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%。

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。

为了找到光吸收和后向散射特性更好的纳米球壳,利用双层同心球的Mie散射理论和介电函数的尺寸修正模型定量分析了Au-Ag合金纳米球壳的内核半径、外壳厚度、合金成分和周围介质对光吸收和后向散射特性的影响。结果表明,当Au的摩尔分数为50%,步距为0.01 nm,内核分别为SiO₂和真空情况时,Au-Ag合金纳米球壳的体积吸收系数最大值分别为93.660 μm ^-1和99.316 μm ^-1时,内核半径分别为27.89 nm和28.02 nm,外壳厚度分别为3.95 nm和3.35 nm;后向散射系数的最大值分别为5.280 μm ^-1和5.550 μm ^-1时,内核半径分别为56.08 nm和56.37 nm,外壳厚度分别为10.47 nm和8.89 nm。此外,当Au的摩尔分数小于9%时,Au-Ag合金纳米球壳的光吸收特性优于Au纳米球壳;当Au的摩尔分数小于11%时,Au-Ag合金纳米球壳的后向散射特性优于Au纳米球壳。

大气中大量存在的复合粒子会对激光传输效率产生很大影响。由于空气中水蒸气含量较高, 以C作为凝结核外层包裹以水的核壳结构微粒对光传输具有明显的散射效应。本文应用Mie散射理论对C@H2O核壳结构微粒的散射特性进行了理论分析和数值计算, 首先给出了不同入射波长、核粒子半径以及水膜厚度条件下散射强度分布变化曲线; 其次给出了不同入射波长、核粒子半径以及水膜厚度条件下偏振变化情况; 最后讨论了光学截面与粒子半径之间的关系。结果表明各参数对前向散射强度影响较大, 入射波长越大散射强度越弱, C核半径增大粒子的前向散射增强, 水膜厚度增大粒子的前向散射增强, 而后向散射无明显影响; 入射波长较大时, 粒子在多个角度出现线偏振光, 入射波长增大、碳核半径变大、水膜厚度增大, 偏振度峰值都会增多; 随着入射波长的增大, 散射截面最大峰值位置向着半径增大的方向移动, 并伴随一定的振荡现象, 散射和消光截面在碳核半径为0.1 μm左右达到最大值。

研究了基于CCD传感的激光粒度测量方法和优化。在系统设计和实验参数优化基础上,设计了CCD传感器的光环尺寸,并基于Mie散射理论,建立了理论计算模型,计算了待测颗粒的理论光能分布。对标称粒径为10.9 μm和57.9 μm的聚苯乙烯乳胶标准颗粒进行实验,获得颗粒散射光能分布图像,提出了一种新的光环中心确定方法,并由编写的图像处理程序分析散射光能分布。颗粒粒径的反演结果与标称尺寸比较表明,用此测量方法得到的颗粒散射光能分布与其理论分布较一致,稳定性与重复性较好。

在石油类污染水体中, 油会吸附在悬浮颗粒物表面而形成一个双层结构, 影响水体后向散射系数光谱特征, 分离水体石油类物质与悬浮颗粒物对后向散射系数光谱的贡献, 能提高水体石油类污染后向散射理论模型的准确性。 将美国Wyatt公司生产DAWN HELEOS Ⅱ18角度散射测量仪、 美国SEQUOIA公司生产的LISST-100x B粒径仪和美国Hobilabs公司的后向散射仪HydroScat-6 Sprctral Backscattering Sensor(HS6)联动观测, 构成后向散射系数光谱测量系统, 分别测量不同水样的散射强度电压值、 粒径分布及粒径浓度、 后向散射系数等参数, 提出了利用Mie散射理论计算未知折射系数物质的体散射函数β(λ,θ)的新思路及分离后向散射系数光谱的算法。 选择已知折射系数m的石英砂作为颗粒物与采自不同油田区域的油污水进行配比, 获取不同特性水样, 测定相关数据。 首先, 根据Mie散射理论计算出各样本对应的水体体积散射函数β(λ,θ); 其次, 建立的DAWN HELEOS Ⅱ 18角度激光散射仪测定散射强度对应的电压值V(θ)转化为体积散射函数β(λ,θ)的关系式; 再次, 根据最优化方法估算出油砂混合的等效折射系数mos以及油的折射系数mo; 最后, 利用β(λ,θ)和估算的mos值及mo计算出各类样本的后向散射系数bb(λ), 分别建立油污水bb,o(λ)和石英砂bb,s(λ)与油砂混合总bb,os(λ)的分离算法。 分离算法的建立一方面提高了水体石油类污染后向散射理论模型的准确性, 另外一方面拓展了米散射理论在海洋水色遥感中的应用。

为了在理想的光频范围内扩展硅太阳能电池的低反射特性，设计了一种由球型微纳米颗粒周期排列构成的光学微结构。利用球型微纳米颗粒结构表面良好的抗反射特性，扩展硅基太阳能电池的超低反射特性。首先采用Mie散射理论研究了单个球型硅颗粒的散射特性；进而使用MEEP仿真软件通过控制变量法分析了多个颗粒构成的周期性二维光学微结构的光反射特性，分析了球型微纳米颗粒的周期数、半径、间距对反射率的影响。结果表明：合理选择球形颗粒的半径、间距以及周期数构成合适的周期性二维光学微结构，可以在理想的光频范围内获得超低反射特性。

：为了研究太赫兹波在沙尘大气中的衰减特性，根据Mie散射理论计算了单次散射情况下沙尘粒子不同尺寸参数下的散射效率因子和不同散射角下的散射相函数值。并得到了具有一定尺寸分布的沙尘粒子的单位距离衰减和能见度的关系曲线。还利用Monte Carlo方法对太赫兹波在沙尘中的多次散射特性进行了模拟计算，分析了不同能见度和不同沙尘类型对太赫兹波传输过程中能量损耗的影响。结果表明：单次散射条件下沙尘粒子的散射主要受尺寸参数影响；沙尘能见度较低时必须要考虑多次散射的影响。研究结果对太赫兹技术在大气环境监测和烟尘和风沙的探测等方面的应用具有参考价值。