毫米波段随机雨介质等效复折射指数的神经网络模型

利用改进的BP算法 ,结合电波传播理论 ,建立了随机雨介质的等效复折射指数的神经网络模型 .利用仿真得到的复折射指数计算了降雨衰减率 ,其结果与测试值基本吻合 .利用神经网络方法来预报离散随机媒质的介电特性是一种有效、简便、可行的方法 ,它可以避免复杂的计算和测量 .

气溶胶粒子复折射指数测量的干涉光谱方法理论研究

气溶胶辐射强迫效应的正负在很大程度上取决于其复折射指数虚部的大小。运用干涉光谱和Mie散射理论,分别在相同粒径粒子和不同粒径粒子两种情况下,推导出了干涉光谱和气溶胶复折射指数之间的关系式,初步建立了干涉光谱方法测量气溶胶复折射指数的理论模型,并对探测限进行了讨论。研究表明:干涉光谱方法测量气溶胶的复折射指数在理论上是可行的。

天津城区大气气溶胶复折射指数的反演及消光贡献分析

气溶胶的复折射指数是直接影响其散射特性和吸收特性的基本物理量之一.为深入研究城市大气气溶胶的复折射指数特征,引入一种具有高时间分辨率优点的反演方法来反演气溶胶复折射指数.依据辐射传输理论,将天津大气边界层观测站观测到的高精度散射系数、吸收系数和数浓度谱分布数据利用查表法代入Mie理论气溶胶粒子群消光计算公式,对大气气溶胶复折射指数进行反演.结果表明:①天津城区2011年4月观测地点0.55μm波长处的气溶胶复折射指数实部平均值为1.64,虚部平均值为0.015.②气溶胶复折射指数实部和虚部均有明显日变化规律,实部和虚部均与相对湿度呈正相关,与风速呈负相关.③利用反演得到的复折射指数对不同粒径大气气溶胶的消光特性进行计算发现,对散射特性而言,>0.25~1.00μm粒子对散射系数的贡献率达86%;对吸收特性而言,>0.25~2.50μm粒子对吸收系数的贡献率为53%,>2.50~32.00μm粒子对吸收系数的贡献率为47%.研究显示,>0.25~1.00和>1.00~32.00μm的粒子对吸收系数的贡献率均较高,但对散射系数而言,>0.25~1.00μm的粒子贡献率较高,因此综合考虑气溶胶散射系数、吸收系数和消光系数,控制>0.25~1.00μm的气溶胶粒子数浓度可有效改善大气能见度.

损耗介质中电磁波折射规律分析

本文在研究各向同性介质的基础上,分别对复折射角和复波矢两种方法进行考察,并从折射角和菲涅耳系数方面证明了这两种方法的等价性.我们进一步利用时域有限差分法数值模拟了损耗介质中的电磁波传播过程,验证了理论分析结果的可靠性.更有趣的是,与无损耗介质折射不同,电磁波在斜入射到损耗介质后可能存在不改变传播方向的情况,即折射角可以等于入射角.这些分析不仅有利于理解电磁波在无损耗介质-损耗介质中的传播规律,也对电磁学知识的学习与应用有所帮助.

基于遥感观测的折射指数光谱特性反演大气气溶胶中沙尘组分含量

矿物沙尘是气溶胶的重要化学组分,对气候和环境都有重要影响。本文基于2010年的北京AERONET站点的气溶胶产品资料,分析了复折射指数在440～1 020nm范围内的变化特性,发现实部(n)在各个波段的取值差异不大;而虚部(k)由于受到矿物沙尘吸收的影响从440到670nm呈现出明显下降的趋势。据此,将k(440nm)与其他波段的值分开考虑,增加了一维信息量,从而能将目前基于复折射指数反演气溶胶化学组成的三组分模型(水、黑碳、硫酸铵)扩展为包含矿物沙尘的四组分模型,解决了以往在粗粒子较多时无法进行化学成分反演的难题。针对北京沙尘、灰霾、晴朗三种典型天气进行了气溶胶中沙尘组分的反演试验,获得的体积比例分别为88%,37%和48%,与基于气溶胶粒子体积谱分布计算的粗粒子比例的相对大小具有很好的一致性。

