海底声散射特性进展及展望

为了对海底声散射特性进行系统分析和规律总结,本文梳理了国内外有关海底声散射特性的研究进展。介绍了海底声散射的基本概念,并对界面粗糙散射及沉积物体积散射的理论模型进行了总结;从高频(>10 kHz)和中频(1~10 kHz)2个方面阐述了国内外典型海底声散射特性测量实验,同时对当前具有代表性的海底声散射实验结果进行了归纳分析。最后剖析和探讨了当前海底声散射研究中存在的问题和未来发展方向,并指出海底中频及宽掠射角声散射模型研究在水下攻防应用中尤为紧要。

一种自适应的三维荧光光谱去散射方法

三维荧光光谱因其数据量大、灵敏度高等优点,在食品科学、分析化学、生物化学和环境科学等领域应用广泛。然而,因为同时存在瑞利散射和拉曼散射,给三维荧光光谱的定量分析和数据显示带来了困难。因此,在数据处理前期,消除散射干扰对其具有重要意义。在已有方法中,对较低浓度溶液和散射峰与物质荧光信号重叠严重光谱的去散射算法的研究相对空白。针对现有问题,提出了一种自适应的三维荧光光谱去散射方法。首先,该方法通过减去每次实验获取的溶剂的光谱基线来校正拉曼散射和背景干扰。然后综合考虑散射峰与物质峰的荧光强度和重叠程度将光谱分为五类情况对应三个重叠等级:无重叠、微弱重叠和严重重叠,分别采用置零法、分段三次Hermite插值多项式算法和高斯拟合-分段三次Hermite插值多项式耦合算法对瑞利散射进行校正处理。此方法基于一维插值,仅对单个发射光谱进行研究,降低了算法复杂度,计算时间较短。通过对酪氨酸、黄腐酸、萘乙酸和罗丹明B四种典型有机化合物进行实验,评估了该方法扣除散射干扰的有效性。并且与现阶段研究中使用最多的Delaunay三角形内插值法进行比较,以重叠区域散射校正后的数据对四种有机化合物分别进行浓度回归,此自适应方法所得的平均决定系数为0.9962,相比于Delaunay三角形内插值法提高了5.04%。同时,通过对比天然有机化合物黄腐酸分别经此方法和Delaunay三角形内插值法进行散射校正后的三维荧光光谱,进一步证明了该方法更好地保持了物质荧光光谱区域的结构特征,有效地避免了过拟合现象的发生。最后,利用该方法对模拟突发污染水样进行监测,验证了此方法具有很好的普适性,有实际应用价值,为三维荧光光谱去散射提供了一种新的思路。

《光散射学报》征稿简则

《光散射学报》是中国物理学会光散射专业委员会、四川省物理学会联合主办,四川大学承办的专业性学术刊物,宗旨是交流光散射(拉曼散射、布里渊散射、瑞利散射)、光谱学、光物理、光化学、光生物等学科方向在理论、实验、实验技术和仪器研发方面的研究成果,以及它们在物理、化学、材料科学、生物学、地矿学、石油化工、医药学等方面的应用成果,为相关科学发展和技术进步提供讨论、交流场所。

《光散射学报》征稿简则

《光散射学报》是中国物理学会光散射专业委员会、四川省物理学会联合主办,四川大学承办的专业性学术刊物,宗旨是交流光散射(拉曼散射、布里渊散射、瑞利散射)、光谱学、光物理、光化学、光生物等学科方向在理论、实验、实验技术和仪器研发方面的研究成果,以及它们在物理、化学、材料科学、生物学、地矿学、石油化工、医药学等方面的应用成果,为相关科学发展和技术进步提供讨论、交流场所。

反向散射通信技术的研究与发展

反向散射通信作为物联网部署的重要技术手段,其主要思想是利用入射信号进行低功耗被动通信和能量收集,以期实现物联网节点的能源自持。为了加深对该技术的认识并推动相关领域的发展,对现有研究展开综述并对未来发展进行展望。首先,阐述了反向散射通信的基本原理及架构演进。其次,针对不同的通信架构,对已有工作进行了综述。在此基础上,给出了融主被动传输的互惠共生反向散射通信架构,并进行了初步的研究和仿真分析。最后,结合已有研究探讨了所提通信架构的未来研究方向。

