1 西安工程大学电子信息学院, 陕西 西安 710048
2 2. Electrical & Computer Engineering Department, California State Univ, Northridge, CA 91330, USA
3 西安工程大学理学院, 陕西 西安 710048
在非直视无线紫外光通信中, 利用大气中的粒子对紫外光进行散射作用来传递信息, 非直视紫外光通信在近距离隐蔽通信中有广阔的应用前景。 雾霾粒子属于气溶胶范畴, 由空气中的灰尘、 硫化物、 有机碳氢化合物等粒子组成。 雾霾粒子的尺度、 浓度、 形状等因素均会对无线紫外光散射通信的传输特性产生较大的影响。 首先, 基于蒙特卡罗方法建立了非直视紫外光多次散射模型, 将霾粒子的半径和浓度这两个物理量引入该模型中, 通过模拟大量光子在雾霾条件下经多次散射到达接收端的概率, 进而仿真分析了系统路径损耗与粒子半径和浓度之间的关系。 结果表明, (1) 在无线紫外光近距离通信条件下, 雾霾浓度越大, 路径损耗越小, 系统通信性能越好; (2) 通信距离大于500 m时, 增加雾霾粒子浓度, 系统路径损耗总体先减小再增大; (3) 在粒子浓度一定情况下, 增大粒子半径, 路径损耗先减小后增大, 且随着通信距离的增大, 路径损耗极小值的位置不断向粒子半径小的一侧移动。 其次, 在模型中引入粒子尺度谱分布的概念, 对粒子尺度谱分布进行分割, 分别求出不同粒径及其所对应浓度。 假定粒子尺度谱分布中不同粒径的粒子依次对光子产生散射作用, 对相应光子到达接收端的概率求和, 得到光子到达接收端的总概率, 进而求得多种粒径的粒子共同存在情况下系统的路径损耗, 使仿真模型更加逼近实际大气信道中多种半径雾霾粒子共同存在的事实。 最后, 搭建实验平台, 分别在良好、 严重雾霾、 极严重雾霾三种不同天气条件下, 实验测量了系统路径损耗和通信距离、 收发仰角之间的关系, 并与考虑粒子尺度谱分布模型中计算得到的路径损耗进行对比, 实验数据与仿真结果趋势一致, 雾霾天气下的通信质量优于良好天气, 收发仰角越大对应的路径损耗也越大。
紫外光 雾霾粒子 粒子谱分布 路径损耗 Ultraviolet Haze particles Size distribution Path loss
武汉科技大学城市建设学院, 湖北 武汉 430065
为探究雾霾粒子吸湿性引起的散射吸湿增长特性,基于雾霾粒子湿度增长模型,利用Mie散射理论和多球T矩阵计算方法,详细研究了硫酸、硫酸铵、沙尘、硝酸铵以及碳质气溶胶5种典型雾霾粒子及其团簇在入射波长为532 nm、相对湿度在60%~95%范围内的散射吸湿增长特性。研究结果表明:对单一雾霾粒子,硫酸、硫酸铵以及硝酸铵这类二次水溶性无机粒子及其团簇的散射吸湿增长较突出,沙尘较为平缓,而碳质气溶胶则呈现抑制作用,同时,小粒径粒子的散射吸湿增长因子呈指数增长,而大粒径粒子则呈波动、负增长趋势;对于雾霾粒子的团簇,散射吸湿增长因子曲线整体增幅减小,粒子团簇的体积分数对散射吸湿的影响明显,随着体积分数的增加,散射吸湿增长因子曲线的波动频率增大,同时振幅减小,但整体呈现的吸湿增长还是由团簇粒子的粒径范围与成分决定,其中团簇粒径范围影响较大。这为探究雾霾粒子散射吸湿增长特性和研究大气污染提供了理论支持。
散射 雾霾粒子 Mie散射 多球T矩阵 散射吸湿增长因子 光学学报
2020, 40(24): 2429001
1 安徽师范大学地理与旅游学院, 安徽 芜湖 241003
2 资源环境与地理信息工程安徽省工程技术研究中心, 安徽 芜湖 241003
