体散射函数及衰减系数快速剖面仪的研发及应用

水体体散射函数(volume scattering function, VSF,β(θ,λ))、吸收系数a(λ)及衰减系数c(λ)是海水固有光学特性的基础性参数,基于上述参数可以进一步推算得到水体所有特征性光学特性参数,进而为海洋初级生产力、全球碳循环等基础和前端领域研究以及水色遥感、水环境监测及灾害预警、水下光场分布、目标追踪、光伏发电等军民融合领域的应用和发展提供重要的数据支撑。受限于体散射函数的强方向性,其测量技术难度大且发展不成熟。文章以高角度分辨率多角度体散射函数及衰减系数高频剖面测量为目标,研发了可同步获取17个角度体散射函数、水体衰减系数、剖面深度及温度信息的快速剖面测量仪(volume scattering and attenuation meter,VSAM),其测量频率最高可达20Hz,体散射函数测量角度范围为10°~170°,角度分辨率10°,剖面最大工作深度200m。利用VSAM对三亚湾和崖州湾水体光学特性分布进行剖面调查研究:整体上,崖州湾和三亚湾水体体散射函数及衰减系数均存在较大的水平、垂直及角度(体散射函数)变化特征;同一水层,自西向东衰减及体散射函数呈递减趋势;同一站位,衰减及体散射函数随剖面深度呈递增趋势;前向10°体散射函数最大,后向120°体散射函数最小,前后向体散射函数相差2个数量级甚至更高。结合同期获取的水体浊度和叶绿素浓度剖面调查结果发现,浊度是崖州湾水体体散射函数及衰减系数显著高于三亚湾的主导贡献者,且上述海域水体浊度与颗粒物散射βp(90°, 650)及衰减cp(6 50)具有很好的线性相关性。VSAM测得的衰减系数及后向体散射函数分别与Viper(Trios公司,德国)及ECO-VSF3 (Seabird公司,美国)测量结果在剖面分布上具有较好的一致性。

天气雷达三体散射长钉回波特征分析

利用2016—2020年中国中东部地区47个强对流个例中50部S波段多普勒天气雷达的基本反射率因子产品资料,在筛选出2626个样本的基础上,分析三体散射长钉(TBSS)特征。结果表明:TBSS在1.5 km和5 km高度附近出现频次最高;在2.4°仰角出现频次最高。TBSS主要出现在雷达静锥区边缘至雷达径向距离210 km范围,在距离雷达115 km附近达到峰值;TBSS在雷达极坐标系中呈现南多北少、西多东少的形势;当对流风暴移动方向与雷达径向方向的夹角大于30°时有利于观测到TBSS。TBSS回波强度在起始端径向向外0~15 km范围内迅速降低至5 dBz,15 km之后在-5~10 dBz波动,TBSS区域中70%以上为低于25 dBz的弱回波;99%的TBSS长度小于40 km,不同长度的TBSS形态符合正态分布。TBSS出现频次和长度与强回波的中心最高值和区域面积没有显著相关关系。

综合去取向和广义体散射的三分量极化目标分解模型

该文深入分析了Freeman分解中存在的体散射过度估计问题,并发展了一种综合去取向理论和广义体散射模型的三分量极化目标分解模型解决该问题。首先,在分解前对极化协方差矩阵进行去取向处理以削弱交叉极化分量;然后采用一种广义体散射模型以适应林地中HH分量和VV分量的比值变化;最后,增加功率限制处理以完全消除负功率问题。实验采用德国Oberpfaffenhofen地区L波段机载ESAR数据进行验证,并与其他改进模型进行比较,结果表明,综合处理后的分解模型能显著地解决体散射过度估计问题,且分解结果更接近地物的实际散射机理。