气凝胶-遮光剂复合材料中遮光剂的辐射特性

气凝胶-遮光剂复合隔热材料相比纯气凝胶,抑制辐射透过能力强,能显著提高材料在高温下的隔热性能.本文根据Mie散射理论、Beer定律及辐射传热方程,建立遮光剂的辐射特性预测模型,对不同粒径的碳黑遮光剂以及炭黑、碳化硅和氧化锆3种遮光剂的辐射性能进行计算.结果表明:在3—7.5μm的入射光波段或中高温使用环境时,添加遮光剂的气凝胶复合材料比纯气凝胶材料的消光系数有大幅提升;在固定的遮光剂质量分数下,炭黑遮光剂的最佳粒径为2—3μm;3种遮光剂中,炭黑遮光剂遮光性能最优,其次为SiC和ZrO2遮光剂,但炭黑遮光剂耐高温性能较差,因此,最佳的复合隔热材料应采用梯度设计方案,即在低温端加入炭黑遮光剂,而在中高温端加入SiC或ZrO2遮光剂.

一维光子晶体的有效折射率及色散特性

对有限长度一维光子晶体引入了复有效折射率的概念 它的实部描述了一维光子晶体的色散特性 ,虚部反映了光在光子禁带被损耗衰减而消失的特征 从具体计算λ/4波片堆组成的一维光子晶体的复有效折射率的结果可以看到 ,它的实部受到光子带结构的调制 ,在光子禁带及透射带中的一部分出现反常色散现象 在很大的频率范围内 ,有效折射率变得小于

带负折射介质层的MOLED传输特性的模拟研究

分析了由正负折射率介质交替构成的分布式布拉格反射镜(DBR)的复有效折射率及其色散关系,并将其与由折射率不同的正折射率介质交替构成的DBR进行了比较;研究了由这种DBR和金属做反射镜的微腔有机发光器件(MOLED)的光学传输特性,发现这种器件具有很好的滤波功能且可使器件薄化;讨论了这种MOLED的谐振波长和归一化电致发光(EL)谱随观测角的变化关系。这些工作为进一步提高微腔OLED的发光色纯度、减小其腔长提供了新方法。

吸收介质中的费马原理和折射定律

通过定义复有效折射率,获得复光学路径长度,并利用费马原理研究了光在吸收介质界面的折射,获得光通过吸收介质界面时的折射定律。通过数值模拟计算可知:当入射角较大,且吸收介质的虚部较小时,传播的有效折射率可以用复折射率的实部代替计算;衰减的有效折射率随入射角的增大而变大,且虚部越大衰减的有效折射率也越大。

沙尘气溶胶光学厚度的全球分布及分析

利用全球气溶胶数据GADS（Global Aerosol Data Set）计算了冬夏两季4种类型（积聚型、核型、粗粒型和传输型）沙尘气溶胶0．55μm光学厚度的全球分布。通过分析得出，气溶胶的消光系数和垂直厚度对光学厚度的影响很大。全球沙尘气溶胶分布具有明显的季节和地理差异，4个沙尘暴多发区，分别位于北非、中亚地区、澳大利亚西部和北美西部。中亚地区冬季沙尘气溶胶强度和范围比夏季大，北美和澳大利亚地区则相反，冬季光学厚度最大值位于北非的中部地区，而夏季其最大值位于非洲北部靠近大西洋的地区。沙尘气溶胶对〈8μm的辐射吸收作用很弱，散射能力较强；对于〉8μm的辐射吸收能力很强，吸收带位主要于8～11μm范围内。

红外遮光剂颗粒的光学和辐射特性分析

气凝胶是一种纳米多孔高效隔热材料,但抑制高温辐射能力较差,通常添加遮光剂颗粒以提高材料的高温隔热性能。基于改进的Kramers-Krnig(KK)关系式和Mie散射理论,建立获得遮光剂颗粒复折射系数的求解模型,揭示遮光剂种类、直径对气凝胶-遮光剂复合材料的隔热影响机制。结果表明,遮光剂的添加种类、直径、体积含量对气凝胶-遮光剂复合隔热材料高温辐射特性有较大影响。高温下,SiC的最佳消光粒径为3μm。中低温下炭黑是较为理想的遮光剂;中高温下SiC和TiO2是较为理想的遮光剂。理想的遮光剂在近红外区应具有较大的复折射系数。

