基于光散射的实时气溶胶粒子形状识别技术研究

利用米氏散射理论和时域有限差分(FDTD)软件计算了不同大小、形状和折射率粒子的前向散射光场分布,分析了通过光强度分布和非对称因子反演粒子相关信息、区分粒形的可行性。研制了一台利用增强型CCD相机在线采集单个气溶胶粒子在5°~19°前向散射角范围内光场图样的装置。8μm粒径的聚苯乙烯球形粒子散射图样实验结果与理论计算对比较为吻合,验证了该装置的有效性。应用该装置对不同形状的气溶胶粒子进行检测,结果表明能够从散射图像和反演计算结果区分出球形、杆状和其他形状粒子。     

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.     

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.     

带电粒子的Mie散射研究

利用电磁波散射理论研究了带电粒子的电磁波散射特性,给出了散射系数与电磁阻抗系数及表面电导率的关系,计算和对比了不同面电导率的粒子与中性粒子对电磁波散射系数和散射能量分布的差别.计算结果表明:面电荷使面电导率达到微西门子量级时,会有明显的影响随着面电导率的增加,散射系数发生较大变化,但当面电导率达到一定值时,散射系数趋于恒定;对尺度较大的粒子,带电后的散射系数减小,但沿不同方向的散射能量会重新分配,一些方向散射增强,另一些方向散射减小;尺度较小的粒子带电后,散射系数增大,但能量沿不同方向的重新分配不明显.     

磷化铟粒子散射强度的计算与分析

根据Mie氏散射理论,给出了粒子散射场强度的计算公式,得到了散射强度与散射角及入射波长的关系以及散射强度与参数X的关系.结果表明,粒子的前向散射占优势;入射波长越小,散射越明显;红外区的散射强度接近零,该结论对磷化铟材料光学特性的研究和应用具有指导意义.     

树冠中电波传播路径损耗的研究及模型的建立

运用随机介质中波的传播和散射理论,解出了电波经过树叶和树枝时散射场的表达式,然后利用平均场的近似方法,计算出电波经过树冠时传播常数的表达式,建立了树冠中电波传播路径损耗的数学模型.通过实验测量了常见树种的相关参数,并代入该模型进行了计算,计算结果与文献提供的测量值吻合较好.     

双球散射和均匀球对相干双波束的散射

利用米(Mie)理论,以及介质分界面处的边界条件和一些特殊函数的变换关系,求解了两个球形介质小粒子对于平面波的散射问题,和单个均匀介质小球对于波束中心通过球心的两相干高斯波束的散射问题.二者均得到了严格的解析解,并整理出易于编程计算的形式.对散射系数的求解,前者采用了待定系数法,后者采用了几何变换法,均降低了计算的复杂程度.     

大型平面阵列天线散射场的快速计算方法

基于子阵思想,提出利用小型平面阵列中的各天线单元的散射场,来等效大型平面阵列中相似阵列环境下的各单元的散射场,进而利用叠加定理来计算大型阵列的总散射场.并通过公式推导,进一步简化了该方法的操作过程,将大型平面阵列的散射计算问题转化为四个小型平面阵列的散射总场计算问题,显著减小了计算量,同时避免了逐个计算单元场而带来的操作复杂度.计算结果与HFSS仿真结果基本一致,验证了方法的正确性.     

应用光散射法测量雾化场粒子尺寸分布的研究

本文介绍一种测量油喷嘴雾化场粒径分布的光散射方法。它是利用雾化粒子对入射光的吸收和散射特性,通过测量前向三角度上的散射光能,从而反演出雾化粒子的尺寸分布。为了快速、准确地反演出雾化粒子分布,本文推导出一种用于该问题的迭代算法。另外,有迭代算法的程序设计中还引入了矩阵理论及并行运算的思想,这使得计算光散射强度函数的运算速度得到大大的提高。文中最高发表了有关该算法的数值模拟结果,以及实际测量超声波喷嘴所产生的燃油雾化粒尺寸分布的数据。     

海洋悬浮粒子的光学后向散射率特性研究

后向散射率不仅是机载激光雷达探测海水后向散射信号的重要参量,也是海洋悬浮粒子重要的光学特性,根据米氏散射理论及其散射相函数计算公式,推导出了海洋悬浮粒子后向散射率的计算公式.通过对海水中的藻类粒子和悬浮泥沙颗粒散射相函数的分析,获取这两类主要海洋悬浮粒子各自的后向散射率,并进一步分析了后向散射率与粒子半径和波长的关系.仿真计算结果表明,当探测波长一定时,藻类粒子的后向散射率随粒子半径的增大而增大,而悬浮泥沙颗粒的后向散射率随粒子半径的增大而减小;当粒子半径一定时,藻类粒子和悬浮泥沙颗粒的后向散射率均随探测波长的增大而增大.     