强烈雹暴三体散射的多普勒天气雷达分析

该文从干冰球和水球的散射特征出发,分析了强烈雹暴三体散射的多普勒天气雷达基本反射率因子的形成机制,讨论了影响三体散射观测的主要因素;利用连云港CINRAD/SA天气雷达资料,对2004年6月26日发生在连云港市境内的一次大冰雹过程的三体散射特征进行了详细分析,并对三体散射在业务上的应用进行了探讨。结果表明:产生三体散射的反射率因子区强度超过60 dBz,三体散射的反射率因子值小于18 dBz,长度通常小于14 km;径向速度整体上为朝向雷达的低值,谱宽很大,可达13 m/s以上;首次观测到三体散射后,可立即预报有大冰雹将降落到下游地区,提前量在20 min以上,这些结果为利用三体散射预报冰雹提供了新的线索。

可见光和红外波段大气体散射强度特性

搜集整理了气溶胶、雾和雨的观测资料,运用米氏理论计算并分析了大气体散射强度特性.结果表明:大气体散射能量主要集中在前向较窄的散射角区间内,体散射相函数随散射角的分布取决于粒子尺度谱、波长和复折射指数,不同类型粒子体散射相函数随散射角的分布特性有较大的差异;大气单散射反照率受波长和复折射指数虚部影响,其值范围变化较大,相同波长下城市气溶胶单散射反照率小于雾,城市气溶胶和雾的单散射反照率随波长增大而减小.

水体体散射函数测量技术研究进展

用于描述水体中光散射方向性的体散射函数是模拟或计算海面热平衡、海洋浮游植物生产力、光反应化合物的化学传输的基础性固有光学特性参数,在水色遥感、水下目标光学探测以及生态要素检测等海洋学领域具有重要的意义。体散射函数的检测是一项重要而又棘手的国际难题,目前依然处于一个不断探索完善的阶段。文章从原理出发,归纳总结了国际国内有关水体散射特性,特别是体散射函数的测量方法以及基于上述方法的海水散射特性研究进展,并对今后水体体散射函数测量方法的总体研究趋势进行了展望。

高光洁度玻璃基片的表面散射和体散射测量

提出了一种利用总积分散射（TIS）测量K9玻璃基片表面散射和体散射的实验方法。首先采用磁控溅射技术在基片表面沉积厚度为几十nm的金属Ag薄膜，然后将基片的表面和体区分开考虑，通过TIS测得了基片上下表面的均方根粗糙度。进而求得基片的总散射和表面散射．最后计算得到了体散射。分别利用TIS和原子力显微镜（AFM）测量了3个样品上表面所镀Ag膜的均方根粗糙度．两种方法所得的均方根粗糙度的数值相差不明显，差值分别为0．08，0．11和0．09nm，表明TIS和AFM的测量结果相一致。利用该方法测得3块K9玻璃基片的总散射分别为6．06×10^-4，5．84×10^-4和6．48×10^-4，表面散射介于1．25×10^-4．56×10^-4之间，由此计算得到的体散射分别为3．10×10^-4，3．30×10^-4和3．61×10^-4。

应用改进迭代物理光学方法分析电大尺寸开口腔体散射

为了克服用 IPO法处理电大尺寸形状相对复杂的腔体散射时会出现迭代收敛慢甚至发散现象 ,本文引入松弛因子、异步迭代以及继承迭代等措施改进迭代的收敛性 。

海水中悬浮粒子归一化体散射函数的研究

利用Mie散射理论计算了海水中悬浮粒子的归一化体散射函数。海水中悬浮粒子的尺寸分布采用双曲线模型。分别研究了分布函数的幂指数ξ、海水悬浮粒子的折射率n以及入射激光波长λ对海水悬浮粒子归一化体散射函数的影响,并对结果进行了分析。

罗布泊“大耳朵”成因的体散射特性模拟与分析

根据SAR信号对干燥地表的穿透性能,在对罗布泊湖盆区域复杂散射机制深入分析的基础上,结合野外考察和实验室测量的数据,利用双层散射结构模型对湖盆区域的微波散射特性进行描述,并对次地表稳定沉积物的体散射分量进行模拟.为了对模型进行验证,本文利用Cloude极化分解方法将ALOS PALSAR数据进行散射机制的分解,并以体散射贡献量作为标准数据,与模型模拟的结果进行对比,得到的水平和垂直极化方式的均方根误差分别为1.62%和1.68%,证明了模型的可用性和有效性.同时,对模型的相关参数进行扩展分析,结果表明,次地表稳定沉积物是罗布泊古湖盆演化结果的直接反映,沉积物的含盐量是罗布泊"大耳朵"特征形成的根本原因.