水雾的热红外伪装性能分析

利用Mie散射理论,在水的复折射指数随波长变化的情况下,通过雾滴消光效率因子和gamma尺寸谱分布计算了热红外波长范围内的消光系数,建立了热红外波段gamma尺寸谱分布雾的含水量与消光系数的关系,分析了含水量为0.1和0.5时的红外探测器探测距离随传输路径L之间的变化关系。结论表明,水复折射指数、雾滴尺寸谱分布对雾的热红外辐射传输衰减有着较大影响,水雾遮蔽伪装时需充分考虑。

VLF波从大气层到低电离层的传输特性分析

基于传播矩阵法计算了均匀半空间电离层的反透射系数,同时解Booker复系数四次方程得到电离层的复折射指数,分别研究了电离层反射透射系数及折射指数随VLF频段入射电波频率、入射角和地磁倾角、电离层电子浓度及碰撞频率的变化规律.计算结果表明,在VLF频段,垂直电偶极子辐射的横磁(Traverse Magnetic)波更易透射进入电离层,而水平电偶极子辐射的横电(Traverse Electric)波易被限制在地-电离层波导内来回反射.电离层电子密度较低时(如夜间),在高纬度地区,观测到地震电离层VLF异常的概率更大.当考虑地磁场的影响时,电离层将允许地震辐射的超低频(Ultra Low Frequency,ULF)/甚低频(Very Low Frequency,VLF)部分的电磁波透射进入电离层,这一点已有很多卫星观测事实为证,但其进一步的物理机制尚需深入研究.

城市烹饪油烟颗粒物排放特性分析

主要分析烹饪油烟颗粒物物理特性,发现油烟颗粒PM1/PM2.5质量比为0.66～0.85.这类细小的有机气溶胶颗粒与室外大气中充分混合并长时间存在;油烟PM2.5PM10范围在0.57～0.62,即烹饪油烟含有约含有40％的粗颗粒,在排放后主要影响建筑内及建筑周围区域.通过对油烟颗粒数浓度粒径分布曲线拟合发现,熏肉、烤肠油烟的颗粒峰值粒径分别为51 nm和44 nm,对应几何标准差分别为1.65和1.98.计算油烟排放速率,得到小型、中型、大型餐饮酒店的PM10排放速率分别为5.79 g/h、35.86 g/h、152.9 g/h;PM2.5排放速率分别为3.47g/h、21.5 g/h、91.7 g/h.烹饪油烟湖南菜和广东菜的油烟密度分别为1.51 kg/m3和1.72 kg/m3,对应光学复折射系数分别为1.55-0.005i和1.53-0.009i,说明烹饪油烟主要通过光散射作用影响大气能见度,产生灰霾效应.

机动车排放细微/超细颗粒物消光特性的Mie理论研究

机动车等燃烧源排放颗粒物离散系统的消光特性主要取决于颗粒群的物理化学组分和粒径分布特征.利用内部混合模型,确定典型机动车排放颗粒物的密度和光学复折射系数(m),通过Mie理论模型研究不同粒径下单体颗粒物的光学特性,从而研究机动车排放的nm/μm级粒径下细微/超细颗粒物的无量纲光散射率(Qscat)、无量纲光吸收率(Qabs)以及无量纲消光率(Qext).结果表明,不同国家的轻型柴油车(LDV)排放超细颗粒物的化学组分差异较大,而重型柴油车(HDV)则没有显著差别.相关性分析表明,机动车排放颗粒物的EC组分所占比例与复折射系数的实部(n)和虚部(k)均有极强相关性,相关系数(R2)分别为0.995 6和0.993 8.通过Mie理论计算4种复折射系数下典型机动车排放颗粒物Qscat,Qabs和Qext随粒径的变化特征发现,粒径为400～600 nm范围的单体颗粒物消光作用最大.当颗粒物粒径>1μm时,Qscat,Qabs和Qext逐渐稳定为常数1.2,1.0和2.2,此时消光率与复折射系数无关.

