨烯红外波段复折射率及消光性能研究

石墨烯是一种新型二维纳米碳材料,在红外干扰方面具有很大的潜在应用价值,其红外消光特性值得深入研究。文中利用红外椭偏仪测量了石墨烯压片在红外波段的椭偏参数,计算得到其红外波段的复折射率,采用离散偶极近似(DDA)方法计算了石墨烯在2~14 μm波段的效率因子、消光系数与入射波长、粒子直径和厚度的关系。计算结果表明,石墨烯在2~14 μm波段具有优异的红外消光性能,其消光性能主要取决于材料的吸收性能,吸收作用大于散射作用,同时粒子对近、中红外辐射的消光性能明显好于远红外波段;消光效率因子和消光系数随波长增加逐渐减小;消光效率因子随粒子直径的增加而增大,近、中红外波段的消光系数大于远红外波段,其中直径0.25~1 μm粒子的消光系数最大,直径1~4 μm粒子的消光系数随直径增加逐渐减小,直径大于4 μm的粒子对各波段红外的消光能力受粒度变化的影响很小;消光效率因子随粒子片层厚度的增加逐渐增大,近、中红外波段的消光系数随厚度的增加有所减小,而远红外波段的消光系数受粒子厚度变化影响不大。     

近红外波段气溶胶的消光特性研究

在已知大气气溶胶折射率和气溶胶谱分布的基础上,对近红外波段的气溶胶消光特性进行了研究。利用Mie散射理论计算并讨论了气溶胶的消光、散射、吸收效率因子随尺度参数的变化和消光系数随半径和波长的变化,并且在MATLAB中对各种变化情况进行了仿真。结果表明,三种气溶胶粒子的消光和散射能力依次为沙尘性粒子,水溶性粒子,烟煤。消光系数在粒子半径和入射波长相近时达到最大,并且粒子半径对消光、散射、吸收系数的影响比入射波长更明显。这些结论可以为红外辐射在大气中的衰减计算和分析提供依据。     

矩量法计算烟幕粒子的红外消光特性

基于矩量法建立了旋转体烟幕粒子的红外消光模型,对圆片、等效球体和等效柱体等形状的石墨粒子进行了消光性能计算,研究了形状、尺寸、厚度等参数对粒子红外消光能力的影响.计算结果表明,小尺寸粒子以吸收消光为主,大尺寸粒子以散射消光为主;圆片形状的粒子具有最佳的红外消光能力,厚度变小时,圆片粒子对红外的消光能力显著升高;半径在1...     

Multiple Scattering Solution of Millimeter Wave Propagation in Strong Sandstorm

As the operating frequencies of communication systems more higher into the millimeter wave range, and the density of particles in medium is more denser, the effects of multiple scattering in sandstorm become more significant. This paper treats the problems of electromagnetic multiple scattering in strong sandstorm by the Monte Carlo method. Based on the analytical theory of multiple scattering, the millimeter wave propagation and scattering in discrete random media are investigated by means of the particle-tracking technique. The millimeter wave is regarded as a Markov chain of wave particle collisions in a medium in which it is scattered and absorbed. Considering the effect of multiple scattering, millimeter wave attenuation induced by strong sandstorm is simulated numerically. The values of theoretical calculation are in good agreement with the measured results of simulated experiment at 34 and 93 GHz.     

0.55 µm 激光在复杂组分雾霾中的散射传输特性

基于典型雾霾粒子的消光、吸收、散射截面、不对称因子参量和粒径分布函数的分析, 运用蒙特卡罗方法研 究了不同组分、不同混合方式的雾霾介质中波长 0.55 µm 激光的传输散射特性, 比较了典型污染物颗粒介质对光的透 射率影响。研究表明, 同等浓度下, 硫酸铵介质对光的透射率最高, 碳溶胶介质的透射率最低, 且雾霾的透射率小于灰 霾透射率。此外, 对不同混合状态簇团粒子组成介质的透射率比较分析表明, 典型污染物粒子外混合状态和内混合状 态对光的衰减性几乎相同, 而雾霾介质中水组分的分布对光的透射率有明显的影响。     

Monte Carlo simulation for millimeter wave propagation and scattering in rain medium

As the operating frequencies of communications systems more higher into the millimeter wave range, the effects of multiple scattering in precipitation media become more significant. This paper treats the problems of electromagnetic multiple scattering in rain medium by the Monte Carlo method. The em wave is regarded as a Markov chain of photon collisions in a medium in which it is scattered and absorbed. For the sake of simplicity, the polarization is not taken into account, the above mentioned problems are described by the scale integro-diffierential equation of transfer. When the plane wave through a random medium with particle size distribution, the technique of weighted average is used to characterize the radiation intensity, including average scattering, absorption coefficients and phase function. The Monte Carlo simulation algorithms are done for the rain attenuation and reflectance at millimeter wavelength region. Our computational results are in good agreement with experimental data of rain attenuation.     

太赫兹波在烟尘气溶胶中的传播特性

随着太赫兹波技术的发展,对其在各种大气条件下的传播特性的研究是很有必要的。本文利 用扩散限制凝聚模型(DLA 方法)模拟了组成烟尘气溶胶的簇团粒子,并利用广义Mie 理论(GMM)方法 计算了不同基本粒子个数的单个簇团粒子对波长分别为30μm、35μm 和40μm 的太赫兹波的散射特性。 另外本文还利用蒙特卡罗方法模拟计算了浓度较大的烟尘气溶胶对太赫兹波的衰减特性并将结果与波 长为6.2μm 的红外波段的结果进行比较,结果显示,太赫兹波在烟尘气溶胶中传播的衰减要小的多, 这也说明太赫兹波更加适合在烟尘气溶胶中传播。     

基于雨滴谱分布数据库的近红外辐射衰减研究

为了研究降雨对近红外辐射的衰减,定量评估降雨对近红外设备的影响,在雨滴谱分布二元函数模型建立的基础上,提出了一种雨滴谱分布数据库的建立方法,对LAWS和PARSONS在美国华盛顿地区测量的雨滴谱分布数据进行拟合,建立雨滴谱分布数据库。基于雨滴谱分布数据库,结合米散射理论和衰减系数公式,得到了1μm,2μm和3μm波长近红外辐射的消光效率因子与雨滴直径的关系曲线,并计算了在降雨量分别为0.25mm/h,1.25mm/h,2.5mm/h,12.5mm/h,25mm/h和50mm/h条件下的近红外辐射衰减系数。结果表明,不同降雨量条件下,对于雨滴谱分布的函数关系式,正态分布具有更好的拟合效果;消光效率曲线的包络线随波长的增大而增大;拟合衰减系数和降雨强度的函数关系发现,指数函数具有很好的拟合效果。该计算结果对研究降雨对近红外辐射的衰减具有重要意义。