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气溶胶广泛存在于人类生存环境中,对在其中传输的辐射具有明显的散射和吸收作用。实际的气溶胶粒子主要以不规则形态存在,与此同时,研究气溶胶辐射传输特性常需涉及粒子系的光散射特性计算,然而现阶段对不规则气溶胶粒子和粒子系的研究仍不充分。在此背景下,本文从气溶胶粒子与辐射作用的光散射理论入手,就不规则气溶胶粒子及其弥散粒子系的光散射特性计算展开了研究。
首先,本文介绍了用于求解气溶胶粒子光学常数的透射反演模型以及典型的气溶胶粒子粒径分布函数;然后,从麦克斯韦方程组入手详细论述了气溶胶粒子与辐射作用的光散射模型。通过将离散偶极子近似法(DiscreteDipoleApproximation,简称DDA)对不同形状粒子的光散射特性计算结果与Mie理论解析解以及其他光散射算法近似解进行对比,确定选择DDA数值算法用于求解不规则气溶胶粒子光散射特性。
其次,根据DDA理论模型及其适用条件,对随机取向的不规则单个气溶胶粒子在特定波长和波段内的光学截面、单次散射反照率以及不对称因子进行了计算。同时对比与分析了Mie理论及HG相函数近似法对不同形状粒子相函数的计算结果,针对无法对不规则粒子相函数进行精确求解的问题,提出可通过DDA所得的Mueller矩阵来求解不规则粒子的散射相函数。
最后,以所得的单个气溶胶粒子的光散射特性为基础,结合粒子系的物理参数,发展了用于求解多分散粒子系在特定波长和波段内的光散射特性计算模型,并根据计算模型编写了对应的MATLAB计算程序,从而实现了对粒子系光散射特性的求解。同时,将粒子系的散射相函数计算结果与已知文献实验数据对比,验证了相函数求解模型的正确性,并通过分析给出了减小计算误差的方法。
综上,本文对不规则气溶胶粒子及粒子系在特定波长以及波段内的光散射特性进行了精确的计算,可将本文计算结果用于对辐射在气溶胶介质中的传输衰减进行定量研究,这对于发展雷达探测、卫星遥感、烟幕遮蔽等技术具有重大的意义。
首先,本文介绍了用于求解气溶胶粒子光学常数的透射反演模型以及典型的气溶胶粒子粒径分布函数;然后,从麦克斯韦方程组入手详细论述了气溶胶粒子与辐射作用的光散射模型。通过将离散偶极子近似法(DiscreteDipoleApproximation,简称DDA)对不同形状粒子的光散射特性计算结果与Mie理论解析解以及其他光散射算法近似解进行对比,确定选择DDA数值算法用于求解不规则气溶胶粒子光散射特性。
其次,根据DDA理论模型及其适用条件,对随机取向的不规则单个气溶胶粒子在特定波长和波段内的光学截面、单次散射反照率以及不对称因子进行了计算。同时对比与分析了Mie理论及HG相函数近似法对不同形状粒子相函数的计算结果,针对无法对不规则粒子相函数进行精确求解的问题,提出可通过DDA所得的Mueller矩阵来求解不规则粒子的散射相函数。
最后,以所得的单个气溶胶粒子的光散射特性为基础,结合粒子系的物理参数,发展了用于求解多分散粒子系在特定波长和波段内的光散射特性计算模型,并根据计算模型编写了对应的MATLAB计算程序,从而实现了对粒子系光散射特性的求解。同时,将粒子系的散射相函数计算结果与已知文献实验数据对比,验证了相函数求解模型的正确性,并通过分析给出了减小计算误差的方法。
综上,本文对不规则气溶胶粒子及粒子系在特定波长以及波段内的光散射特性进行了精确的计算,可将本文计算结果用于对辐射在气溶胶介质中的传输衰减进行定量研究,这对于发展雷达探测、卫星遥感、烟幕遮蔽等技术具有重大的意义。