为充分利用自相关函数(ACF)衰减延迟时段的有效粒度分布信息,提出基于光强ACF重构的信息反馈式偏差加权方法,通过逐次利用偏差加权反演减小下一次偏差,直到信息偏差达到限定的最小值,即反演所得分布重构的ACF与光子相关器得到的ACF达到所要求的吻合程度。对不同噪声水平下的宽分布和近双峰分布颗粒体系模拟数据进行反演,结果表明:与常规加权反演方法相比,所提方法可以获得更准确的宽分布和近双峰分布反演结果,并具有更好的抗噪声性能。采用标准聚苯乙烯乳胶颗粒实测数据的反演结果验证了这一结论。

Tikhonov与截断奇异(TSVD)正则化是动态光散射数据反演中的两种重要方法, 不同的正则化方法会对噪声DLS数据测量结果产生不同的影响。分别采用二阶差分矩阵的Tikhonov与TSVD方法, 在6种噪声水平下, 对宽窄不同的单峰与双峰分布颗粒进行了反演研究。结果表明: Tikhonov具有较好的光滑性; 对于单峰分布颗粒, TSVD峰值误差更小、对于窄分布以及强噪声宽分布颗粒系反演, 其抗噪性能更强、反演误差更小; 对于双峰分布颗粒, Tikhonov具有较小的反演误差、较强的双峰分辨能力与抗噪声能力; 对于窄分布颗粒的反演, 一般TSVD峰值误差更小。在同样噪声情况下, Tikhonov与TSVD的双峰分辨力与颗粒的粒径峰值比有关。Tikhonov双峰分辨力较强, 能够分辨出峰值比较低的颗粒。对实测200 nm单峰颗粒进行反演, Tikhonov、TSVD的反演峰值误差分别为3％和1.85％, TSVD峰值位置更准确, 能够验证模拟数据的结论。

针对截断奇异值分解方法进行动态光散射反演存在的颗粒粒度信息丢失问题, 本文在分析自相关函数不同衰减时段粒度信息分布差异的基础上, 提出利用每一角度核矩阵与对应角度下粒度信息在自相关函数不同延迟时刻的分布构建扩展矩阵的扩展截断奇异值分解方法.该方法通过用自相关函数中每一延迟时刻的粒度信息, 调节同一时刻原核矩阵数据对信噪比的贡献, 进而保留了更多的有效奇异值, 减少了由于奇异值截断引起的信息丢失, 在保证抗噪性的基础上, 提高了自相关函数的信息利用率.在1×10－3噪声水平下, 对一组单峰宽分布(260 nm)和三组双峰颗粒分布(250/750 nm)、(270/800 nm)以及(306/974 nm)的模拟动态光散射数据, 进行了单角度、3角度和6角度反演.结果表明, 与截断奇异值分解方法相比, 采用扩展截断奇异值分解方法反演得到的峰值粒度误差和分布误差均明显减小.对306/974 nm颗粒体系的6角度实测数据的反演表明, 采用扩展截断奇异值分解法得到的颗粒峰值粒度误差由非扩展方法的0.032/0.016降至0.029/0.006, 且得到的峰值比更接近真实值.

本文模拟了偏振激光雷达探测绝热水云微物理特性时由多次散射引起的退偏振问题,绝热水云的数密度在垂直方向上为定值,液态水含量和云滴有效半径随高度非线性增长,其变化规律由云层的大气压、温度以及绝热水云形成的热力学过程共同决定。激光雷达波长取0.355 μm,分别计算了云底高度为1 km和2 km的绝热水云退偏振比随穿透深度的变化,计算结果表明,绝热水云的退偏振比随穿透深度的增加而增大,随观测视场角的增大而增大,且其变化规律与均匀各向同性云层差距很大。另外,云层高度为2 km的云层有效半径比云底高度为1 km的更小,在同样数密度和观测条件下,退偏振比也更小。

激光雷达探测水云时, 多次散射会使雷达回波产生退偏振效应, 云层对激光的退偏振比与云层微物理特性信息含有特定的关系, 利用这种关系可以反演云层的微物理特性, 但是这种关系需要利用理论模拟进行研究和探索, 理论模拟激光雷达退偏振效应的方法主要是蒙特卡罗方法。给出了两种不同思路的蒙特卡罗模拟方法：一是通过跟踪光子在每一次散射后, 由光子方向矢量和Z轴构成的子午面来模拟, 光子相对于子午面的偏振状态由斯托克斯参量表示; 二是将光子的偏振状态用一个三元单位矢量组来表示, 每次散射后, 根据统计抽样得到的散射角和方位角对其进行旋转, 从而跟踪光子偏振态的变化。给出了详细的模拟过程, 并利用两种方法分别计算了水云的退偏振比, 模拟结果显示这两种方法得出的结果完全一致。

