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。

基于体散射函数及吸收系数的南海水体漫射衰减系数研究

漫射衰减系数K_(d)(z,λ)是估算水下光场及水色要素剖面分布、研究浮游植物光合作用及赤潮灾害预警方法的重要参数,它是一个准固有光学特性参数,是波长λ和剖面深度z的函数,除与水体吸收、散射或后向散射有关外,对归一化的水体体散射函数即散射相函数的角度分布极为敏感。本文基于广角体散射函数测量仪(volume scattering and attenuation meter,VSAM)、吸收衰减系数测量仪ac-9和ac-s以及海洋光学剖面仪ProfilerⅡOCI/R-200I和Hyper ProⅡ在南海海域实测数据,利用Light GBM、随机森林(random forest,RF)、Cat Boost三种高效机器学习方法,首次构建了基于体散射函数β(ψ)、吸收系数a及对应剖面深度z的漫射衰减系数K_(d)(650)剖面分布估算模型,并综合R^(2)、RMSE、MAPE以及估算与实测数据的对比进行模型评价,结果表明,三种机器学习模型中,Cat Boost模型的R2和RMSE分别为0.8534和0.0472m^(-1),均优于RF和Light GBM;Cat Boost模型的MAPE为11.0585%,低于RF模型但略高于Light GBM模型;通过对比估算和实测结果发现,Cat Boost模型估算结果与实测结果最为相近,是K_(d)(650)最优估算模型。利用Cat Boost模型,结合实测体散射函数β(ψ)、吸收系数a及其相应剖面深度z,对南海北部多个站点15m以浅K_(d)(650)的剖面分布估算表明,上述站点K_(d)(650)在5、10、15m三个水层变化范围为0.275~0.7m^(-1),5m水层的K_(d)(650)较为平稳,10与15m水层K_(d)(650)跨度较大。本研究方法考虑了多角度体散射函数分布对漫射衰减系数的贡献,为基于固有光学特性参数估算K_(d)(z,λ)提供了新方法思路。

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。

基于散射函数的非线性网络级联特性研究

介绍了基于散射函数的非线性网络级联参数计算方法,推导了两个二端口非线性网络级联之后散射函数的计算公式,利用两个功率放大器各自实测的散射函数可以计出算两个放大器级联之后的总散射函数,并与两个放大器级联之后实测的散射函数进行对比实验,只要满足一定条件计算结果与实测结果比较一致,可以满足一般工程要求。

移动通信多径色散信道散射函数的分析与模拟

散射函数是描述时间-频率色散信道特性的最重要的数学方法之一,它集中反映了信道在时域和频域的色散特征,并还在一定程度上反映出角度色散的分布情况。本文对城市微蜂窝移动通信多径色散信道的散射函数及其数学模型进行了研究和推导,并对不同色散影响情况下的移动信道散射函数模型进行了仿真和分析。

平面波照射下的球形目标散射函数计算

水下目标探测和识别的前提是对目标及其散射特性有良好的先验知识。研究目标的散射特性可以为水声主动探测和目标识别提供理论基础和技术支持。本文研究了平面波入射情况下无限大均匀介质中的球形目标散射函数求解问题。利用入射平面波的球函数展开形式和不同性状(刚性、软性)目标球表面的边界条件,推导得到了球形目标在球坐标和柱坐标系下的散射函数解析式,并进行了数值仿真。计算结果表明,自由场条件下,不同ka和性状的球形目标散射强度随方位角呈不同特性分布。

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。

水中颗粒物大角度范围体散射函数测量方法

针对现有体散射测量系统中激光器与探测器相互遮挡导致探测角度减小的问题,设计了一款新型的水中颗粒物的体散射函数测量系统。首先,通过双潜望式光路结构,将激光发生平面与散射探测平面分离,减小了激光器对探测角度的遮挡;同时,通过潜望式出射棱镜将透射光导出水体,避免了容器的杯壁散射,提高背散射测量的准确性。根据实际工艺,改进出射棱镜,设计系统样机,实现了3°~178°大角度范围体散射函数的测量。结合系统结构与水下光传输原理,根据数据矫正算法,矫正由于测量光程及水体衰减造成的偏差。对比矫正后结果与米散射仿真结果,证明方法的可靠性。

近180°水中悬浮颗粒物体积散射函数测量

针对目前国内外现有的体积散射函数测量系统在后向小角度散射测量上的局限性,提出了基于离轴反射式光路的近180°水体体积散射函数测量方法并研发了实验室测量系统。系统采用离轴抛物面反射镜,将后向小角度散射光和入射激光分离,减小了系统后向小角度散射的测量盲区,而且能够获取全方位角的后向小角度散射光信号。选取聚苯乙烯标准粒子用于测量系统定标检验,结果表明,定标后的测量系统能够完成在173°~179.4°范围内水中悬浮颗粒物体积散射函数的测量,角度分辨率为0.01°。经对比分析,体积散射函数测量值与米散射理论值具有很好的一致性,验证了系统测量近180°水体体积散射函数的准确性和可行性。

基于非线性散射函数的微波电路CAD技术

传统的基于S参数测量的建模方法,难以精确地描述器件的非线性。利用非线性散射函数可以完成对微波功率器件的精确建模。本文在谐波平衡法分析非线性器件的基础上,实现了这种非线性散射函数建模,同时对非线性散射函数的微波电路设计方法进行了研究。最后利用非线性散射函数设计了微波二倍频器电路。