天气雷达反射率因子图像中三体散射自动识别

三体散射的准确识别可以有效降低强冰雹的误警率、提高预报强冰雹的时效性.在详细分析三体散射产生机理的基础上,将三体散射按照其图像特点定义成2种类型.设计标准模板,在将搜索区域进行标准化变换的配合下成功解决了楔状的、短的三体散射的自动识别;用链码技术将走向一致的区域边界的比例定量地描述出来,以此解决长直的三体散射的自动识别.实验表明,该方法对短三体散射的区域断裂和长三体散射的远端粘连具有不敏感性,对三体散射的总击中率达到94.8%,误警率不足1%.

一种快速计算多柱体散射问题的区域分解时域有限差分方法

本文提出一种用于计算多柱体散射问题的区域分解时域有限差分算法（DD-FDTD）.当各散射柱体相互间距离比较远时,采用经典的FDTD方法进行计算时,计算域是非常大的,大量的网格浪费在散射体之间.文中我们使用区域分解的思想,把各个柱体处理为各个子域.各柱体间大量的网格被省去,代之以二维时域Green函数将各个子域连接起来.采用近远场变换方法,并将柱体间互偶处理为等效柱面波人射场,从而大大压缩了计算时间.由于二维时域Geen函数含有关于时间的积分,且此积分是一个反常积分,采用半解析的方法,精确地算出了其中的反常积分值,大幅度提高了计算精度.最终.使该方法得以实现。

X光透射剂量中模体散射线的物理特性研究

放射治疗的X光透射剂量中含有不同强度的模体散射线,影响其临床应用。本文基于实验方法在不同条件下测量6MVX线射野中心轴及离轴位置的透射剂量分布,从中提取原射线剂量,计算得到相应的散射线剂量,分析透射剂量中原射线和模体散射线的大小,研究不同条件下透射剂量中模体散射线分布的物理特性。

非均匀介质多柱体散射的计算

本文运用迭代MEI过程对非均匀介质柱的多柱体散射进行了计算。该迭代过程充分运用了不变性特点，使MEI方程在各次迭代中反复使用，不仅减少了计算量也大大减少了所需的内存空间．对于不规则网格剖分下有限差分方程的建立，则采用了一种广义的测试系数的方法。文中将均匀介质多柱体散射作为非均匀情况之特例，与已有结果作了对比，获得良好的一致性。对非均匀介质柱的计算，也提供了算例。

太湖秋季水体体散射和散射相函数特征

利用Fournier and Forand(FF)体散射函数近似计算方法模拟太湖水体的体散射函数以及散射相函数,进而分析太湖水体体散射函数和散射相函数的特性,以及与波段、深度之间的变化关系,空间分布差异。研究表明,太湖水体体散射函数表现为具有极强前向散射特性的大颗粒物散射特征,体散射函数随波段变化的差异性主要体现在后向方向上,散射相函数的变化规律与体散射函数较为相似;而随着深度的变化体散射函数几乎没有变化,但散射相函数表现出了较为明显的层状特征;体散射函数和散射相函数在空间上表现出了较大的差异性,这种差异性随着散射角的增大而不断地加强。

三体散射的动力学

研究非线性相互作用的一维三原子集团之间的散射动力学,揭示随着系统能量的增加依次出现的混沌散射、非完全弹性散射、完全弹性散射现象,研究内部动力学属性,特别是混沌运动行为与散射行为之间的关系,解释混沌散射不可预测性的机制.

