1 中国科学院合肥物质科学研究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
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
采用OPAC (Optical Properties of Aerosols and Clouds) 模型提供的沙尘粒子谱分布和复折射率参数，结合多个入射波长，对群体沙尘气溶胶粒子的退偏振比进行了数值模拟计算。计算获得1064 nm、532 nm和355 nm入射波长下，不同轴比超椭球模型的沙尘气溶胶粒子群体的退偏振比分别为0.317，0.397和0.446，其中1064 nm波长的仿真结果与实际观测结果一致性最好，其次是532 nm波长的仿真结果，355 nm波长的仿真结果和实际观测结果有较大差异，其可能原因为采用了相同数目偶极子导致计算误差增大。本仿真研究中建立的非球形粒子散射模型和数值计算方法，为深入理解沙尘气溶胶光散射特性和研制多波长偏振激光雷达提供了理论基础。同时，多波长偏振探测也为气溶胶混合态和污染型气溶胶生成机理研究提供了重要的技术手段。
非球形粒子 超椭球模型 沙尘气溶胶 多波长 退偏振比 non-spherical particle super-ellipsoid model dust aerosol multi-wavelength depolarization ratio 大气与环境光学学报
2023, 18(5): 458
1 河南工业大学 信息科学与工程学院，河南 郑州 450001
2 中国科学院合肥物质科学研究院 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 先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
灰霾期间硫酸盐与沙尘矿物颗粒表面经过系列化学反应形成复杂的混合状态，为气溶胶光学性质模拟带来很大困难。因此，厘清硫酸盐壳对沙尘矿物颗粒光学特性的影响机制具有重要意义。文中根据灰霾期间硫酸盐与沙尘矿物颗粒反应过程中的混合结构变化，建立了沙尘-硫酸盐颗粒的核壳椭球结构模型。采用T矩阵方法，研究了四波段条件（0.44、0.675、0.87、1.02 μm）下，混合比对单分散系沙尘-硫酸盐粒子光学特性的影响。结果表明：混合比对沙尘-硫酸盐粒子光学特性的影响主要在Mie散射区，在瑞利散射区，混合比对粒子光学特性影响不大。同时研究结果还表明，当混合比小于0.3时，硫酸盐壳在粒子散射特性中占主导地位；当混合比大于0.7时，粒子散射特性主要受沙尘核的影响；在此区间内，粒子散射特性由硫酸盐与沙尘共同影响，并会出现强于（或弱于）任何一种纯颗粒物的现象。该研究对理解灰霾老化期间单颗粒气溶胶混合结构及其光学特性具有重要意义。
灰霾 沙尘 硫酸盐 非球形粒子 混合比 光学特性 haze dust sulfate non-spherical particle mixing ratio optical properties 红外与激光工程
2021, 50(11): 20210052
1 中国科学院合肥物质科学研究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 230001
2 先进激光技术安徽省实验室, 安徽 合肥 230037
3 中国科学技术大学研究生院科学岛分院, 安徽 合肥 230026
粒子光散射在众多科学领域有着极其重要的作用, 早期关于粒子光散射的计算大多基于球形粒子假设。但粒子的形状通常并不是完美的球形, 有些粒子还会聚集在一起, 使得外形结构变得更加复杂。Lorentz-Mie 散射理论通常用来计算球形粒子散射, 对于非球形和复杂结构粒子的散射相函数计算则会带来较大偏差。此外, 球形粒子假设对于退偏振效应也无法进行有效的分析。随着计算机算力的提升和算法的改进, 非球形粒子的散射问题除了有限的观测实验研究外, 大多采用数值计算的方法。综述了非球形粒子散射的数值计算方法, 分析了各自的优缺点, 并介绍了非球形粒子光散射实验室测量方法, 以及其在光学、地球物理学、遥感科学、天体物理学、工程学、医学和生物学等领域中的应用。
物理光学 非球形粒子散射 T 矩阵法 离散偶极子近似法 分离变量法 physical optics non-spherical particle scattering T matrix discrete dipole approximation method separation of variables method
1 西安理工大学 自动化与信息工程学院, 西安 710048
2 西安理工大学 陕西省智能协同网络军民共建重点实验室, 西安 710048
3 国家电网河北省电力公司检修分公司, 石家庄 050070
针对复杂的火星大气环境，基于T-matrix理论，对三种非球形火星沙尘粒子的散射特性进行了研究，计算了服从对数正态分布的非球形火星沙尘粒子的散射特性，分别在有沙尘暴和无沙尘暴两种条件下，分析非球形火星沙尘粒子的传输衰减和透射率随粒子数浓度、波长以及高度的变化趋势，并与球形粒子进行对比.结果表明：非球形与球形粒子的消光效率因子和散射效率因子存在较大差异，两者之间的最大差值分别为1.786 8和1.761 9，而切比雪夫粒子的散射特性与球形粒子最接近；当入射波长为0.55 μm时，火星上沙尘粒子群整体的散射主要集中在前向40°以内，且非球形与球形粒子在前向60°以内散射强度基本相等，大于60°时非球形的散射强度比球形粒子高；非球形火星沙尘粒子的传输衰减和透射率（随波长、粒子数浓度和高度）的变化趋势与球形的基本一致，且其尺寸的比值越接近于1，传输衰减和透射率越接近于球形粒子的值.
