单次散射近似研究非视线光传输中的误差

基于蒙特卡罗(Monte Carlo)方法建立了非视线光传输多次散射模型,引入大气光传输系统脉冲响应峰值大小,定量计算了单次散射近似研究非视线光传输时的误差大小。结果表明:大气吸收系数ka对误差影响较小,误差随大气散射系数ks和非视线传输光程S的增大而增大;当P值(ks×S)>3时,由于多次散射作用明显,误差>80%;当P<3时,误差随P值减小而减小,P<0.3时,误差<10%,此时单次散射近似可用来研究散射大气中非视线光传输问题。

单次大气散射效应对星载激光测高仪接收脉冲回波的影响

大气散射效应是影响星载激光测高仪接收脉冲回波的重要因素。根据星载激光测高仪接收脉冲回波信号与大气响应函数之间的关系式,在忽略大气多次散射效应的条件下,通过分析散射激光束的几何轨迹和散射概率,推导出单次大气散射激光脉冲和接收脉冲回波的特征参数的数学解析式。以地球科学激光测高仪系统参数为输入,采用数值仿真分析的方法,模拟了大气散射介质分布、激光指向角和目标倾斜角对接收脉冲回波信号特征参数的影响。结果表明,若散射介质的高度和粒子半径范围分别为0.2~6 km和0~120μm,则其对接收脉冲回波的能量、重心和均方根脉宽的影响最大值分别超过15%、250 cm和800 cm。随着激光指向角或目标倾斜角的增加,接收脉冲回波的能量基本不产生影响,但是其重心和均方根脉宽近似呈线性增加趋势。同时,采用高斯拟合方法可以减小大气散射效应对接收脉冲回波的影响。所得结论对于接收脉冲回波的数据处理与分析以及激光测距精度的评估具有一定的指导意义。

基于高度的紫外光NLOS单次散射链路模型的研究

为了更精确、更全面地研究紫外光的通信性能,使之更适合于实际空间中的3维应用,在2维紫外光单次散射链路模型的基础上融入高度信息,并利用仿真计算了在添加高度信息与否的两种情况下接收功率误差的大小。结果表明,高度对于发射仰角和接收仰角潜在的影响直接引起接收功率的改变,甚至在某些情况下不能进行通信。高度信息的考虑对通信设备在实际空间中的应用给予了正确的指导。

辐射传输方程中的平均单次散射反照率的计算

根据米耶理论,对均匀系中单粒子平均单次散射反照率的计算进行了研究,并分析了反照率与粒子尺度因子以及复折射率之间的关系。结果表明,当粒子尺度因子x较小时,反照率随着x的增大而增大,但是当x再继续增大时,反照率出现了"波动",总体呈现出减小的趋势,最终趋于0.5。利用米耶理论和van de hulst近似,还分别计算0.4～0.5μm和8～12μm光谱范围内气溶胶粒子的反照率,并进行了比较,结果表明,除了波长为3μm的邻域外,随着波长的增大,反照率逐渐减小,但是利用van de hulst近似所计算的结果在8～12μm光谱范围内有较大的误差。

基于实测数据的太湖上空气溶胶单次散射反照率特征分析

基于AERONET太湖站2005年9月-2010年9月的太阳分光光度计实测数据，分析太湖上空单次散射反照率（SSA）随时间变化特征以及频率分布特征．结果表明，SSA的月均最大值、最小值分别为8月的0．95±0．03和12月的0．87±0．03．季节均值的最大值为夏季的0．94±0．03，最小值为冬季的0．88±0．04；SSA的年均值为0．90．从频率分布来看，SSA的最高频率分布区间为0．9～0．92．分析表明，太湖上空存在中度吸收型的气溶胶．

船舰尾流单次散射反照率的理论计算

为研究激光在船舰尾流中传输时的散射效应，利用M ie散射理论对船舰尾流单次散射反照率进行了理论计算．结果表明：气泡半径小于0．6μm时单次散射反照率随半径的增大而增大，半径大于0．6μm时，单次散射反照率随气泡半径增大出现波动并且逐渐减小，直至趋于平稳；船舰尾流单次散射反照率随着折射率虚部和实部的增大而减小，波长在0．4～0．8μm之间时船舰尾流单次散射反照率随波长的增大而增大；船舰尾流单次散射反照率在中心区域和远场区域数值高于近场区域，随深度的增加而增加．

卷云中冰晶粒子的单次散射参数

利用射线光学理论和等效球Ｍｉｃ理论，计算了卷云中六棱状冰晶和六角片状冰晶及两种假设冰晶谱的单次散射参数，并对两种计算结果进行了详细分析和比较、得到一些有用的结论。

