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。

Mie理论递推公式计算散射相位函数

在激光雷达探测中,关于多次散射雷达回波的研究,散射相位函数是个非常重要的物理量。本文利用Mie理论的递推公式,对单一粒径介质的散射相位函数进行了计算,计算结果与散射理论中前、后向散射峰值大小随粒子半径的增大而增大相一致。同时,对非单一粒径介质的散射相位函数进行了计算,可用于大气、雾和云等气溶胶多次散射的研究。

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。

地震波的散射理论和散射特征及其应用

介绍了散射波的基本理论,包括基本概念、分类和波场;然后针对金属矿给出3种基本类型散射体(阻抗类型、速度类型和密度类型)及其相应的散射特征;最后论述了散射波在金属矿探测及近地表应用方面的进展,如利用散射波研究与矿体有关的非均匀体,研究散射波的强弱与介质非均质性的关系,研究散射波的波组特征,进行散射成像,以及研究界面起伏引起的散射效应等。散射波是一个新的研究领域,目前利用散射波能提取的地质信息还很少,有待于进一步深入研究。

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。

典型几何基元的高频散射建模方法梳理

高分辨率SAR图像中蕴含目标与环境丰富的信息,但复杂的电磁散射机制使其难以直观解译,这一直是SAR图像解译的重要研究课题。该文简单梳理了典型几何基元的高频散射建模方法,以面散射、线散射和点散射为线索简要回顾了若干高频散射机制的研究发展过程,并给出几种典型几何基元的散射机制表达式及部分仿真结果,分析了典型散射机制表征面临的难点及应用于SAR图像解译的关键科学问题,提出从几何基元出发,发展对应的散射基元,通过散射基元进行组合和相互作用以树状方式实现更完备和广泛的散射特征表征体系,最后讨论了面向SAR图像散射信息解译来构建散射机制字典的可行性。

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。

散射介质中偏振图像模拟方法及应用

散射介质中的可见光偏振模拟数据集较为匮乏,这限制了开发和验证散射介质中偏振成像算法。针对此问题,分析了散射环境中的散射退化、光照等对偏振成像的影响,提出了一种散射介质中偏振图像模拟方法。首先采用物理渲染器精确模拟光的传播路径,得到经偏振滤波片的无退化偏振图像;之后利用真实散射环境数据集(水下及雾天环境),计算不同环境下的散射退化参数;最后结合散射退化模型得到不同偏振态下的模拟散射退化图像。结果表明:模拟数据集准确反映真实散射环境中的图像特征,偏振度和偏振角图像有效呈现了真实散射环境中的退偏现象。相应的模拟偏振图像为分析散射介质中目标和背景的偏振特性提供了可靠基础,也为改进偏振去散射算法提供依据。

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。

激光散射场理论及其应用

在薄层散射的基础上,研究了寻常散射和非常散射的差别,建立起了散射椭圆的模型。然后从薄层散射过渡到厚层散射,检测了激光在水中的散射场和退偏振度,并对前向散射和后向散射导出了简化的场强计算公式。公式中的常数—散射率成为评价激光散射场和退偏振的依据。本研究的结论直接对提高水中目标探测的信噪比有现实意义。