基片表面微球体纳米级缺陷的光散射分析

为了进一步诊断反演出基片及光学元件中杂质缺陷的形态和尺寸,应用Bobbert-Vileger(BV)理论建立两种缺陷粒子的复合光散射模型,通过对场进行矢量球谐函数展开,对基片上缺陷粒子的光散射问题展开讨论,对散射场及微分散射截面进行推导求解。同时将数值计算结果退化为球形粒子与采用扩展Mie理论方法所得结果做了比较,二者吻合较好。通过数值计算考察了不同材质下,形变对微分散射截面的影响。结果表明,金属缺陷的散射更易受形变的影响,而介质缺陷受形变的影响很小。当球缺靠近基底的情况下,微分散射截面受散射角的影响较大;球缺背离基底时,几乎和球形粒子散射曲线重合,因此通过对微分散射截面的计算可以定位反演出球缺的位置和材质。     

稀薄运动随机分布粒子的激光散射统计特征

依据球形粒子Mie散射理论,推导出在平面波入射情况下球形粒子的磁场表达式.将粒子散射振幅和微分散射截面从相对运动坐标系变换到静止坐标系,给出具有任意运动速度粒子的散射振幅和微分散射截面,理论模型具有自洽性.数值计算了波长为1.06 μm激光入射情况下,金属和介质两种粒子微分散射截面随粒子尺寸、散射天顶角以及粒子相对运动...     

二维理想导体角反射器电磁散射场的计算

报道了采用模式匹配技术计算电极化和磁极化平面波垂直入射时二维理想导体角反射器散射场的方法。推导出以散射场展开系数为未知量的线性方程组,由计算机求解线性方程组得到散射场的展开系数,从而计算散射场。还给出计算实例,并与矩量法计算结果比较,两者一致。     

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。     

二维理想导体角反射器电磁散射场的计算

报道了采用模式匹配技术计算电极化和磁极化平面波垂直入射时二维理想导体角反射器散射场的方法。推导出以散射场展开系数为未知量的线性方程组，由计算机求解线性方程组得到散射场的展开系数，从而计算散射场。还给出计算实例，并与矩量法计算结果比较，两者一致。     

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。     

电离层沿场不规则体几何散射模型

电离层沿场不规则体散射具有很强的方向性,利用其进行甚高频(Very High Frequency,VHF)频段超视距通信时,需要准确可靠地确定散射轨迹以及地球上可接收散射信号的范围.文章基于电离层不规则体沿场散射的特点,分析了入射波、散射波及散射点地磁方向之间的几何关系,提出了一种电离层沿场不规则体散射几何分布模型.运用该模型对高中低纬度地区不同高度的电离层沿场不规则体散射进行了计算和分析,并将计算结果与已有文献中的数据结果进行了对比,结果比较一致.该模型能够计算电离层沿场不规则体VHF频段可接收信号的散射轨迹,为VHF散射通信链路的设计、布站提供了依据和技术指导.     

激光大气散射离轴探测分析

利用Mie散射理论,通过数值计算得到了1.06 μm激光在低空大气中传输时的散射特性;不同尺度参数的粒子的散射光强分布相差极大,随着尺度参数的增加,散射光强越来越集中于前向;复折射率的变化对散射光强影响不大.通过对大气散射的辐照度理论分析和数值计算,得到大气散射的辐照度随离轴距离的增大而近似按反比规律下降的特征;同时,对不同能见度下的散射辐照度进行了数值计算,能见度的不同只影响散射强度的大小,而不影响散射强度的分布.不同散射点的散射光到达探测器所需的时间不同,延迟时间与离轴垂直距离和探测角呈简单的线性关系,这些特征为激光散射离轴探测提供了理论依据和参考.     

基于Mie氏散射理论的石墨微球颗粒光散射特性研究

本文应用Mie氏散射理论对石墨微球颗粒光散射的性质进行了理论分析与数值计算,得到了消光特性与入射波长及粒子半径,散射强度与散射角以及散射强度与参数x的关系.结果表明,粒子的半径越小,其消光效果越好;入射波长越小,粒子的前向散射强度越强.因此,通过测量前向散射光的分布可以确定微球体颗粒的半径.     

冰雪散射和热辐射的定量研究

本文研究了冰雪样品的相关函数及其相关长度与等效球形冰粒子有效平均半径的对应关系;利用密集粒子的矢量辐射传输方程,数值计算了包括多次散射的一层冰雪的微波热辐射,并与星载遥感的实验测量结果进行了比较和讨论。