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。     

单分散生物气溶胶光散射特性的计算与分析

基于回转长椭球模型与球形模型,采用T矩阵法,讨论了非球形气溶胶颗粒的形状对散射相函数的影响;计算了葡萄球菌、鼠疫耶尔森氏杆菌、土拉热杆菌、志贺杆菌及类鼻疽伯克霍尔德菌等5种单分散生物气溶胶颗粒Stokes散射矩阵中各元素的角度分布曲线,讨论了非球形颗粒的粒径和形状对不同矩阵元素的影响。对于等消光截面颗粒,颗粒形状的变化对前向小角度与侧向两个散射区域的散射相函数几乎无影响,可以用球形颗粒近似模拟;非球形气溶胶颗粒的F11(θ)在170°～180°内的积分与在0°～10°内的积分的比值随着纵横比的增大而增大,可以表征颗粒的形状。对于不同尺寸和形状的气溶胶颗粒,[F11(0°)-F11(5°)]/5随着等表面积球半径的增大而增大,F11(θ)在170°～180°内的积分与在0°～10°内的积分的比值以及F22(θ)/F11(θ)在30°～90°内的积分随着纵横比的增大而增大,这些特性可用以判断颗粒的尺寸和形状。研究结果为颗粒粒径及粒形测量仪器的设计以及空气中有害微生物的快速探测提供了依据。     

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。     

气溶胶粒子等效复折射率的BP神经网络建模

利用改进的BP算法,结合Mie散射理论,建立了波长、散射系数、吸收系数与气溶胶粒子等效复折射率之间的非线性映射关系,实现了反演实际大气非均匀气溶胶粒子等效复折射率的BP神经网络模型的建模.利用该模型对气溶胶粒子等效复折射率进行了反演,根据反演得到的等效复折射率计算了其光学特征量,计算结果与实测结果基本吻合.     

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。     

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.     

非球形气溶胶前向散射对消光的影响

非球形气溶胶的前向散射导致太阳辐射计测量消光系数的结果有误差,需要进行前向散射修正。采用T矩阵法,研究了椭球形、圆柱形和切比雪夫形粒子的前向散射特性以及对前向散射修正因子的影响。研究表明,椭球粒子的前向散射强度随着等效半径和轴比的增大而增大。沙尘气溶胶粒子中,修正因子会随粒子尺寸参数的增大呈现一个振荡减小的趋势,尺寸参数超过10后,前向散射修正因子将低于0.98,随尺寸参数的增大,修正因子达到0.96左右,不同轴比的椭球粒子和不同长度直径比的圆柱形粒子对修正因子影响较大,切比雪夫粒子的形变参数和波纹参数对修正因子没有明显的影响。研究结果可为大气气溶胶粒子的前向散射研究以及太阳辐射计等相关应用提供理论指导。     

相对湿度和粒子形态对海盐气溶胶粒子散射特性的影响

根据海盐粒子在不同相对湿度条件下的不同形态,分别建立了低湿度（RH=0%）、中湿度（RH=50%）和高湿度（RH=95%）三种条件下海盐立方体和球形粒子模型。利用离散偶极子近似法（DDA）、Mie散射理论研究了相对湿度和粒子形态对海盐散射的特性影响,采用离散坐标法（DISORT）研究了相对湿度和粒子形态对海盐特性的影响。结果表明:相对湿度和粒子形态对海盐散射特性影响较大,不同相对湿度条件下,海盐气溶胶粒子由于相态不同,呈现出不同的特性。中湿度条件下,粒子形状因子对海盐散射辐射特性的影响更强。当光学厚度较小时,球形-立方体海盐气溶胶的双向反射分布函数（BRDF）相对差异超过15%,在研究海盐气溶胶散射辐射特性时,需同时考虑相对湿度和粒子形态的影响;当光学厚度较大时,相对差异不超过5%,一定精度范围内,可采用等效球方法进行模拟计算。研究结果对于大气气溶胶散射和辐射传输理论及应用研究具有重要的参考价值。     

大气气溶胶对激光传输衰减的影响研究

在大气气溶胶类型、谱分布的基础上,利用Mie散射理论计算气溶胶在可见光和近红外波段的散射和衰减特性,讨论分析了大气气溶胶对可见光和近红外波段激光传输衰减的影响,计算结果表明,激光传输在很大程度上受粒子的折射率和谱分布的影响;不同类型气溶胶粒子具有不同的折射率和谱分布参数,从而决定了其具有不同的散射和吸收特性;气溶胶粒子的数密度越大,其衰减和散射能力就越强,对激光传输的衰减也就越大;但前后向散射的不对称性只与气溶胶谱分布有关,与数密度无关.所得出的结论有助于准确评估大气气溶胶对激光传输的影响以及提高激光传输、通信和激光测风等应用.     