基于微流控技术的双颗粒体散射函数测量实验研究

本文通过流体力学及COMSOL等仿真软件分析,以PDMS为材料,设计制作了用于捕获两个球形颗粒样品的微流控芯片,并基于光电倍增管(PMT)和电动位移平台,搭建了角度扫描式大动态范围散射光测量装置。该系统可以快速捕获两个球形颗粒,在颗粒捕获后对微流控芯片内沟道与外轮廓进行折射率匹配,持续测量实际捕获颗粒的1°至170°的散射光。对23.75μm、31.10μm、40.01μm三种粒径的聚苯乙烯标准颗粒样品进行了实验研究,并多次重复测量同一粒径双颗粒的散射光分布。基于微流控芯片的双颗粒体散射函数测量方法可以稳定的捕获、释放双颗粒,实验操作简单且具有较好的重复性,在颗粒物体散射函数研究方面具有很大的潜力。

基于散射函数的短波信道参数估计

理论分析了短波信道散射函数的计算,给出了实际短波信道探测中散射函数的测量方法,以及利用散射函数估计短波信道的衰落带宽、衰落相干时间、多径散布、相关带宽和信号的多普勒频移、传播时延等参数的方法。从实验数据中得到了短波信道的散射函数,利用散射函数估计了上述参数,给出了估计结果。

X-射线荧光分析散射函数法的原理及其应用Ⅲ.连续背景幂函数法

本文在宽的基体变化范围内对波长为０．０８１ｎｍ的连续散射Ｘ－射线进行了研究，表明质量衰减系数与连续散射强度之间不再遵守传统散射内标法所假定的反比例关系，而是呈一种幂函数关系。理论证明和实验结果一致。提出了用０．０８１ｎｍ处的散射强度的函数校正基体效应的方法，并用于地质样品中微量锶的测定，结果显示，在较大的基体变动范围内，本法与传统散射内标法相比准确度提高近４倍，克服了传统方法适应基体变化范围小的缺点。

基于大信号散射函数的线性化建模技术研究

基于非线性大信号散射函数理论,对射频功率放大器在非线性区的非线性特性进行了研究;为使非线性大信号散射函数更接近于传统的散射参数,在弱非线性的前提下,综合运用相位归一化和线性化技术对大信号散射函数进行合理化建模,并证明了在大信号基波激励条件下相位共轭项谐波引起的激励是不可忽略的;最终,利用实际HEMT晶体管的测量数据分析了相位共轭项引起的激励产生的响应失真,并指出后续工作的重点方向。

两端口网络串联的散射函数研究

本文主要针对网络的串联形式,得出总网络函数矩阵和子网络函数矩阵的串联关系;通过另一途径求出非线性散射函数和非线性阻抗函数之间关系,最后通过推导对非线性阻抗函数特性进行了分析。这些结论对建立以微波网络函数为基础的非线性电路网络分析具有重要的研究意义。

关于反向散射函数的讨论

本文讨论了当γ~2σ~2<1时的反向散射函数,给出修正后的表达式。以SEA BEAM多束声呐为例,说明当垂直入射时,修正项不可忽略。

体散射函数测量技术定标方法研究进展

体散射函数描述了光被水体散射后的角度分布特性,是海水固有光学特性之一,在水色遥感、生物光学特性及海气交互过程研究等光学海洋学研究及应用领域具有十分重要的意义。基于其强方向性、大动态范围、后向散射微弱等特点,体散射函数测量技术定标方法及应用研究至今仍在不断探索进步中。伴随体散射函数测量技术的发展,相继出现了基于散射体及散射通量的定标方法、基于漫射体与传感器响应权重函数的定标方法以及基于标准物质与传感器响应权重函数的定标方法等3大类体散射函数定标方法。相较于基于散射体及散射通量的定标方法,基于漫射体与传感器响应权重函数的定标方法可有效解决散射体估算难度大等问题,但更适用于宽视场角的后向散射仪;基于标准物质与传感器响应权重函数的定标方法极大简化了定标过程,且不受散射角度范围的限制。可以预见,上述3大类体散射函数定标方法的变通和组合方案是未来很长一段时间的主要定标方法,而基于标准物质与传感器响应权重函数的定标方法将是未来体散射函数最有优势的定标方法。本文以水体体散射函数定标方法为主线,归纳总结了国内外水体体散射函数定标、测量以及应用研究进展,并对未来体散射函数定标方法的发展趋势进行展望。

基于Fournier-Forand和Henyey-Greenstein体积散射函数的水中光脉冲传输仿真分析

结合Fournier-Forand和Henyey-Greenstein体积散射函数,利用Monte Carlo法建立水中激光脉冲传输特性分析模型。采用该模型分析了散射体相对折射率和尺寸分布对水中光脉冲传输特性的影响。研究表明:光脉冲在水中传输时,随着散射体相对折射率的增大和小尺度散射体相对含量的增加,脉冲展宽增加,光波前向散射减弱且空间分布扩展加剧,到达角分布更离散。与传统水中光脉冲传输仿真模型相比,此模型更加有效。

图像式海水小角度散射函数测量仪

根据海水辐射传递理论和光学信息处理方法所建立的海水水体点扩展函数（ＰＳＦ）和海水小角度散射函数之间的关系，研制了一台基于图像测量处理原理的新型现场海水小角度散射函数测量仪，通过对点扩展函数（ＰＳＦ）的测量及运用本文作者的计算方法获得了海水小角度散射函数。与以往的同类仪器相比，这台仪器具有０．０１°的角度分辨率、５％的精度，同时结构简单可靠，并已经获得了东中国海的典型海区的海水小角度散射数据。

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。