针对具有不同粒子数量的煤烟气溶胶,使用团簇-团簇凝聚(CCA)模型形成4球、16球凝聚模型,并结合单个气溶胶粒子的吸湿性以及凝聚粒子的分形理论,生成了包覆水层的凝聚粒子模型。利用离散偶极子近似(DDA)方法仿真分析包覆水层的煤烟气溶胶的散射特性,仿真结果表明,相对湿度的增大对回转半径≤40 nm的凝聚粒子的消光因子、散射因子和吸收因子的影响最大。使用无线紫外光单次散射脉冲响应模型分析了凝聚粒子以及相对湿度对紫外光脉冲响应和路径损耗的影响,仿真结果表明,凝聚粒子和相对湿度对紫外光的通信影响集中在半径较小(r₀≤40 nm)的单体粒子上。当单体粒子半径一定时,组成凝聚体的粒子数量越大或者凝聚粒子相对湿度越大,脉冲响应就越大,路径损耗越小,紫外光接收端信号越好。

紫外光与降雨粒子相互作用发生散射, 散射光特性改变能够反映降雨粒子的相关物理特性(如粒子尺寸参数、 浓度、 形态), 因此研究粒子的物理参数对散射光特性的影响对有效提高光谱法定量探测降水的精度有很大意义。 由于雨滴在非球形降水粒子中具有代表性, 以群雨滴粒子为例, 采用T矩阵理论, 利用紫外光直视和非直视单次散射模型, 分析了入射光波长、 群雨滴粒子形态、 降雨强度、 粒径大小与散射光强之间的关系。 并用蒙特卡洛方法仿真分析了非球形群雨滴粒子在不同降雨强度和粒径下散射角与散射光强之间的关系, 以及降雨环境中的风切变对紫外光散射特性的影响。 通过理论及仿真分析, 得到了不同群雨滴粒子形态下的路径损耗, 不同降雨强度、 风切变率和粒径下的散射光强分布。 仿真结果表明: 在紫外光直视与非直视通信方式下, 降雨环境中的通信质量比晴天条件下的通信质量差, 即路径损耗增大。 当粒径分布已知时, 随着降雨强度的增大, 衰减系数增大, 路径损耗增加, 且直视通信方式的路径损耗比非直视降低7 dB左右。 随着降雨强度、 风切变率和粒子粒径的增大, 散射光强曲线整体呈下降趋势, 其中, 降雨强度的变化对散射光强分布影响程度最大。 相同通信距离时, 不同降雨强度下的紫外光散射光强分布均随着散射角的增大而减小, 当散射角继续增大到90°时, 有效散射体体积逐渐减小, 接收到的光子能量减小, 暴雨中的散射光强衰减程度最大。 相同降雨强度下考虑风切变时, 相比较无风时的路径损耗增大5 dB左右。 除此之外, 还研究了椭球形和切比雪夫形粒子对紫外光散射光强的影响, 结果表明当粒子粒径分布相同时, 椭球形粒子的散射光强衰减较广义切比雪夫形粒子大。 根据散射粒子的散射光强分布以及路径损耗能够区分雨滴粒子是否由相同粒径及形态组成, 为粒子测量提供理论基础。 分析降水中群雨滴粒子的光散射特性, 为提高光谱法评估降水衰减的数值模拟方面提供理论依据, 为光学技术在探测识别降水现象等气象领域的广泛应用提供了设计参考。