红外波段气溶胶粒子光学特性的数值计算

气溶胶是大气电磁环境中的重要组成部分,气溶胶粒子的光学特性是研究红外遥感、目标探测等激光传输特性的一个关键问题。依据粒子电磁散射理论,利用离散偶极子近似方法对不同形状、不同成分气溶胶粒子的光学特性进行计算,得到气溶胶粒子散射截面、吸收截面及不对称因子等光学特征量在0.71～11μm波段的数值结果。结果显示:入射光波长、气溶胶粒子折射率及气溶胶粒子形状是影响气溶胶粒子光学特性的主要因素。散射截面、吸收截面及不对称因子等光学特征量的数值结果也为研究气溶胶中红外激光的传输特性提供了参考依据和计算方法。     

基于散射矩阵的气溶胶识别与粒径分布反演研究

散射矩阵是描述介质散射特性的重要参数,该参数对介质的理化特性敏感。为研究利用该参数对气溶胶进行识别及理化特性获取的可行性,设计并实验测量了聚α烯烃和氯化钠两种气溶胶样品的散射矩阵,讨论了二者矩阵元素的角度分布规律,并基于Mie散射理论,采用模板匹配的方法利用测量结果对聚α烯烃气溶胶的粒径分布进行了反演。结果表明通过矩阵元素的角度分布规律可以对两种气溶胶进行有效识别与区分,结合相关散射模型与反演方法还可以获得气溶胶的理化特性。该研究为气溶胶识别及其理化特性的获取提供了方法参考。     

球形气溶胶粒子对激光散射退偏特性的研究

介绍了气溶胶粒子光散射的基本理论及偏振特性的基本计算方法。根据Mie氏理论,通过建立光散射的穆勒矩阵,建立球形气溶胶粒子的光散射理论模型,并通过递推的方法进行数值模拟,研究了几种典型天气条件下球形气溶胶粒子对光散射偏振特性的影响。     

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。     

利用共轴多角度系统研究大气气溶胶前向散射的角度分布特性

从Mie散射理论的公式分析中发现,大气气溶胶的消光和散射角有关.设计了一种共轴多角度探测系统,利用该系统研究了气溶胶的消光随角度变化呈现的特性.该系统在不同的散射角上,对气溶胶的消光系数进行测量,通过实验数据分析得出:前向散射角在30°～45°之间的气溶胶散射消光系数与散射光强成线性.     

用气溶胶飞行时间质谱仪测量气溶胶粒子折射率

利用自行研制的气溶胶飞行时间质谱仪（aerosol time-of-flight mass spectrometer, ATOFMS）对气溶胶粒子的折射率进行测量。首先利用ATOFMS对气溶胶粒子的粒径和光散射强度进行测量,然后由Mie散射理论结合ATOFMS光散射区域的几何结构,推算出光电倍增管（PMT）接收的理论光通量与气溶胶粒子的大小和折射率之间的函数关系。通过比较实验测量的气溶胶粒子光散射平均强度与Mie散射理论值,对粒子的折射率进行反演。与实际样品数据参数对比的结果表明该方法是可行的。     

有尺度分布的水雾激光散射及其动态测试

研究了单粒子和有尺度分布的水雾粒子对1064 nm激光后向散射的理论模型,根据散射截面与Stocks矢量关联的散射相函数和不同尺度散射参数,将粒子分布尺度代入散射相函数进行加权计算得到有尺度分布的水雾粒子总散射相函数。考察散射角在150°~180°之间后向散射,稀疏大尺度水雾粒子表现为单散射特征、有尺度分布混合型水雾粒子具有相对较大的后向散射效应。利用光电探测器组件、衰减片组、反射镜、偏振片等设计了水雾生成装置和散射效应测试系统,通过独立激光入射出射窗口、尾镜、内壁消光等措施减小和避免因实验环境造成的影响。使用该装置进行了水雾粒子对激光后向散射效应的动态测试,结果与理论符合较好。通过分析水雾粒子对激光后向散射的随机涨落现象、动态规律和特点,指出水雾粒子对激光的后向散射是一个复杂的动态过程,是传输路径上不同尺度水雾散射和强吸收的共同影响。     

分子散射对星载测风激光雷达Mie通道的影响

多普勒测风激光雷达利用大气中粒子的后向散射信号谱测量风速,但分子和气溶胶后向散射强度和光谱宽度差异较大,所以在实际测量中需要根据分子和气溶胶的垂直分布情况选择不同的信号。当选择气溶胶散射信号反演风速时,会受到分子散射信号的影响。本文研究了分子散射对星载多普勒测风激光雷达Mie通道风速反演的影响问题,并进行了仿真模拟,结果表明,当直接利用探测器接收到的原始信号进行风速反演时,分子散射信号会增大反演误差；因此基于探测器所有通道上光子数最小的一个通道上的光子全部来自于分子散射的假设,提出了一种减小分子散射信号对Mie通道风速反演干扰的方法,通过模拟表明,利用该方法后,对流层内风速反演精度明显提高,相对误差从原来的20%~30%减小到10%以内,除近地层以外的相对误差小于5%；但平流层内的误差几乎不发生变化。     

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。     

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。     

基于蒙特卡罗方法的烟幕透过率计算与分析

烟幕透过率是表征烟幕干扰性能的重要参数。以等效粒径为0.1μm的石墨为例,就不同形状的石墨粒子组成的烟幕,基于蒙特卡罗方法对烟幕透过率进行了数值计算。利用Mie散射理论和离散偶极子近似(DDA)方法分别计算了球形粒子、椭球形粒子和圆柱形粒子对1.06μm波长的入射光单次散射的消光参量。对于入射光在烟幕中的传输,建立了蒙特卡罗模拟计算模型,利用MATLAB语言编制了相应的计算程序,给出了不同纵横比的椭球形粒子和圆柱形粒子相应的烟幕透过率计算结果,并和等体积球粒子相应的烟幕透过率进行了比较分析。结果表明:透过率与烟幕中粒子形状、粒子数密度、入射光的入射角度及烟幕厚度有关,粒子形状越偏离球形,对应透过率越小。