大气信道简化单次散射模型

采用椭球坐标系研究非直视日盲紫外光通信的单次散射模型,求解过程中要对有效散射体的体积进行复杂的数值积分并确定三组积分限。为便于分析,使用近似表达式极大简化了复杂单次散射信道模型,得出路径损耗是收发机几何结构与大气散射吸收系数的函数。对传输距离和路径损耗的仿真证明,该近似表达式与原始模型的所得结果吻合很好。利用该近似表达式,分别仿真分析了大气能见度对紫外光通信系统路径损耗和误码率的影响,仿真结果表明,大气能见度并不是越高越好,而是在能见度为10km时紫外光通信系统有最佳性能。

水云从紫外到远红外波段的平均单次散射特性

水云出现在对流层的中下层,一般由球形液态水滴组成,是陆地大气太阳辐射通量的重要调节者之一。水云的散射特性在气候模式、辐射传输和遥感领域都具有非常重要的应用。利用Mie理论首先计算了不同大小的单个水云粒子的单次散射特性。再根据90种实际观测的水云粒子尺度谱分布,建立了一个水云在光学波段(紫外到远红外)的平均散射特性数据库。利用这个数据库,分析了8种常用的典型水云的单次散射特性分布,以及在可见到近红外、中波红外和长波红外三个波段的平均透过率特性。

非视线单次散射大气传输模型研究

为了研究波长为1.06μm的红外激光散射通信系统各种几何参量对系统性能的影响,利用非视线单次散射大气传输模型分析了接收机、发射机的收发视场、俯仰角以及传输距离等几何参量对接收机接收功率和路径传输损耗的影响。结果表明,增大接收机的视场可以提高探测到的散射光信号功率,而增加发射机的发散角则基本不影响接收到的信号功率;在其它参量不变的情况下,增大接收机或者发射机的仰角都减小了接收机的探测到的信号功率;在散射角和传输距离一定的情况下,适当地降低发射机的仰角可以提高接收机探测到的散射光信号功率。这些结果对系统设计有一定的参考价值。

收发光轴非共面的紫外光单次散射链路模型的研究

本文在收发光轴共面的紫外光单次散射链路模型基础上,分析了收发光轴非共面时紫外光单次散射链路模型,推导了收发光轴非共面时收发光锥在空中相遇时形成的共同散射体体积的近似推导公式。分析了三种非共面的情况,第一种是收发任一端没有准确朝向对方时的链路模型,第二种是收发光轴均偏向同一侧的链路模型,第三种是收发光轴偏向不同侧情况下的链路模型。通过对三种情况下接收功率的仿真分析得到,前两种情况均可以进行通信,但接收功率不会很高,第三种情况基本不能通信,因为很难在空中形成共同散射体。

单次散射非视距紫外光通信非共面模型的验证

为了验证椭球坐标及球坐标下的单次散射非共面模型的正确性,本文首先采取当发射偏轴角及接收偏轴角为零时这两种模型应该退化为共面模型而与单次散射共面模型进行对比。其次,把椭球坐标及球坐标下这两种单次散射非共面模进行相互对比。研究结果发现,当发射偏轴角及接收偏轴角为0时,这两种模型皆退化为经典共面模型,并且这两种模型是统一的,从而进行了相互验证。

长江三角洲地区大气气溶胶柱单次散射反照率特性研究

利用OMI卫星资料2006-2017年的483.5 nm波长的气溶胶柱单次散射反照率日均数据,分析了整层大气气溶胶单次散射反照率在长三角地区的时空分布特征,特别是其年际、月、季节变化特征.长江三角洲地区的大气气溶胶柱单次散射反照率越靠近海洋越大,而越靠近内陆越小.日均气溶胶柱单次散射反照率在0.881~0.971范围内变化,多年的平均值为0.939±0.024,最大分布概率出现在0.965~0.970区间,其值约为25%.长三角地区大气气溶胶柱单次散射反照率的年平均值集中于0.938~0.940之间,年际变化很小,变化值小于1%;月均柱单次散射反照率在6、8、9月有最大值,其值为0.968,而在2月有最小值,其值为0.915;季节平均单次散射反照率在夏季最大,其值为0.968,而在冬季最小,其值为0.919.