快速提升小波变换在介质体散射中的运用

推导一种用于求解介质体散射问题的面积分方程,它克服了内谐振现象,且同体积分方程相比,获得了更小的阻抗矩阵维数。一种新的基于提升法的类小波变换预处理算子的使用,降低了矩阵向量积的计算复杂度和求逆过程中的迭代次数。数值结果表明,与传统方法相比,提升法消减了预处理矩阵的多余内存,并且节省了约1倍的计算时间。

一次雹灾天气过程的三体散射研究

利用自动气象站资料、CINRAD/CD多普勒雷达资料、实地冰雹调查资料及NCEP/NCAR再分析资料,分析2020年7月一次呼和浩特市托克托县地区强冰雹事件发生时出现的三体散射与风暴云团三维结构、发展特征,结果表明:(1)C波段雷达较S波段雷达容易出现三体散射。(2)三体散射现象和55或60 dBZ等强回波密切相关,尤其是60 dBZ强回波出现时,三体散射现象也随之出现。(3)60 dBZ冰雹云体积即使在50 km^(3)以下也会出现三体散射。(4)在本个例中发现多重三体散射,其特征是在雷达径向上三体散射长度较长,为强回波距地高度的3~5倍,随着多重散射次数的增加,散射越来越弱,故多重三体散射强度沿着强回波径向上逐渐减弱。(5)三体散射现象首次出现后,开始出现冰雹,下沉气流使冰雹云回波顶高迅速下落,其中60 dBZ回波顶高下落最为明显,垂直厚度减少最为严重。大冰雹降落后60 dBZ回波底高迅速抬升,体积急剧减小,之后风暴云团回波顶高、体积进入平稳阶段。

二维多体散射系统分析

本文提出一种多体散射系统的普遍化的分析方法,原则上能处理任意形式的多体散射系统。利用系统散射方程把多体问题归结为一组单体问题,然后用有限元法对各个单体问题逐个进行分析。本文着重讨论二维多体系统,并给出由介质涂敷导体往构成的三体散射系统的计算实例。

强雹暴的雷达三体散射统计与个例分析

利用我国各地11次强对流事件中23个产生S波段雷达三体散射的雹暴的新一代天气雷达数据，总计499个三体散射样本资料，综合并详细地讨论了我国S波段多普勒天气雷达三体散射的统计特征，也讨论了将这一现象应用于强冰雹辅助预警的可能性。同时对目前国内S波段雷达所观测到的最典型的三体散射个例从“三体散射回波”出现到消失的全过程进行了仔细分析，结果表明：（1）在最小反射率因子显示阈值为-5dBz的情况下，产生S波段雷达三体散射的最小反射率因子在60dBz左右，86％的三体散射长钉（TBSS）出现在反射率因子强度≥63dBz时；（2）TBSS长度与强反射率因子核心区面积大小及反射率因子核最大强度呈密切的正相关，也就是说，反射率因子核心强度越大，高反射率因子的区域越大，TBSS的长度就越长；（3）TBSS出现的最大高度为12．5km，最低高度是1．1km；61％的TBSS出现在3～6km高度之间，TBSS在4～5km高度出现次数最多，然后向上、向下减少；TBSS长度≥10km的出现次数同样以4～5km高度最多，然后向上、向下迅速减少；（4）TBSS主要在雹暴位于雷达的西半边时出现；（5）雹暴云在不同性质的下垫面上空均能产生雷达TBSS；（6）TBSS的持续时间几乎都超过30min，其中持续时间在30～60min的情况居多，还有部分TBSS持续时间超过90min；（7）在出现TBSS时，几乎所有雹暴都降了2cm以上的强冰雹，同时80％左右的产生2cm以上直径冰雹的强雹暴都产生了三体散射，因此TBSS可以作为强冰雹的一辅助预警指标，以有效降低强冰雹预警的虚警率；（8）在产生三体散射的23个强雹暴中，有一半以上是超级单体和准超级单体风暴，超级单体雹暴中的中气旋有利于大冰雹的形成。