1 中国科学院空天信息创新研究院定量遥感信息技术重点实验室，北京 100094
2 中国科学院大学电子电气与通信工程学院，北京 100049
星载Mie散射激光雷达是当前应用最为广泛的获取全球尺度气溶胶剖面信息的探测设备。然而，大气气溶胶类型多样，通常假定气溶胶遵循特定模式并以此为先验，从而实现从激光雷达信号反演气溶胶消光系数廓线，但这一定程度上会影响反演精度的进一步提升。鉴于此，提出了一种基于星载激光雷达双通道信息的气溶胶消光系数廓线的迭代反演优化算法。该方法首先在给定的先验气溶胶模式下获得初始消光-后向散射比（即激光雷达比），并基于此分别反演两个通道的气溶胶消光系数和光学厚度。同时借助构建的气溶胶光学厚度与气溶胶质量柱总量之间的关系，得到两通道独立估计的大气气溶胶质量柱总量。最后以两通道大气气溶胶质量柱总量相同为约束，实现仅依赖激光雷达数据的激光雷达比及气溶胶相关光学参数的迭代优化。由于双通道激光雷达观测的限制，该方法适用于两种类型气溶胶混合下的反演，利用内蒙古包头地区的多年气溶胶背景场，对反演模型的精度和适用性进行了评估。与采用经验估算激光雷达比的Fernald方法反演结果相比，所提算法反演的气溶胶消光系数廓线在532 nm和1064 nm通道的平均精度分别提高了21.16%和3.00%。此外，还将该方法应用在CALIOP数据中，进一步验证了该反演模型的应用潜力。
Mie散射激光雷达 双通道信息 气溶胶消光系数 激光雷达比 迭代反演 激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0501004
1 浙江省气象科学研究所, 浙江 杭州 310008
2 安徽工业大学数理学院应用物理系, 安徽 马鞍山 243002
污染物区域间输送是大气环境研究的重点和难点。利用2012―2015年间浙江省污染程度较高的霾天气过程激光雷达观测数据，根据Mie散射理论和Fernald反演方法计算污染物垂直浓度，开展了高影响霾天气区域间污染物输送沉降特征定量研究。结果表明：(1) 浙江省高影响霾天气多发生于高压前部转高压控制的情况，高压前部利于外来污染物输入，而高压控制利于本地污染物累积；(2) 不同过程及同一过程不同时刻外来污染物输送高度、质量浓度、结构组成都不相同，污染物集中输送高度一般介于4.5～7.5 km之间，输入最大质量浓度一般介于450～1200 μg·m-3之间，输入污染物中粗颗粒物居多，污染物类型主要包括沙尘和城市污染物；(3) 个例分析表明，输入污染物仅有25%～35%沉降到近地面，重力和气温下降是影响沉降的重要原因，其中重力对粗颗粒物沉降作用更大，而气温下降对细颗粒物作用更大。
激光雷达 微波辐射计 Mie散射 输送 沉降 lidar microwave radiometer Mie scattering transport deposition 大气与环境光学学报
2023, 18(6): 541
西安邮电大学通信与信息工程学院，陕西西安 710121
针对脉冲激光近感探测在烟雾干扰下引起的虚警、漏警等问题，本文根据 Mie散射理论，运用 Monte Carlo方法建立脉冲激光近感探测模型，仿真 905 nm脉冲激光获取大小目标在无干扰和烟雾干扰两种条件下的回波，分析回波的波形特征。结果表明：无干扰情况下，发射接收系统与目标之间的距离和回波幅值呈负相关；大小目标回波前沿的上升速率均呈递增趋势。烟雾干扰情况下，烟雾回波和目标回波的脉冲宽度相对于发射激光波形均有一定的展宽，但前者的展宽程度要大于后者；烟雾回波波形呈现前沿陡峭，后沿平缓的非对称特征。研究成果可以为激光近感探测抗烟雾干扰提供理论基础。
激光近感探测 烟雾 Mie散射 Monte Carlo方法 回波特性 laser proximity detection, smoke, Mie scattering,
1 安徽大学物质科学与信息技术研究院，安徽 合肥 230601
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学重点实验室，安徽 合肥 230031
3 中国科学技术大学研究生院科学岛分院，安徽 合肥 230031
为了研究海洋大气气溶胶不同模态的光学特性，基于球形粒子的Mie散射理论，综合运用能见度仪、自动气象站、光学粒子计数器（OPC）以及腔衰减相移式单散射反照率监测仪（CAPS）等设备，对广东茂名地区近海海域的大气气溶胶进行粗、细模态分类以及复折射率反演和研究。反演结果表明，在530 nm处，细模态气溶胶复折射率在相对湿度大于55%时约为1.35（±0.01）?0.019（±0.003）i，在相对湿度小于55%时约为1.37（±0.02）?0.020（±0.003）i；粗模态气溶胶复折射率在相对湿度大于55%时约为1.4?0.004（±0.002）i，在相对湿度小于55%时约为1.48（±0.02）?0.005（±0.002）i。不同模态的气溶胶粒子折射率差异明显，该结论对研究海洋气溶胶气候效应具有一定的参考价值，同时对建立茂名地区海域气溶胶模型具有重要意义。