雾、霾粒子的组成成分不同,雾滴具有大粒子特性,霾的成分复杂,小粒子居多。偏振观测对小粒子具有很强的敏感性,基于该特性 利用矢量辐射传输模型(Vector linearized discrete ordinate radiative transfer, VLIDORT) 计算雾粒子和霾粒子的偏振辐射特性,模拟结果经公式计算可得到雾、霾粒子的偏振反射率。模拟结果表明: 在散射角125°～150°范围内,雾粒子和霾粒子的偏振反射率随散射角分布有明显不同的变化趋势。利用该偏振辐 射特性结合雾霾粒子的辐射特性,基于2008年3月11日的多角度偏振成像观测的卫星载荷 (Polarization and directionality of the earth’s reflectances, POLDER)数据对雾和霾进行区分。 将区分结果与中分辨率成像光谱仪(Moderate-resolution imaging spectroradiometer, MODIS)图像及地面站观测资料 进行对比,验证了算法的有效性。这对高分五号大气气溶胶多角度偏振探测仪(Directional polarimetric camera, DPC) 遥感数据的应用具有重要的参考价值和科学意义。
大气光学 雾霾粒子 矢量辐射传输 区分算法 atmospheric optics haze particles vector radiation transmission distinguishing algorithm 大气与环境光学学报
2019, 14(3): 221
1 西安理工大学自动化与信息工程学院, 陕西 西安 710048
2 西南科技大学特殊环境机器人技术四川省重点实验室, 四川 绵阳 621010
3 陕西省复杂系统控制与智能信息处理重点实验室(西安理工大学), 陕西 西安 710048
雾霾天气已严重影响人们的日常生活, 通过检测雾霾粒子的紫外光散射偏振特性可以有效分析雾霾成因。 矿物粒子、 灰尘粒子等雾霾颗粒均有小规模表面粗糙度的形态学特征, 因此可用切比雪夫粒子作为模型分析。 “日盲”紫外光与切比雪夫雾霾粒子相互作用发生散射, 散射光偏振特性可反演切比雪夫雾霾颗粒物理性质(如粒子尺寸参数、 复杂折射率、 粒子形变、 波纹参数)。 采用紫外光单次散射模型和T矩阵方法, 仿真分析切比雪夫雾霾粒子物理参数与散射光偏振特性(Stokes矢量和偏振度)之间的关系, 结果表明: 粒径对散射光Stokes矢量Is和Qs随散射角的变化趋势影响很大, 粒子的粒径和复杂折射率虚部的变化会造成散射光偏振度随散射角的变化趋势的改变; 具体分析散射角度为10°时, 得到粒径对Is和Qs的数值影响最大, 当粒径r<1 μm时, Is随粒径呈现抛物线趋势; 切比雪夫粒子形变的增大, Is呈现先增大后减小的趋势。
切比雪夫雾霾粒子 日盲紫外光 偏振 T矩阵 Chebyshev haze particles Solar blind ultraviolet light Polarization T matrix 光谱学与光谱分析
2018, 38(7): 2149
1 西安理工大学自动化与信息工程学院, 陕西 西安 710048
2 陕西省复杂系统控制与智能信息处理重点实验室, 西安理工大学, 陕西 西安 710048