有机气泡光散射特性研究

为了更好地解释真实海洋环境中尾流的光散射特性,探究在真实海洋环境中由于有机物薄膜引起的尾流气泡光散射特性的变化。文中基于Mie散射理论,仿真了不同波长入射光时干净气泡,以及被蛋白质膜和脂质膜包裹的有机气泡的散射光强分布、散射系数、散射相函数及偏振度。仿真结果表明:干净气泡和2种膜包裹的有机气泡的散射系数均在2.025上下震荡,且有机气泡的震荡幅值明显大于干净气泡;当散射角为180°时,有机气泡的散射光强和散射相函数的值明显增大;有机气泡可以增大散射系数震荡的幅值并增大背向散射强度。仿真结果可为实际海洋环境尾流探测提供理论与数据支撑,也为海洋污染监测、水质勘探等提供现实依据。

横向沙丘表面与上方矩形截面柱复合电磁散射的FDTD研究

分别使用指数型分布和高斯型分布表示沙漠表面的高度起伏状况,采用蒙特卡罗方法模拟横向沙丘表面和沙丘与沙丘间平坦沙漠表面,运用Herkelrath提出的土壤湿度与介电常数的通用式计算沙土的介电常数,选用FDTD数值计算方法分析高度起伏均方根、入射角度、目标长度、目标宽度、目标高度、横向沙丘的高度和横向沙丘迎风坡坡底到坡顶的水平距离的变化对散射系数的影响,得到横向沙丘表面与上方目标的复合电磁散射特性。分析了粗糙面为指数型分布和高斯型分布时散射系数的角分布曲线的不同之处。

计算散射光谱术赋能早癌检测研究进展(特邀)

散射光谱术(Light Scattering Spectroscopy,LSS)是一种无创的光学检测方法,能够在细胞和亚细胞层面识别并表征早期癌变及其他人体组织变化。LSS技术通过捕获上皮细胞的单次散射光,并应用Mie散射理论推断细胞核的形状、尺寸和折射率等关键参数,从而利用这些信息进行疾病诊断。然而,将LSS技术应用于人体组织时,如何有效消除底层组织引起的漫散射光对单次散射光的干扰,仍是一个技术挑战。为应对这一挑战,研究者引入了空间门控和偏振门控等先进技术,通过利用光子的特定属性变化,实现单次散射光与背景漫散射光的有效区分和分离。经过20年的技术演进,基于这些门控技术的新型LSS系统不断涌现,并在早期癌症检测领域取得了显著成果。这些成果不仅凸显了LSS技术在早期癌症检测中的巨大潜力,还强调了其进一步研究和推广的必要性。综述全面回顾了LSS技术在早期癌症检测中的原理、单次散射光的捕获方法和系统设计,深入探讨了其历史发展、当前研究状态及最新进展。文章还讨论了LSS技术目前面临的一些关键挑战,并展望了未来的研究方向。该综述不仅使读者可以快速了解该领域的研究现状和发展趋势,也为LSS技术的进一步应用和推广提供了坚实的理论支持。

多次散射中心横向位置属性及图像表征

多次散射结构是不可忽视的重要散射来源,其等效视在散射中心往往偏离目标区域,目前的解译和识别方法不具备对SAR图像中的多次散射中心现象进行散射机理和散射结构溯源的能力。为深入挖掘多次散射中心位置的本质,本文以散射中心的理论为基础,正向建立了具有明确物理含义的散射中心模型,揭示了多次散射中心横向位置与复杂多次射线路径的联系,解释了多普勒频率的形成机制,并探讨了其在雷达目标识别中的应用。首先,本文从电磁散射物理过程出发,推导了任意阶次射线场的解析表达式;其次,结合正向物理推导获取的雷达回波信号表达式与逆傅里叶变换,表征了目标在单站雷达上的图像特征,实现了散射中心三维空间位置在单站雷达图像中的直接映射;最后,通过仿真,构建了多次散射射线光程、回波信号相位表征、雷达图像散射中心位置三者之间的物理关联。

不同地物散射特性对比与多地物散射特性估算

地物环境特性差异是不同地物之间散射特性差异的主要因素,本文针对不同地物散射特性差异影响因素难以量化的难题,利用车载微波散射计和环境参数测试系统开展以玉米、大豆、胡萝卜及裸地等多种不同地物为对象的散射特性对比试验,研究了不同地物之间的散射特性差异,以及其生长状态的改变对散射特性的影响,并建立了一种关联环境参数的地物散射模型;利用单类型多地物散射系数估算了大区域复合地物散射系数,与实测数据对比误差小于4 dB,说明了推算方法的有效性,也为复杂场景地杂波预测研究提供了支撑。

