混合层折射率对核壳冰晶散射特性影响研究

为进一步研究冰晶粒子的激光散射特性,建立了考虑中间混合层的多层核壳冰晶粒子结构模型,给出了均匀混合介质层的折射率计算式。展开讨论了0.86 μm、1.06 μm两波长下,中间混合层厚度、粒子尺寸大小等对烟煤-冰晶、烟煤-冰晶-水雾两种特殊核壳结构冰晶粒子散射特性的影响。数值结果表明:与理想的核壳结构冰晶粒子相比,考虑中间混合层的核壳结构冰晶粒子的散射强度较小,随着核壳结构冰晶粒子分层数的增多,散射特性差异增大。散射强度与粒子尺寸成正比,且随着粒子尺寸的增大,核壳结构冰晶粒子散射光的方向性增强,散射光强随散射角度的分布越复杂。     

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。     

卷云短波光学特性

卷云一般分布在对流层上部到平流层下部,它主要由分布在大气高层的各种形状的冰晶粒子组成.冰晶粒子的散射特性在气候模式、辐射传输和遥感领域都具有非常重要的意义.利用Yang等计算的几种冰晶粒子的散射特性数据库,假定卷云粒子谱分布符合Γ分布,得到了卷云的平均单次散射特性,包括实心与中空六棱柱、六角平板、子弹花、聚合物以及星形枝状六种非球形冰晶粒子在短波0.2～5.0μm波段的消光效率因子、吸收效率因子、散射相函数等.展示了卷云短波散射性质随波长、卷云有效尺度和卷云中冰晶粒子形状的变化关系,并分析了其变化的可能原因.     

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。     

对称非球形冰晶对太赫兹波的衰减效应

水汽凝结体对太赫兹波在大气中的传输衰减起重要作用。结合T-matrix方法,数值模拟了云层中非球形冰晶在太赫兹波段的吸收和散射效应,建立了对称性非球形冰晶的太赫兹波衰减统计模型。分析了不同结构的非球形冰晶的消光特性,对比MPM模型的球形水云衰减,结果显示太赫兹波段对称非球形冰晶的散射特性明显,衰减效应强于球形水滴,衰减系数平均为20 dB左右,1 THz以上消光截面随冰晶形状的变化而变化,为太赫兹星地通信提供了参考数据。     

多激光波长在不同稀薄随机分布冰晶粒子层的散射特性

依据稀薄随机分布冰晶粒子的激光散射特性,当球形冰晶粒子分别服从指数、对数正态、Gamma三种不同分布时,数值计算并分析了0.65、1.31、1.55 m激光入射下不同稀薄随机冰晶粒子层的微分散射截面随散射角的变化关系。结果表明:入射激光波长的改变对冰晶粒子层的微分散射截面有一定的影响;当冰晶粒子服从指数分布时稀薄随机分布冰晶粒子层的微分散射截面最大,要比其他两个分布大几个数量级;不同激光波长和冰粒子的尺度分布对稀薄随机分布冰晶粒子层的激光散射特性有较大影响。文中所做的工作为进一步开展地空链路中冰晶粒子云层对激光传输特性的影响研究奠定基础。     

水雾对红外光谱遮蔽衰减特性研究

从理论上简要阐述了水雾对红外光谱的遮蔽衰减特性,用朗伯—比尔定律描述、分析了红外光谱在辐射传输过程中辐射经水雾吸收和散射后的能量变化.同时用米氏散射理论解释、计算水雾粒子的散射系数、消光系数并考虑路径辐射过程其他因素的影响.并且通过检测评估说明了水雾对红外辐射能量的遮蔽衰减特性.     

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。     

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。     

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。     

Time-varying ice crystal orientation in thunderstorms observed withmultiparameter radar

Repeated changes associated with lightning have been observed with multiparameter radar in the echoes from the tops of Florida thunderstorms. These lightning-related radar signatures are interpreted as changes in the orientation of ice crystals being preferentially aligned parallel to the in-cloud electric field. The changes occur at intervals on the order of 10 s and are easily observed in the signatures of the differential propagation phase shift and the linear depolarization ratio which are sensitive to propagation effects caused by the oriented ice crystals. The orientation of ice crystals aloft has been previously observed using circularly polarized radar while the simultaneous differential phase shift and linear depolarization measurements reported were obtained with a dual-linear polarized radar. The observations indicate crystal orientation angles greater than 450 and occasionally near vertical. In one case, the crystals were found to be oriented in a layer near radar cloud top spanning a 20-km range and 3 km in depth     