宽波段发射率对长波净辐射估算影响分析

地表宽波段发射率是估算地表长波净辐射的关键参数。陆面模式计算的是4～100μm的地表长波净辐射,而遥感仅能提供3～14μm范围内的宽波段发射率。评价遥感宽波段发射率用于地表长波净辐射计算的精度,需要光谱范围更宽的地表发射率光谱。借助辐射传输模型模拟的水体、冰/雪和矿物1～200μm发射率光谱,调查了不同光谱范围的宽波段发射率和全波长宽波段发射率的差异。结果表明4～100μm宽波段发射率与全波长宽波段发射率最接近。调查了不同光谱范围内遥感宽波段发射率在计算4～100μm长波净辐射的精度,发现8～13.5μm的宽波段发射率具有最高的精度,偏差小于0.01W/m2,均方根误差小于1W/m2。并给出由ASTER和MODIS窄波段发射率产品计算8～13.5μm宽波段发射率的转换公式。

徐州市郊大气气溶胶光学特性时序动态变化分析

为获取徐州市郊大气气溶胶污染特征规律,利用地基遥感手段对2013年7月~2014年5月间徐州市郊气溶胶特性参数进行分析,结果揭示:(1)受冬季燃煤供暖和夏季秸秆焚烧等因素影响,气溶胶光学厚度季节特征显著,且月际、日内波动性显著;(2)气溶胶粒子多含水分,干粒子极少,主要为混合型和人为污染型;(3)5月气溶胶以粗粒子为主控粒子,其余月份均以细粒子为主,且气溶胶粒子类型多样,成分复杂;(4)春季粗模态的气溶胶粒子多于细模态粒子,夏季则相反,秋冬季节粗细模态粒子分布相当;另外,观测期间内徐州市郊基本未受到沙尘天气的干扰,积聚模态下的细粒子对徐州市郊气溶胶高污染的贡献更大.

黑碳气溶胶光学厚度的全球分布及分析

利用全球气溶胶数据集GADS(Global Aerosol Data Set)计算了冬夏两季黑碳气溶胶质量浓度分布以及在波长0.55μm处的光学厚度、吸收系数和散射系数在全球的分布,并分析了原因。通过分析黑碳气溶胶复折射指数虚部、单次散射反照率、非对称因子、吸收系数、散射系数和消光系数随波长的变化,得出黑碳气溶胶的吸收系数和散射系数在小于0.5μm的短波范围内具有相同的数量级,随着波长的增大,吸收系数比散射系数大几个数量级;黑碳气溶胶对小于1μm的短波有强烈的吸收作用。另外还给出了冬夏两季南北半球及全球黑碳气溶胶平均光学厚度值、7个地区黑碳气溶胶光学厚度及质量浓度最大值,其中冬季黑碳气溶胶光学厚度的最大值为0.027 5,位于东亚地区;而质量浓度最大值为1.555μg/m3,位于西欧地区。

不同混合方案对气溶胶辐射特性的影响

利用体积权重平均,Maxwell-Garnett和Bruggeman理论,分别处理半径为0.5μm 75%H2SO4气溶胶和黑碳气溶胶(BC),以及硫酸盐气溶胶与黑碳气溶胶内混合的情况,求出其复折射指数.利用Mie理论计算内混合单个气溶胶粒子在0.55μm波长处的辐射特性参量,其目的在于比较分析3种不同混合方案处理的同一混合情况下内混合单个气溶胶粒子辐射特性的差别.结果表明:辐射特性的总体变化趋势大致相同,但采用不同的混合方案处理相同的内混合情况时,其结果在黑碳混合比为10%～30%时差异较大.

沙尘和霾气溶胶的物理特征比较

粒子尺度谱和复折射率指数是描述大气气溶胶的基本物理参数,也是遥感大气气溶胶光学厚度的基本假定量,决定了光学厚度遥感的准确程度。本文分析了中国气溶胶遥感网反演的北京周边的沙尘和霾天气下大气气溶胶的体积谱和复折射指数,结果表明:沙尘和霾天气下气溶胶的体积谱均呈现双峰对数正态分布,霾气溶胶粒子体积谱在细模态(0.1～1μm)和粗模态(1～10μm)的占比大体相当,沙尘气溶胶粒子体积谱中粗模态占比远远高于细模态,以粗粒子为主;将实际测量的复折射率同HITRAN 2008数据库中各种类型的气溶胶复折射率光谱数据相比,类沙尘粒子的复折射指数同沙尘气溶胶最为接近,水溶性粒子同霾气溶胶最为接近,在大气气溶胶遥感中如果缺少复折射率的光谱数据,可考虑将类沙尘粒子和水溶性粒子的复折射率光谱数据(0.2～40μm)外推近似代替沙尘和霾气溶胶用于紫外和红外遥感。本研究可为利用紫外光谱和红外光谱定量遥感沙尘和霾气溶胶研究提供参考和依据。