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。     

1.06 μm激光气溶胶凝聚粒子散射特性

气溶胶是大气电磁环境中的重要组成部分,气溶胶粒子严重影响1.06 m激光的传输特性。单次散射反照率和不对称因子是研究气溶胶中激光传输特性的一个重要参量。基于CCA模型,模拟了由64个球形原始微粒凝聚而成的四种取向气溶胶凝聚粒子。利用离散偶极子近似方法,数值计算了1.06 m激光入射情况下四种形状气溶胶凝聚粒子的单次散射反照率和不对称因子随入射角变化的值;并分析了尺寸参数对单次散射反照率和不对称因子的影响。结果显示:对于相同数目原始微粒的气溶胶凝聚粒子,其单次散射反照率和不对称因子明显依赖于入射光的入射角度和气溶胶凝聚粒子的形状;对于不同尺寸参数的气溶胶凝聚粒子,其单次散射反照率和不对称因子随尺寸参数的增大而增大,当尺寸参数大于3时,气溶胶凝聚粒子的散射主要集中于前向散射。     

非球型粒子对激光偏振特性的影响

球形粒子群的偏振散射特性已经通过研究获得,但是真实环境中粒子形状为非球形,非球型粒子的多次散射偏振特性规律尚未得到。基于T矩阵计算方法对非球型粒子散射模型进行了改进,获得了非球型粒子的散射振幅矩阵,对椭球形粒子,圆柱形粒子以及且切比雪夫粒子的偏振特性进行了模拟,分析了不同横纵轴比、形状、波长对粒子偏振特性的影响。研究结果表明:对于椭球形粒子而言,偏心率由2变为3后偏振度最大值从散射角130°变为90°,450、532、671 nm的偏振度分别增大了50%、25%、24%;圆柱粒子长短轴互换对于偏振度的改变影响不大。切比雪夫粒子表面的不规则度由3变为8后,偏振度增大了18%。研究结果为非球型粒子群的多次散射特性提供了理论基础,最终解决了真实环境与理想环境之间的偏振传输特性差异的问题。     

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。     

利用球-旋转椭球模型研究上皮组织散射特性

组织模型在组织成像机理及光学疾病诊断技术的研究和改进中发挥着重要作用。然而上皮组织细胞中不仅包含球形散射体,往往还包含椭球形散射体。目前对包含椭球散射体的上皮组织模型的研究还鲜有报道。建立了上皮组织的球-旋转椭球散射模型,利用Monte Carlo算法仿真分析了模型参数的变化对前向散射光强分布及穆勒矩阵极分解参量的影响。结果表明,旋转椭球散射系数、体积和长短轴比的增大均会导致组织模型的去偏作用增强,其中散射系数对去偏的影响最显著;各向异性分布的旋转椭球具有相位延迟作用,且相位延迟随椭球散射系数及长短轴比的增大而增大,随椭球体积的增大而减小。该研究对早期癌变诊断技术的研究具有一定指导意义。     

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。     

折射率和粒子尺度对大气气溶胶光散射特性的影响

采用Mie散射方法计算了小尺度范围内,0.65 m波长大气气溶胶粒子光学特性与折射率、粒子尺度参数的关系,并分析了折射率虚部对气溶胶粒子散射相函数的影响。结果表明:在小尺度范围内,气溶胶粒子散射特性受折射率、尺度参数影响较大,折射率实部和尺度参数对消光效率因子等非散射角散射参量的影响存在一定程度的对称性。同时还发现,在特殊散射角位置,无论对于单粒子还是对于多分散粒子群系统,气溶胶粒子（群）的散射相函数与折射率虚部基本无关,不同折射率虚部的散射相函数在前向散射方向存在交点,交点位置随粒子尺度参数的变化基本为高斯分布。随着粒子尺度参数的增大,交点位置向前向小角方向移动,并逐步趋于离散。这一结论对了解大气气溶胶粒子的散射效应具有一定的参考意义。     

大气气溶胶粒子散射相函数的数值计算

大气气溶胶粒子作为大气电磁环境的重要组成成分之一,在紫外、可见到红外波段内严重影响电磁波的传输特性。散射相函数是研究气溶胶中电磁波传输特性的一个重要参量,依据粒子电磁散射理论,数值计算了球形和椭球形气溶胶粒子在红外波段给定波长入射时散射角余弦的一阶矩,给出了气溶胶粒子HG相函数和改进HG*相函数的数值结果,并将球形气溶胶粒子的这两种相函数和Mie散射相函数进行了对比。结果表明:随着波长的增加及气溶胶粒子尺寸参数的减小,HG*相函数能更好地体现红外波段气溶胶粒子的散射特性。相函数的准确计算可为研究气溶胶中红外激光的传输特性奠定基础。     

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。     

云粒子探测器研究

介绍了米氏(Mie)散射理论,设计了基于米氏散射理论的云粒子探测器.该探测器使用685nm的二极管激光器照亮敏感区域的云滴粒子.光学接收部分分为前向散射和后向散射两部分,前向散射接收云粒子立体角在4°～12°的散射而后向散射接收126°～134°之间的能量.根据前向散射信号的强度可以确定云滴粒子尺寸,云粒子尺寸确定后,可以利用前向散射和后向散射的比值推断被测云粒子的相态.利用米氏散射理论计算了云粒子散射能量强度随粒子尺寸的变化和前、后向散射能量比随云粒子折射率的变化.     