火星 非球形粒子 T矩阵法 沙尘 光谱散射特性 Mars Non-spherical particle T-matrix method Dust Spectral scattering characteristic 光子学报
2019, 48(12): 1229001
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所基础科学中心光电探测室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学研究生院科学岛分院, 安徽 合肥 230031
散射相函数是研究电磁波传输特性的重要参数, 直接影响电磁波传输方程的简化程度和解的精度。 基于电磁散射与辐射传输中的基本理论, 对非球形粒子散射相函数的经验公式进行了研究。 为了很好的模拟非球形粒子的后向散射峰值, 提高辐射传输方程的简化程度和解的精度, 提出了一种新的相函数经验公式。 分析新的相函数对非球形粒子的适用性, 以单个沙尘性气溶胶为例, 计算了不同形状粒子的Henyey-Greenstein*相函数和新的相函数随角度的变化, 并与T矩阵法的计算结果进行了对比, 发现椭球形粒子的长短轴比和有限长圆柱形粒子的径长比大于0.5时, 新的相函数在大角度后向散射部分与T矩阵法的吻合程度较高。 考虑波长变化, 对比了尺寸谱满足对数正态分布的四种气溶胶粒子的Henyey-Greenstein*相函数和新的相函数与T矩阵法的计算结果。 研究表明, 对于椭球形粒子和有限长圆柱形粒子, 在大角度（大于90°）后向散射部分, 除了0.694时的椭球形海洋性气溶胶, 新的相函数均方根差较小的占100%, 证明了新的相函数可以较好的模拟非球形粒子的后向散射特征。 新的相函数对准确模拟辐射传输过程具有重要意义。
非球形粒子 相函数 经验公式 后向散射 Non-spherical particle Phase function Empirical expression Backward scattering
南京信息工程大学气象灾害预警与评估协同创新中心,中国气象局气溶胶-云-降水重点实验室,教育部气象灾害重点实验室,南京 210044
为进一步了解云物理过程,探测冰云及混合相云云粒子特性,提出了一种带有偏振通道的云粒子探测器模型,可以同时探测前向散射和后向散射一定立体角内的散射能量和退偏比。模拟了椭球,圆柱和球形粒子的相函数,不同角度的退偏比,总散射截面,发现球形粒子几乎不产生退偏,其退偏与椭球、圆柱粒子退偏有数个量级的差距,探测时可以直接以退偏分辨球形粒子。计算了在探测器前后两个接收立体角内非球形粒子的散射截面和退偏比均值,粒子退偏比和散射截面随粒子的横纵比变化比较连续,一定条件下可以分辨部分粒子的形状。粒子退偏比随粒子的等效半径变化波动,不利于探测时分辨粒子大小。在模拟的粒径范围内,粒子等效半径和散射截面大致成正相关,探测时可以以此分辨粒子大小。粒子散射模拟结果表明,该探测系统除可以进行球形粒子探测能力外,具有一定的非球形粒子探测能力。
T矩阵 云粒子探测 偏振激光探测 非球形粒子 光散射 T-Matrix cloud detection polarized laser nonspherical particle light scattering
1 中国科学院 安徽光学精密机械研究所,中国科学院大气成分与光学重点实验室, 合肥 230031
2 中国科学院大学, 北京 100039
3 中国科学技术大学 环境光学学院, 合肥 230031
采用Mie散射理论计算了可见光波段等效球飞尘气溶胶粒子的Stokes散射矩阵,并与实验得到的空间随机取向的非球形飞尘气溶胶粒子结果进行了对比分析;由理论与实验方法得到的散射相函数,采用离散坐标法计算了两者的双向反射函数(BRDF),并对此结果进行了分析研究.结果表明:实验测量的非球形飞尘气溶胶粒子群的散射矩阵和基于球形粒子假设的Mie散射理论计算结果在大多数散射角上都不相同,但是不对称因子却大致相同;球形-非球形粒子群的BRDF随反射角的变化趋势基本一致,但是球形粒子群的BRDF曲线分布具有更大的波动趋势;随着光学厚度的增加,球形-非球形粒子群的BRDF曲线分布均趋于平坦,计算结果趋于一致.因此在飞尘气溶胶粒子散射特性研究中,当光学厚度较小时,用球形假设的方法会造成一定的误差,BRDF相对误差最大可以达到60%,需考虑粒子非球形特性造成的影响;而当光学厚度较大时,BRDF相对误差一般不会超过10%,采用球形假设的方法具有一定的适用性.
