非球形灰霾的紫外脉冲回波特性

赵太飞; 王世奇; 张健伟; 崔真

doi:doi:10.3788/gzxb20204908.0801001

光子学报, 2020, 49 (8): 0801001, 网络出版: 2020-11-27

非球形灰霾的紫外脉冲回波特性下载： 655次

Characteristics of Ultraviolet Pulse Echo on Non-spherical Haze

论文大纲

赵太飞 ^1,2王世奇 ^1,2张健伟 ^1,2崔真 ^1,2

作者单位

¹ 西安理工大学自动化与信息工程学院, 西安 710048

² 陕西省智能协同网络军民共建重点实验室, 西安 710000

摘要

为了区分不同物理特性的非球形灰霾粒子，基于T矩阵理论和蒙特卡洛方法，建立了“日盲”紫外光后向散射探测灰霾模型，仿真了非球形灰霾条件下的紫外光后向散射过程，并分析了不同宽度的紫外脉冲后向散射回波的峰值功率和半高全宽等特征.研究结果表明，当灰霾浓度在500 μg/m³以内时，紫外脉冲后向散射回波峰值功率随着灰霾浓度的增大而增大，且不同浓度灰霾的脉冲回波峰值功率之间呈线性关系，脉冲回波半高全宽随着灰霾浓度的增大而减小.对于椭球形和圆柱形灰霾粒子，在相同浓度条件下，当粒子的形变量越小时，脉冲回波的峰值功率和半高全宽越大；对于切比雪夫形灰霾粒子，在相同浓度条件下，当形变参数和波纹参数越大时，脉冲回波的峰值功率和半高全宽越大.本文研究结果可为紫外光探测灰霾浓度以及区分非球形灰霾粒子提供依据.

Abstract

In order to distinguish the non-spherical haze particles with different physical characteristics, the haze detection model of "solar-blind" ultraviolet backscatter is established to simulate the process of UV backscatter under the condition of non-spherical haze, based on T-matrix theory and Monte Carlo method. The peak power and the full width at half maximum of UV pulse with different widths are analyzed. The simulation results show that when the haze concentration is less than 500 μg/m³, the peak power of backscatter echo of UV pulse increases with the increase of haze concentration, and there is a linear relationship between the peak power of pulse echo of different concentrations of haze, and the full width at half maximum of pulse echo decrease with the increase of haze concentration. For ellipsoidal and cylindrical haze particles, under the same concentration, the smaller the shape variable of particles is, the larger the peak power and the full width at half maximum of pulse echo are. For chebyshev haze particles, under the same concentration, the larger the deformation parameters and ripple parameters are, the larger the peak power and the full width at half maximum of pulse echo are. The results of this study can provide a basis for the detection of haze concentration and the discrimination of non-spherical haze particles by ultraviolet light.

0 引言

近年来，大气灰霾现象被认为是部分城市的灾害性天气，原因是：1）灰霾影响司机和行人视线，容易引起交通事故；2）灰霾易附带有毒、有害物质，容易导致疾病发生 [1] ；3）灰霾会造成大气光学特性的变化 [2] ，对所在地区的无线光通信产生不可忽视的影响.因此，对灰霾进行有效而准确的监测是十分有必要的，监测结果可以为治理灰霾污染以及提高无线光通信质量提供参考.

由于266 nm的紫外激光器具有操作简单、高效率、光束质量好和体积小等优点，该波长的紫外激光器常被应用于紫外探测和无线紫外光通信领域 [15] .本文使用266 nm的“日盲”紫外光作为探测光源，通过分析灰霾粒子的紫外光后向散射回波特性来探测不同浓度及形态的灰霾.紫外光探测灰霾属于非取样法，可以满足全天候实时测量的需求，实时测量不仅能够保证对灰霾进行实时监控，而且还可以为分析无线光通信信道的实时变化提供参考.