考虑多次散射的卷云几何特征和光学特性反演方法

研究了考虑多次散射的卷云几何特征和光学特性反演方法,对反演卷云高度和卷云激光雷达比的方法进行了改进。采用多次散射因子对卷云消光系数曲线进行修正,选取云底及云顶附近高度消光系数变化率的均值求解云层高度修正误差,对微分零交叉法求解得到的卷云高度进行修正,实现了较为精确的激光雷达云层高度反演。采用以边界值处消光系数和卷云光学厚度为约束条件的粒子群算法,求解卷云有效激光雷达比,选用半解析Monte Carlo方法,计算总散射信号与一次散射信号的比值,并结合Platt多次散射因子方程求得多次散射因子,实现了卷云激光雷达比的准确求解。使用Mie散射激光雷达真实回波信号进行了验证。结果表明,该改进方法具有较高的精度,更具应用价值。     

Scattering from ice crystals at 94 and 220 GHz millimeter wavefrequencies

Polarimetric scattering from cloud ice crystals modeled as hexagonal columns, hexagonal plates and stellar crystals are calculated at 94 and 220 GHz frequencies using the finite difference time domain (FDTD) method. Two orientation models are considered, In the first model the long axes of columns and broad surfaces of plates and stellar crystals are parallel to the horizontal plane and randomly oriented on this plane. The second model assumes uniform random orientation in three dimensions (3-D). The ratio of the backscattering cross sections at 220 and 94 GHz exhibits a steady decrease with increasing size up to about 1000 μm (2000 μm for columns) for horizontally aligned ice crystals at side incidence as well as for 3-D random orientation. This dual frequency ratio (DFR) may be useful in gauging the size of ice crystals, DFR may also be useful in discriminating between ice crystal types since it shows major differences between columns and planar crystals. The linear depolarization ratio (LDR), i.e. the ratio of the cross-polar to co-polar backscattering cross sections, at vertical incidence for the horizontal alignment model is much higher for columns (over 20 dB) compared to plates and stellar crystals. As a result LDR also has the potential for discriminating columns from planar crystals, Furthermore, the normalized Mueller matrices for horizontally aligned columns at vertical incidence are shown to be diagonal and a function of only LDR. This same result applies to the 3-D random orientation model for all three crystal types     

MPL-A1/T型微脉冲激光雷达的研制与应用

微脉冲激光雷达(MPL)是大范围探测大气气溶胶廓线的理想工具,在简单说明原理的基础上介绍了MPL的特点与应用;针对同轴和非同轴结构的MPL,重点讨论了在研制过程中的关键技术;给出了研制的MPL-A1型和MPL-T型MPL探测大气气溶胶消光系数廓线、云层结构和实际连续观测的结果.     

核壳双层颗粒的外层介质对散射光的影响

简要介绍核壳双层颗粒的散射理论 ,利用数值计算探讨波长不同时核壳双层颗粒与单层颗粒散射光的不同 ,详细分析核壳双层颗粒外层介质的厚度、折射率对整个核壳双层颗粒散射光的影响     

不同核心尺寸及壳层厚度CdTe/CdS量子点非线性光学及超快动力学特性

CdTe核壳结构半导体量子点具有特殊的非线性光学和超快动力学特性,使其在太阳能电池、光电子器件、生物标记和光纤传感领域有着广泛的应用前景。主要研究了6种不同核心尺寸、不同壳层厚度CdTe/CdS核壳结构半导体量子点的非线性光学和超快动力学特性。在波长400 nm、脉冲宽度130 fs激光脉冲作用下采用Z-Scan技术测量了样品的非线性吸收和非线性折射系数。实验结果表明,CdTe/CdS核壳结构量子点的壳层厚度影响非线性吸收和非线性折射特性,非线性吸收和非线性折射系数均随壳层厚度增加而增大。核心尺寸主要影响非线性吸收特性,非线性吸收系数随核心尺寸的增大而减小。在波长400 nm、脉冲宽度130 fs、频率1 kHz、单脉冲能量400 nJ条件下采用飞秒时间分辨瞬态吸收光谱技术测量了样品的超快动力学特性,得到了瞬态吸收光谱和超快动力学曲线。结果表明漂白信号上升过程时间随壳层厚度的增加而变大。快过程衰减时间随着壳层厚度的增加而变大,同时随着核心尺寸增加而增长;慢过程衰减时间随着壳层厚度的增加而变大。研究揭示了CdTe核壳结构量子点的核心尺寸、壳层厚度对非线性光学和超快动力学的影响规律,为核壳结构量子点的制备和光物理特性研究提供了理论基础。     

Mie散射激光雷达研究成都地区大气边界层结构

基于Mie散射大气激光雷达,对成都地区大气边界层结构随时间变化的特性进行了研究。首先,应用Klett算法对大气激光雷达回波信号进行了反演,得到大气消光系数和后向散射系数。然后,通过对大气后向散射系数曲线进行拟合得到大气边界层混合层高度以及卷夹层厚度等特征参量。基于实测数据对成都地区大气回波信号进行了反演,结果表明,成都地区大气边界层混合层高度较低,卷夹层厚度较薄,且随时间变化的趋势较缓慢,这与成都地区特殊的地理状况有关。