复杂地物背景角域后向散射分布特性研究

针对采用平均后向散射系数进行对地空炸毫米波引信回波仿真时,因照射区域内入射角度散布较大造成仿真精度不足的问题,对复杂地物背景后向散射特性测试的远场条件进行了讨论,修正了复杂地物背景毫米波近场测试远场条件表达式,提出一种针对引信对地探测的复杂地物背景角域后向散射分布建模方法,构建基于实测数据优化的土耕地、水泥地等背景角域后向散射场,分析其对引信探测响应回波的影响。仿真结果表明,接近垂直入射情况下与传统乌拉比模型比较一致性较好,接近水平入射情况下比乌拉比模型后向散射系数小2~4 dB。利用该引信回波算法提高了毫米波引信探测仿真精度,可为对地空炸毫米波引信探测器设计提供数据支撑。

中法海洋卫星微波散射计风场产品精度评价

中法海洋卫星(China-France Oceanography SATellite,CFOSAT)搭载的微波散射计(SCATterometer,简记为“CSCAT”)首次采用扇形波束旋转扫描观测体制,相比笔形波束旋转扫描体制,可以实现海表同一面元的多入射角观测,具备更高精度海面风场的观测能力。CSCAT的原始空间分辨率可达10.0 km×12.5 km,生产了两种空间分辨率产品:25.0 km标准产品和12.5 km近岸产品。文中给出了CSCAT两种空间分辨率产品业务化真实性检验评估结果,研究表明采用美国国家数据浮标中心(National Data Buoy Center,NDBC)浮标得到CSCAT风速均方根误差小于1 m·s-1,风向均方根误差小于17°。采用ERA5再分析资料对CSCAT两种空间分辨率的风场产品在不同风速、交轨方向不同位置条件下的精度特征进行了分析,同时也对CSCAT数据处理中风向去模糊解的能力进行了分析。结果显示,标准产品的精度要高于近岸产品,对于产品精度需求更高的用户,建议使用25.0 km标准产品。因此,业务化真实性检验评估对CSCAT在轨运行期间的性能监测具有非常重要的价值,也有助于用户更全面地了解CSCAT风场产品的精度特性,促进CSCAT海面风场产品的定量化应用。

中法海洋卫星微波散射计真实性检验技术体系构建

中法海洋卫星(China-France Oceanography SATellite,CFOSAT)是国际首次用于联合探测海面风场和波浪谱的科学观测卫星,搭载的微波散射计(CFOSAT SCATterometer,CSCAT)是国际上首次采用扇形波束旋转扫描体制的星载微波散射计,相比笔形波束旋转扫描体制,这种新体制可以实现海表同一面元的多入射角观测,观测样本数相比笔形波束体制更多,因而具备更高精度海面风场的观测能力。基于CSCAT产品业务化真实性检验相关工作的总结基础,结合卫星管理部门对卫星遥感产品检验体系的认识,针对CSCAT的载荷特性,提出一种卫星管理部门、数据用户、科研学者三方相互协作的、业务化评估和科学评估相结合的风场产品真实性检验技术体系,有助于卫星遥感产品的质量提升和观测技术及检验技术的发展。此外,面向业务化的检验技术体系有助于全面地、系统性地评价与监测CSCAT载荷的测量性能,支撑载荷性能优化以及反演算法改进;同时也可以帮助CSCAT产品用户更全面地了解其海面风场产品的精度特性,促进CSCAT海面风场产品的定量化应用。

介质粗糙面与组合目标宽带电磁散射特性研究

文中对介质粗糙面和组合目标的宽带复合电磁散射特性进行研究,通过数值计算得到了复合散射系数频率响应曲线。分析结果显示,后向复合散射系数在宽频带范围内随着频率的变化而产生振荡,粗糙面的高度均方根、介电常数、组合目标尺度、目标介电常数等因素对复合散射系数有显著的影响,且影响规律较为复杂。相比之下,粗糙面的相关长度对复合散射系数的影响较为微弱。当目标是理想导体时,频率响应曲线近似呈现出准周期性的振荡形态。

人工等离子体云团与无人机群的散射研究

电离层中释放的金属蒸气产生人工等离子体云团,其可显著改变无线电波传播。本文利用几何绕射理论(geometrical theory of diffraction, GTD)和有限元法(finite element method, FEM)相结合的方法,给出了经由天线、人工等离子云团和无人机(unmanned aerial vehicle, UAV)群组成的传播链路中信号强度计算方法。利用30~70 MHz甚高频(very high frequency, VHF)信号研究人工等离子体云团与UAV群的复合散射特性,得出如下结论:接收功率随着信号频率增加呈下降趋势;当机群由N架UAV构成时,阵因子迭加使机群雷达散射截面(radar cross section, RCS)出现一定的起伏,同相迭加时,接收功率可比单个UAV高约20lg N dB;利用人工等离子体云团散射可实现VHF频段用于对米级尺度RCS目标进行超视距探测,有助于解决紧急情况下电离层扰动对高频探测的不利影响。