紫外光与雾霾粒子发生散射后, 其散射信道特性能够反映雾霾粒子的相关物理信息, 利用无线紫外光单次和多次散射信道模型, 采用Mie散射和T矩阵理论分析了霾粒子在不同形态和浓度下的紫外光散射信道特性, 以及散射角对散射光强的影响, 并完成了紫外光在雾霾环境下的实测。 通过理论及仿真分析, 得到了不同霾粒子形态下的紫外光通信路径损耗以及光强分布。 结果表明: 紫外光直视通信方式下, 路径损耗随着霾粒子浓度的增大而增大, 且通信质量差于晴朗天。 非直视通信方式中, 在短距离通信时, 高霾浓度下的路径损耗小于中低霾浓度, 然而随着通信距离的继续增大, 高雾霾浓度下的通信质量急剧下降, 低霾浓度下通信质量最终达到最优, 且距离为200 m时通信质量能优于晴朗环境。 当通信距离相同时, 三种雾霾浓度下的紫外光散射光强分布均随着散射角的增大而减小, 当散射角继续增大并超过90°时, 低霾浓度下的散射光强最大。 主要原因是虽然散射角继续增大, 但是有效散射体体积逐渐减小, 因此低霾浓度下的散射光强较大。 且当粒子粒径相同时, 球形粒子的衰减较非球形粒子大。 雾霾环境下实测结果与仿真结果相类似, 证明了仿真结果的正确性, 并在一定程度上证明了实际大气中雾霾非球形粒子多于球形粒子。
紫外光 雾霾粒子 散射光强 路径损耗 Ultraviolet Haze particles Scattering intensity Path loss
西安邮电大学 电子工程学院, 陕西 西安 710121
为了研究霾环境下应用紫外光通信的系统特性, 研究了霾粒子的物理特性及谱分布特性, 利用散射理论分析了霾粒子在日盲紫外光波段的散射特性; 并利用经典Luettgen单散射信道模型, 研究了霾环境下非视距日盲紫外光传输的路径损耗特性。通过分析路径损耗与通信距离、能见度以及系统角度之间的关系仿真结果, 得到了非视距紫外光传输系统中霾衰减的理论特性: 在较短通信距离时, 系统的路径损耗受天气状况(能见度)影响较大; 能见度较好时, 通信距离对路径损耗的影响将会突出, 实际中应尽量选取能见度大于2 km的天气条件。文中的工作对设计霾天环境下紫外光通信系统及优化系统性能提供了一定的理论参考, 同时对系统工程化实现也具有一定的指导意义。
紫外光通信 非视距 霾粒子 能见度 Luettgen单次散射 ultraviolet communication non-line-of-sight(NLOS) haze particles visibility Luettgen single scattering 红外与激光工程
2017, 46(12): 1222006
西安理工大学自动化与信息工程学院, 陕西 西安 710048
在我国经济社会快速发展的同时, 雾霾天气成为了突出的环境问题, 雾霾粒子的测量非常重要。 偏振紫外光与大气雾霾粒子发生散射后, 散射光偏振状态（Stokes矢量以及偏振度）的改变能反映雾霾粒子的相关物理特性（粒径、 复杂折射率等）。 基于Mie散射理论建立了紫外光雾霾球形粒子直视和非直视单次散射模型, 研究了单个球形粒子和链状结构球形粒子物理特性的改变对散射光偏振状态的影响, 并用蒙特卡洛仿真分析已知粒径分布的雾霾粒子浓度对散射光偏振状态的影响。 结果表明: 针对单个球形粒子, 随着粒子粒径的增大Stokes矢量中散射光光强(Is)随之增强, 粒子复折射率虚部为先增大后较小, 偏振度也是在不断增大, 且复折射率虚部较小时, 偏振度增加趋势快; 对于粒径分布不变的雾霾粒子, 随着粒子的浓度增加, 雾霾粒子的散射系数、 消光系数和吸收系数均呈线性增加, 但是Is先增大后减小。 针对链状球形粒子, 随着粒子个数的增加, Is均呈现增大的趋势, 且偏振度可用于区分链状球形粒子是否由相同球形粒子组成; 相同球形粒子组成链状结构中, Is随着粒子数量的增加而线性增大, 偏振度不改变; 不同球形粒子组成的链状结构, Is以及偏振度的变化趋势可以区分粒子物理特性。
Mie散射 偏振 紫外光 雾霾粒子 Mie scattering Polarization Ultraviolet light Haze particles