1 紫外光探测灰霾粒子的理论基础

1.1 灰霾粒子的物理特性

1.1.1 粒子尺度参数

灰霾粒子的紫外光散射特性受粒子尺度参数的影响，粒子尺度参数定义为 α =π D / λ ， D 为灰霾粒子直径， λ 为入射光的波长.灰霾是由多个粒径不同、形态各异的粒子组成，一般条件下，灰霾粒子的粒径和浓度如 表 1 所示.

表 1. 灰霾的半径和浓度^[16]

Table 1. Radius and density of haze ^[16]

Type	Radius/μm	Concentration/cm³
Aitken	10^-3~10^-2	10^-4~10²
Haze	10^-2~1	10~10³
Droplet	1~10	10~100

查看所有表

1.1.2 粒子复折射率

粒子复折射率是表征粒子散射和吸收的一个光学常数，其实部和虚部分别反映了粒子对光的散射和吸收能力.对于灰霾粒子而言，由于其组成成分多为硫酸盐、有机碳等物质，其实部变化不大.

1.1.3 粒子尺度谱分布

大气中的灰霾并不是单一组成成分的，常见的有沙尘型灰霾粒子、水溶型灰霾粒子和黑碳型灰霾粒子.因此，本文采用三对数正态分布来模拟灰霾粒子的分布情况，三对数正态分布表达式 n (r)为

式中，Ci表示归一化常数，σi是标准偏差，$r_{\rm{c}}^i$是不同类型灰霾粒子的平均半径，i表示灰霾的第i种成分.表 2给出了三种灰霾粒子的尺度谱分布[17].

表 2. 灰霾的尺度谱分布

Table 2. Scale spectrum distribution of haze

Type	Size distribution
WASO	(σ=0.81，r_c=0.03 μm)
BC	(σ=0.69，r_c=0.011 μm)
DUST	(σ=0.92，r_c=0.47 μm)

查看所有表

1.2 非球形灰霾粒子的紫外光散射理论

一般将非球形灰霾粒子等效成椭球形、圆柱形和切比雪夫形这几种常见的粒子. 图 1(a) 是椭球形灰霾粒子示意图，其中， b 和 a 分别为垂直半轴和水平半轴， a / b 的大小决定椭球灰霾粒子的形状，大于1为扁椭球形灰霾粒子，小于1是长椭球形灰霾粒子. 图 1(b) 是圆柱形灰霾粒子示意图，圆柱形灰霾粒子的形状由底面圆直径与长度之比 D / L 决定， D / L 小于1是长圆柱形灰霾粒子，等于1是紧实圆柱形灰霾粒子，大于1是扁圆柱形灰霾粒子. 图 1(c) 是切比雪夫形灰霾粒子示意图，切比雪夫形灰霾粒子是一种直径遵循 n 阶切比雪夫多项式的非球形灰霾粒子，其形状由形变参数 ξ 和波纹参数 n 决定.

非球形灰霾的紫外脉冲回波特性 下载： 655次

0 引言

1 紫外光探测灰霾粒子的理论基础

1.1 灰霾粒子的物理特性

1.1.1 粒子尺度参数

表 1. 灰霾的半径和浓度[16]

Table 1. Radius and density of haze [16]