大气光学与海洋光学 海洋气溶胶 Mie散射 复折射率 气溶胶谱分布 粗模态 细模态 激光与光电子学进展
2023, 60(21): 2101002
山东师范大学物理与电子科学学院，山东 济南 250358
表面晶格共振源于周期阵列的衍射耦合，理论上可以获得高品质因子，并可有效增强光与背景环境中物质的相互作用。本文首先介绍在垂直入射激发条件下金属及高折射率介质纳米颗粒阵列中表面晶格共振的基本性质以及实现高品质因子的技术手段；然后，介绍基于反射镜上高深宽比介质纳米柱阵列在非对称折射率环境实现高品质因子表面晶格共振的研究进展；最后，探讨目前研究存在的局限以及后续的努力方向。
表面模 衍射 表面等离激元 Mie散射 光学学报
2023, 43(16): 1623005
光子学报
2022, 51(12): 1223001
1 安徽大学 物质科学与信息技术研究院 安徽省信息材料与智能感知实验室, 安徽 合肥 230601
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所 中国科学院环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
3 合肥学院, 安徽 合肥 230601
4 中国科学技术大学 环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230026
基于CMOS探测器的静态光散射法能够实现水体悬浮颗粒物粒度分布的快速检测, 受探测器工作特性和面幅大小的限制, 前向光散射的CMOS粒度测量范围和精度难以提高。提出了颗粒前向光散射的双CMOS测量技术, 重点研究双CMOS散射信号拼接测量方法, 设计消除背景干扰的CMOS探测器分环方式, 实现宽粒径范围颗粒粒度的准确测量。实验结果表明: 基于CMOS探测器的颗粒粒度测量上限提高到了1000μm, 1000μm、500μm标样的D50测量相对误差分别为0.7%、0.1%, 大粒径颗粒粒度测量准确度高; 同时双CMOS探测的方式将单CMOS的粒度测量下限由5μm提高到了2μm, 5μm、2μm标样D50相对误差分别由单CMOS的15.0%、51.1%下降至双CMOS的1.4%、2.6%。
粒度测量 Mie散射理论 CMOS图像传感器 图像处理 particle size measurement Mie scattering theory CMOS image sensor image processing
哈尔滨工业大学 物理学院，黑龙江 哈尔滨 150001
激光雷达是一种能够快速获取目标三维信息的光学传感器，凭借精确定位与高效识别能力，其在**侦察、无人驾驶、空间交会对接等领域发挥着越来越重要的作用。然而在浓雾、烟尘、海水等复杂的气候或环境下，传输介质对光场的强烈散射作用会造成传统激光雷达接收信号的严重退化，致使其性能迅速降低，甚至根本无法正常使用。针对该类环境下接收信号的退化特性，首先建立了Monte Carlo的Mie散射瞬态光场传输模型，接着通过计算机模拟仿真了传输光场的时域分布规律，针对该规律研究了时域信号去散射效应的滤波算法，最后在实验室搭建了基于时间相关单光子计数的穿透成像激光雷达系统，开展了雾气模拟环境下的成像实验，结果验证了该穿透成像激光雷达系统的处理方法对目标图像重构质量的提高具有较好的效果。该研究为激光雷达在复杂散射环境中的进一步应用提供了基础。
激光雷达 穿透成像 Mie散射 TCSPC LIDAR penetrating imaging Mie scattering TCSPC 红外与激光工程
2022, 51(8): 20220404
安徽大学物理与材料科学学院, 安徽 合肥 230601
水雾环境对红外辐射有着较强的衰减作用。在工业生产中水雾环境十分常见, 连铸二冷区铸坯的冷却装置采用的就是人工水雾系统, 而准确掌握连铸二冷区铸坯表面温度对提高产品质量的稳定性具有重要意义。针对二冷区大量水雾对连铸坯表面非接触式测温存在干扰的问题, 提出了一种基于 Mie 散射理论的校正方法。首先根据现场使用的气水喷嘴进行模拟实验, 分析现场水雾的水流分布, 建立水雾状态模型; 然后分析水雾状态模型下红外辐射的衰减特性, 通过模拟试验计算得到相应的消光系数, 并利用朗伯比尔定律得到红外辐射衰减的校正因子, 将校正因子添加至非接触式红外测温系统中进行实时温度值的校正。研究表明, 通过校正因子的导入能够有效地提高非接触式红外测温系统的精度。
Mie 散射理论 水雾 辐射衰减 校正因子 红外测温 Mie scattering theory water mist radiation attenuation correction factor infrared temperature measurement 大气与环境光学学报
2022, 17(4): 476