基于单次散射模型的近震尾波Q值计算软件的研制

介绍了一套基于Aki单次散射模型在Visual C++6.0平台上开发的近震尾波Q值计算程序,并应用于2005年11月26日九江—瑞昌5.7级地震余震序列的分析。本软件的研制成功,使地震近震尾波Q值计算常规化成为可能。

半干旱地区气溶胶散射和吸收特性的观测研究

利用兰州大学半干旱气候和环境观测站SACOL(Semi-Arid Climate and Environment Observatory of Lanzhou University)2007年11月1日-2008年10月31日AE-31黑碳仪和2007年8月1日-2008年7月31日M9003积分浊度仪的连续观测资料,对该地区气溶胶散射和吸收特性的变化特征进行了分析。结果表明,该地区气溶胶年平均散射系数为158.86M.m-1,吸收系数为14.11M.m-1,520nm单次散射比为0.83;散射系数和吸收系数的年变化呈单峰型,峰值分别出现在12月和11月;采暖期内日变化呈双峰型,非采暖期内近似表现为单峰型。在沙尘天气条件下,散射系数和吸收系数分别增大了103.8%和88.5%。结合同期APS-3321粒子谱仪的相关观测资料分析得出,无论是粒子数浓度还是质量浓度,与散射系数和吸收系数的相关系数均在0.8以上。

张掖地区气溶胶吸收和散射特性分析

兰州大学与中国科学院、中国气象局、美国马里兰大学、美国能源部等研究机构于2008年4-6月进行了中美沙尘暴联合观测试验,观测点设在张掖国家气候观象台、兰州大学半干旱气候与环境观测站（SACOL）和SACOL景泰移动观测点。利用颗粒物烟尘吸收光度计和TSI积分浑浊度仪资料分析了张掖地区气溶胶吸收和散射特性。结果表明：气溶胶吸收系数、总散射和后向散射系数日变化趋势一致,基本呈双峰型,峰值分别出现在08：00和22：00,夜间的值较白天偏大;气溶胶吸收系数、总散射和后向散射系数的月平均值在4月最大、5月次之、6月最小;450,550和700 nm波段的气溶胶单次散射反照率主要集中在0.7-0.9。

紫外散射通信实验系统及其性能分析

设计了一种基于紫外发光二极管(LED)的大气散射通信系统,利用非视线单次散射模型仿真分析了紫外光大气散射通信的接收光功率与通信距离之间的关系以及不同宽度的发送光脉冲在接收端的脉冲波形展宽.构建了紫外光散射通信实验系统,实现了语音和数据传输,并对系统的通信距离和收发仰角进行了实验研究.仿真分析与实验结果显示:日盲区紫外光在大气中散射传输时由于大气粒子的强烈散射与吸收,传输损耗较大,距离每增加10倍,接收功率下降20dB,因此日盲区紫外光大气散射通信适用于近距离通信场合;近距离传输时散射造成的光脉冲多径展宽为微秒量级,对中低速通信系统影响较小;单个紫外LED发光功率较低,可通过多个LED阵列来提高发射功率,增大通信距离.

无线光通信中紫外散射传播特性的研究

结合大气散射理论,引入不同天气条件下的散射相函数和散射粒子半径两个参数,在长球面坐标系上修正了紫外光大气传输单次散射模型。仿真了正常、霾、雾、雨四种天气条件下的该散射模型的冲激响应,分析计算了这四种天气条件下的发送仰角、通信距离与接收光信号之间的关系。结果显示紫外大气传播中通信距离受天气影响较大,通信速率受天气影响较小。

1.06μm激光气溶胶凝聚粒子散射特性

气溶胶是大气电磁环境中的重要组成部分,气溶胶粒子严重影响1.06μm激光的传输特性。单次散射反照率和不对称因子是研究气溶胶中激光传输特性的一个重要参量。基于CCA模型,模拟了由64个球形原始微粒凝聚而成的四种取向气溶胶凝聚粒子。利用离散偶极子近似方法,数值计算了1.06μm激光入射情况下四种形状气溶胶凝聚粒子的单次散射反照率和不对称因子随入射角变化的值;并分析了尺寸参数对单次散射反照率和不对称因子的影响。结果显示:对于相同数目原始微粒的气溶胶凝聚粒子,其单次散射反照率和不对称因子明显依赖于入射光的入射角度和气溶胶凝聚粒子的形状;对于不同尺寸参数的气溶胶凝聚粒子,其单次散射反照率和不对称因子随尺寸参数的增大而增大,当尺寸参数大于3时,气溶胶凝聚粒子的散射主要集中于前向散射。

激光气象雷达多次后向散射信号特性分析

利用小角近似方法,分别给出了单次和多次后向散射激光雷达方程.通过引入的多次散射评价参量,分析了接收视场角和光学厚度等因素对多次后向散射信号的影响.理论研究表明:多次后向散射主要与接收视场角和光学厚度密切相关,当接收视场角比发射视场角大10倍,光学厚度超过3时,多次后向散射信号逐渐增大并占主要优势,当接收视场角比发射视场角大100倍时,光学厚度超过1时,多次后向散射信号开始明显增强.