针对多角度动态光散射中角度组合对颗粒粒度分布测量的影响, 对5组模拟的双峰分布颗粒体系(114/457 nm, 202/800 nm, 307/541 nm, 433/721 nm 和600/900 nm)分别选取3、4、5和6个散射角, 采用不同角度组合进行测量.粒度反演结果表明, 在选取同样数量散射角条件下, 不同的角度组合会得到不同的测量结果.当选取的各散射角对应的Mie散射光强差异显著, 特别是对应光强值包含了Mie散射光强曲线的极大值和极小值点时, 测量结果更准确.采用标准聚苯乙烯乳胶颗粒进行的测量实验, 实验结果与反演结果一致.这种角度组合影响的原因在于, 随着散射角的增多, 得到的颗粒粒度信息也相应增加, 但只有增加的散射角所对应的散射光强显著不同时, 才会较多地增加颗粒粒度信息, 从而改善测量效果；否则, 增加的信息会被增加的角度校准噪声所抵消.

利用激光雷达探测水云微物理特性时, 雷达回波信号中会出现退偏振信息, 这是由激光与云层的多次散射造成的, 利用这些退偏振信息可以反演云层特性。利用半解析蒙特卡罗方法研究了波长为0.532 ?滋m激光雷达后向散射退偏振比对云底高度、云滴大小以及消光系数的敏感性。计算结果表明, 对于相同的接收视场角, 激光雷达与云层的距离越远, 退偏振比越高; 消光系数越大, 退偏振比越大; 雷达接收视场角越大, 被接收器捕获的多次散射信息越多, 因此退偏振比越大。当穿透深度较小时, 云滴尺寸较小的云层退偏比更高, 随着穿透深度的增加, 云滴尺寸更大的云层退偏振比更大。

在动态光散射颗粒测量时, 为了从含噪的自相关函数数据中准确地反演出颗粒粒度分布, 对Tikhonov正则化算法进行改进, 将噪声作为一个独立的未知变量应用到正则化方程中进行粒度反演.在计算过程中, 相应增加方程中各系数矩阵的行数和列数, 对求解的粒度分布数值则仍取其原来方程的行数和列数, 从而达到对部分噪声的剔除作用.不同噪声水平下的颗粒粒度反演结果表明, 改进后的算法能够显著提高低信噪比动态光散射数据粒度反演结果的准确性, 适用于宽分布较大粒径的颗粒粒度反演.

基于矢量辐射传输理论，利用矩阵算法研究了海洋-大气耦合系统中，海雾气溶胶对太阳光的偏振散射特性。整个大气层垂直方向分为若干平面平行层，考虑了大气分子、云层以及气溶胶的垂直分布；海洋表面按照风驱随机粗糙海面进行了分析，考虑了海洋波斜率分布和遮蔽效应；海洋体也由若干平面平行层构成，考虑了海水以及叶绿素的吸收和散射影响。大气和海洋体每层的反射矩阵和透射矩阵以及源函数由离散坐标方法计算，整个海-气系统的散射特性由矩阵方法通过耦合层与层之间相互辐射得到。研究了整个海-气系统反射的太阳辐射以及偏振度对太阳光的波长、入射天顶角、观测角度、海洋表面风速、云和气溶胶的光学厚度，以及气体吸收等的敏感性。计算结果表明，多波长多角度偏振度信息随海洋表面和大气环境变化敏感，可以结合辐射强度和偏振度对海洋背景下气溶胶特性进行遥感反演。

利用激光雷达探测水云的光学和微物理特性时，水云的多次散射会在雷达回波中产生去极化信号，给出了半解析蒙特卡罗方法模拟偏振激光雷达后向散射去极化率的详细过程，给出了0.532 μm 激光作为光源入射时，典型水云的后向散射Muller矩阵二维分布图，以及水平线偏振、垂直线偏振、+45°线偏振和右旋圆偏振光入射时，后向散射的Stokes矢量的二维分布图，最后给出了去极化率和极化率随激光雷达接收视场角以及穿透深度的变化。从数据结果可以看出，接收视场角越大，多次散射的影响越大。给出的蒙特卡罗模拟方法对利用激光雷达遥感反演水云和球形气溶胶的特性具有重要的应用价值。