飞尘 非球形粒子 Mie理论 散射特性 气溶胶 fly ash non-spherical particle Mie theory scattering properties aerosols 强激光与粒子束
2015, 27(7): 071004
中国洛阳电子装备试验中心, 河南 洛阳, 471003
针对局部地域大气气溶胶的生成、演化的特点, 在分析典型对称结构的包容性非球形气溶胶粒子的形态学特征基础上, 利用T矩阵法进行了椭球形粒子含非球形粒子的包容性粒子光散射特性计算和分析.以1 064 nm波长激光传输为例分别计算了两种典型分布状况的包容性非球形粒子的散射相函数等散射特性, 并针对稠密气溶胶大气路径上激光传输的多散射现象, 利用蒙特卡罗方法进行了典型大气状况下包容性粒子多次散射对激光信号大气传输中脉冲展宽的应用分析, 在传输3 km和5 km距离时多次散射效应造成激光脉冲峰值半宽分别为3 μs和4 μs左右.指出气溶胶的基本散射特性与粒子的形态学特征、尺度因子、化学成分及颗粒密度等有密切的关系, 其散射特性对激光信号的大气传输具有明显的影响.
气溶胶 激光传输应用 T矩阵法 包容性非球形粒子 形态模型 散射特性 脉冲宽度 Aerosols Laser propagation applications T-matrix method Coated non-spherical particles Morphology model Scattered charactors Pulse breadth
1 中国气象科学研究院, 北京 100081
2 国家气候中心中国气象局气候研究开放实验室, 北京 100081
将T矩阵方法与几何光学方法相结合，精确计算了从太阳短波到红外谱段具有一定形状分布和谱分布的非球形沙尘粒子的光学特性，并与等体积球形沙尘的光学特性进行了比较。结果表明：1)相比沙尘粒径大小分布对沙尘气溶胶消光效率因子，单次散射反照率以及不对称因子的影响，沙尘形状对上述参数的影响明显偏小；2)非球形与球形沙尘粒子的相函数在短波区存在显著差异，这种差异在卫星探测常用的可见光区达到最大，并且随着散射角的变化具有一定的规律；3)在短波区，雷达方程中的消光后向散射比受沙尘形状的影响比较显著，因此在利用雷达方程反演沙尘气溶胶光学厚度时应考虑非球形效应。
大气光学 光学特性 T矩阵方法 几何光学方法 沙尘气溶胶 非球形粒子
对探测大气气溶胶粒子的激光雷达的关键参数－激光雷达比问题进行了讨论，以一种典型的集合状态(一般大陆型气溶胶粒子)为例，分析计算了几种典型湿度下非球形气溶胶粒子在0．532μm波长上的激光雷达比。发现：粒子的非球形对激光雷达比具有明显的影响。该结果为激光雷达探测对非球形大气气溶胶粒子的测量研究提供了分析依据。
激光大气探测 激光雷达比 大气气溶胶 非球形粒子光散射 laser atmospheric detection lidar ratio atmospheric aerosol non-spherical particle scattering 大气与环境光学学报
2008, 3(2): 0111