《光散射学报》征稿简则

《光散射学报》是中国物理学会光散射专业委员会、四川省物理学会联合主办,四川大学承办的专业性学术刊物,宗旨是交流光散射(拉曼散射、布里渊散射、瑞利散射)、光谱学、光物理、光化学、光生物等学科方向在理论、实验、实验技术和仪器研发方面的研究成果,以及它们在物理、化学、材料科学、生物学、地矿学、石油化工、医药学等方面的应用成果,为相关科学发展和技术进步提供讨论、交流场所。

缪子库伦散射成像技术中能量与靶几何结构关系的Geant4模拟研究

基于Moliere多重散射理论的缪子散射成像技术,可用于分析材料内部元素分布并确定原子序数。相对于高能量的宇宙射线缪子,加速器打靶产生的缪子束流能量偏低(约为45~450 MeV/c),Moliere多重散射理论的适用性有待探讨。本文利用Geant4软件模拟研究了中、低能量区(<800 MeV)缪子的库仑散射过程,分析了散射角的均方根分布,并通过散射成像算法对模拟结果进行了图像重建。结果表明,中、低能量缪子的散射与成像物体的几何结构密切相关,能量为400 MeV的缪子束流散射成像仅可用于厚度分别小于9.78 mm、56.9 mm、140.7 mm的W、Si、Na材料内部元素的分布信息。研究结果可为Moliere多重散射理论在该能区缪子散射成像技术的应用提供理论指导,推动缪子在核材料检测、文物鉴定、海关安检等领域小尺寸物品的成像分析与应用研究。

卢瑟福散射虚拟仿真实验设计与教学实践

卢瑟福散射实验是核物理学发展史中的经典实验之一。基于实验放射源使用安全的考虑,国内外高校多以理论讲授为主,少有实验教学,限制了学生对原子核微观结构及射线与物质的微观相互作用的深入理解。针对以上问题,开发了基于Unity3D的卢瑟福散射虚拟仿真实验,真实再现实验场景,通过蒙特卡罗模拟保证了实验数据的真实可靠性。实验内容涵盖半导体α谱仪的使用、卢瑟福微分散射截面公式的验证、卢瑟福背散射在材料分析中的应用等内容。该虚拟仿真实验的开发为高校近代物理实验、核物理实验、材料表征等专业实验教学提供了参考,丰富了核物理实验教学的内容。

宽带激光辐照平面薄膜靶的近前向散射

激光等离子体相互作用(LPI)过程一直以来是惯性约束聚变(ICF)点火中重要的研究内容,宽带激光在理论上一直以来被认为具有抑制LPI的潜力.宽带二倍频激光装置——“昆吾”,为实验研究宽带激光LPI效果提供了可靠的实验研究平台.针对大尺度低密度等离子体的LPI过程中强烈的受激布里渊散射和受激拉曼散射信号,开展了相同条件下宽带和窄带激光驱动C_(8)H_(8)平面薄膜靶的透过激光、前向散射和大角度近前向散射的实验研究.主要针对宽带和窄带激光前向透过信号的组分和近前向散射的光谱及份额信息进行对比研究,发现宽带和窄带激光驱动的LPI过程具有显著差异.同时,初步结果显示宽带激光相比于窄带激光体现出更强的穿透能力,烧蚀靶并穿过等离子体的时间提前了近1 ns,透过能量提升了近10倍,穿透等离子体后有更小的空间发散角.这些结果对于更好地理解宽带激光对于LPI的作用效果具有很好的参考价值.

大量程浊度测量的散射角实验研究

浊度对于评价水体质量具有重要的意义。针对90°散射法在高浊度范围测量误差大、分辨率低的问题,提出了一种135°散射大量程浊度测量方法。由于散射相位函数与散射角密切相关,实验研究了散射角的浊度测量适应性。通过多项式拟合阶次分析发现,在100 NTU~2000 NTU范围内单一散射条件下,135°散射法具有更大的量程范围。经过实验标定,分段线性拟合的R^(2)结果分别为0.99(100 NTU~800 NTU),0.98(800 NTU~1500 NTU)和0.99(1500 NTU~2000 NTU)。实验证明,135°散射法可以扩大浊度测量范围,改善高浊度范围内测量精度。