1.1.2 粒子复折射率

1.1.3 粒子尺度谱分布

表 2. 灰霾的尺度谱分布

Table 2. Scale spectrum distribution of haze

1.2 非球形灰霾粒子的紫外光散射理论

图 1. 非球形粒子示意图

Fig. 1. Schematic diagram of non-spherical particle

2 紫外光后向散射探测灰霾模型

2.1 灰霾粒子的消光系数和散射相函数

2.2 紫外脉冲收发模型

图 2. 紫外光后向散射探测灰霾模型

Fig. 2. The model of haze detection by UV backscattering

2.3 光子散射路程

2.4 后向接收端脉冲响应

3 仿真结果与分析

3.1 非球形灰霾粒子仿真条件

表 3. 灰霾粒子的相关散射参数表

Table 3. Relevant scattering parameters of haze particles list

图 3. 不同a/b的椭球形灰霾的散射相函数

Fig. 3. Scattering phase function for ellipsoidal

图 4. 不同D/L的圆柱形灰霾的散射相函数

Fig. 4. Scattering phase function for cylindrical

图 5. 不同参数的切比雪夫形灰霾的散射相函数

Fig. 5. Scattering phase function for Chebyshev haze with different parameters

表 4. 部分仿真参数

Table 4. Partial simulation parameter

3.2 非球形灰霾粒子的仿真结果分析

3.2.1 椭球形灰霾粒子的紫外脉冲回波特性

图 6. 不同浓度条件下的椭球形灰霾的紫外脉冲后向散射回波

Fig. 6. Backscattering echo of ellipsoidal haze with different concentration of UV pulse

图 7. 椭球形灰霾的脉冲回波峰值功率

Fig. 7. Peak power of pulse echo for ellipsoidal haze

图 8. 椭球形灰霾的脉冲回波半高全宽

Fig. 8. Full width at half maximum of pulse echo for ellipsoidal haze

图 9. 不同半轴比的椭球形灰霾的脉冲回波峰值功率

Fig. 9. Peak power of pulse echo for ellipsoidal haze with different half axis ratio

图 10. 不同半轴比的椭球形灰霾的脉冲回波半高全宽

Fig. 10. Full width at half maximum of pulse echo for ellipsoidal haze with different half axis ratio

3.2.2 圆柱形灰霾粒子的紫外脉冲回波特性

图 11. 不同浓度条件下的圆柱形灰霾的紫外脉冲后向散射回波

Fig. 11. Backscattering echo of cylindrical haze with different concentration of UV pulse

图 12. 圆柱形灰霾的脉冲回波峰值功率

Fig. 12. Peak power of pulse echo for cylindrical haze

图 13. 圆柱形灰霾的脉冲回波半高全宽

Fig. 13. Full width at half maximum of pulse echo for cylindrical haze

图 14. 不同直径长度比的圆柱形灰霾的脉冲回波峰值功率

Fig. 14. Peak power of pulse echo for cylindrical haze with different diameter to length ratio

图 15. 不同直径长度比的圆柱形灰霾的脉冲回波半高全宽

Fig. 15. Full width at half maximum of pulse echo for cylindrical haze with different diameter to length ratio

3.2.3 切比雪夫形灰霾粒子的紫外脉冲回波特性

图 16. 不同浓度条件下的切比雪夫形灰霾的紫外脉冲后向散射回波

Fig. 16. Backscattering echo of Chebyshev haze with different concentration of UV pulse

图 17. 切比雪夫形灰霾的脉冲回波峰值功率

Fig. 17. Peak power of pulse echo for Chebyshev haze

图 18. 切比雪夫形灰霾的脉冲回波半高全宽

Fig. 18. Full width at half maximum of pulse echo for Chebyshev haze

图 19. 不同形变参数的切比雪夫形灰霾的脉冲回波峰值功率

Fig. 19. Peak power of pulse echo for Chebyshev haze with different deformation parameters

图 20. 不同形变参数的切比雪夫形灰霾的脉冲回波半高全宽

Fig. 20. Full width at half maximum of pulse echo for Chebyshev haze with different deformation parameters

图 21. 不同波纹参数的切比雪夫形灰霾的脉冲回波峰值功率

Fig. 21. Peak power of pulse echo for Chebyshev haze with different ripple parameters

图 22. 不同波纹参数的切比雪夫形灰霾的脉冲回波半高全宽

Fig. 22. Full width at half maximum of pulse echo for Chebyshev haze with different ripple parameters

4 结论

Article Outline

相关论文

相关资讯

关于本站 Cookie 的使用提示

全站搜索

非球形灰霾的紫外脉冲回波特性下载： 655次

表 1. 灰霾的半径和浓度^[16]

Table 1. Radius and density of haze ^[16]