辐射传输方程中的单次散射参数计算

根据米氏(Mie)理论,计算了多分散球形气溶胶粒子的单次散射特性。粒子的尺寸分布为伽马分布,有效半径分别为5.56,7和11μm,分析了0.4～100μm光谱范围内气溶胶粒子的平均消光系数、平均散射系数、单次散射反照率、不对称因子以及相矩阵与粒子的尺寸参数以及折射率的关系。结果表明,在可见光波段,粒子的有效半径对粒子的散射特性影响较小,在更长的波段上其影响较大;单次散射反照率在可见光范围内近似为1,随波长的变化和水滴折射率虚部随波长的变化曲线正好相反,这说明影响其大小的主要因素为粒子的折射率,即虚部越大则反照率越小;且极化率对粒子的尺寸比相函数更敏感。     

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。     

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。     

一层随机分布的异向材料小椭球粒子的极化散射特征

该文推导了异向材料(Metamaterial)小椭球粒子的复散射振幅函数。构造了一层随机取向的异向材料小椭球粒子全极化散射的Mueller矩阵解。计算和比较了异向材料粒子和通常介质粒子的散射特性、同极化后向散射系数hh, vv, 以及hh－vv 随频率的变化。计算了任一椭圆极化入射下一层非均匀取向的随机分布异向材料粒子的同极化和交叉极化后向散射系数,以及随机粒子产生散射场去极化的极化度。解释了异向材料的媒质参数对粒子散射特性的影响和一层粒子的散射机理。结果表明:与通常介质粒子比较,异向材料粒子的散射产生了特征方向性的增强,全极化散射呈现非对称模式,并且由于异向材料的 和与频率的特殊关系,一层异向材料粒子的hh－vv 随频率有显著的复杂变化。     

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。     

对流层太赫兹波散射特性研究

基于Mie散射理论分析了球形近似下对流层气溶胶粒子对太赫兹波段的散射特性。通过模拟对比,得出对流层四种粒子在太赫兹波段的散射能力。研究发现,粒子的尺度参数对散射强度的影响比较明显,随着粒子尺度参数的增大,散射相位函数振荡越强,散射强度逐渐变大;散射光逐渐前向集中于更小的角度;曲线越来越尖锐,且出现了更多分叶。仿真给出了波长对散射参数的影响。本文利用Matlab给出了四种粒子太赫兹波段的散射仿真,研究结果对太赫兹技术在气象相关领域的应用具有一定的参考价值。     

前向散射和衍射对气溶胶消光特性测量的影响

气溶胶的消光特性通常利用所测得的透过率来计算得到。然而,在透过率测量中,粒子的前向散射和衍射光将到达探测器,增强了透射光,从而导致计算所得到的消光截面积等参数变小。本文引入束效率因子和有效消光截面来考察上述影响,得出的结果表明,粒子的散射相函数分布决定了误差的大小,为了减小前向散射和衍射带来的误差,气溶胶和探测器之间的距离应尽可能的大。     

多次散射的卷云激光雷达比反演方法研究

提出了一种Mie散射激光雷达在考虑多次散射影响时求解卷云激光雷达比的新方法。首先,根据多次散射激光雷达方程,构建关于气溶胶消光系数边界值和卷云有效激光雷达比的非线性方程组;其次,采用非线性粒子群算法求解方程组,同时得到气溶胶消光系数边界值和卷云的有效激光雷达比;然后,使用Platt的多次散射因子方程,结合邱金桓参数化的多次散射对一次散射比,计算多次散射因子,进而求得卷云的激光雷达比。使用Mie散射激光雷达真实回波信号进行了实验验证,结果表明,方法收敛速度快,精度较高,具有很好的应用价值。     

可见光和红外波段大气体散射强度特性

搜集整理了气溶胶、雾和雨的观测资料,运用米氏理论计算并分析了大气体散射强度特性.结果表明:大气体散射能量主要集中在前向较窄的散射角区间内,体散射相函数随散射角的分布取决于粒子尺度谱、波长和复折射指数,不同类型粒子体散射相函数随散射角的分布特性有较大的差异;大气单散射反照率受波长和复折射指数虚部影响,其值范围变化较大,相...     

细胞光散射幅值分布与细胞形体的关系

本文以Rayleigh-Debye-Gans理论为基础,根据椭球散射理论,针对几种典型特征的形体细胞,提出了通过改变形体因子以建立对应形体细胞的散射模型,系统讨论了该模型下光散射幅值分布特征以及前向散射幅值与模型变化的影响关系,为细胞形态的精密测定与研究提供了理论依据。