气溶胶中电磁波的传输特性研究

毕业论文（设计）题 目 气溶胶中电磁波的传输特性研究 学生姓名 燕雪剑 学号 1210064030 所 在 院 (系 ) 物 电 学 院 专业班级 电信 1201班 指导教师 黄朝军老师 完成地点 陕西理工学院 2016 年 5 月电磁波在气溶胶中的传播特性研究燕雪剑（陕西理工学院物理与电信工程学院电子信息科学与技术专业 1201 班，陕西，汉中 723000）指导老师：黄朝军 摘要大气气溶胶粒子作为大气电磁环境的重要组成成分之一，在紫外、可见到红外波段内严重影 响电磁波的传输特性。基于辐输运理论，结合Mie散射理论得出气溶胶粒子的光学截面以及不对称因子，利用Monte Carlo模拟，研究了电磁波在气溶胶中的传播特性，得出反射率和透射率随电磁波的入射角、气溶胶粒子层厚度变化的数值结果，结果显示反射率随入射角和粒子层厚度的增加而增大的趋势，透射率则相反，研究透射对深入理解气溶胶中电磁波的传输特性具有一定的实用价值。 关键词 气溶胶；Mie 理论；输运理论；Monte Carlo 模拟Transmission characteristics of electromagnetic wave analysis in aerosolAuthor：Yan Xuejian (Grade12,Class01,Major Electronic Information Science and Technology,School of Physics and Telecommunication Engineering,Shaanxi University of Technology, Hanzhong,723000 Shaanxi)Tutor: Huang ChaojunAbstract Atmospheric aerosol particles as an important component of atmospheric electromagnetic environment, Atmospheric aerosol particles in the ultraviolet, visible light, infrared light, have a great influence on the transmission characteristics of electromagnetic waves. Based on the theory of radiation transport, combined optical cross sections obtained Mie scattering theory aerosol particles and asymmetry factor, using Monte Carlo simulation to study the electromagnetic wave propagation in aerosols, obtained reflectance and transmittance of electromagnetic waves with the angle of incidence, numerical results aerosol layer thickness variations, The results show that the reflectance increases with the angle of incidence and the thickness of the particle layer tends to increase, contrary transmittance.Key words Aerosol; Mie theory; Transport theory; Monte Carlo simulation目录1 引言 .21.1 研究目的及意义 .21.2 研究现状及发展趋势 .21.3 研究内容 .32 气溶胶和电磁信号的相互作用 .32.1 气溶胶对电磁信号的散射作用 .32.2 气溶胶对电磁信号的吸收作用 .33 Mie 散射理论 .43.1 散射特性方程及其散射系数 .43.2 散射特征量 .64 气溶胶中电磁波的输运过程 .74.1 输运方程 .74.2 Monte Carlo 方法 .84.3 概率模型 .94.4 模拟过程 .104.5 统计结果 .144.6 数值结果 .15参考文献 .171引言1.1 研究目的及意义大气气溶胶是气体和重力场中具有一定稳定性的、沉降速度小的粒子的混合系统，同时也指悬浮在大气中直径在 0.001100m 之间的尘埃、烟粒、微生物以及由水和冰组成的云雾、冰晶等固体和液体微粒共同组成的多相体系。大气气溶胶作为大气电磁环境的重要组成部分，其在红外、可见及紫外波段严重影响电磁波的传输特性 1-3，一方面大气气溶胶粒子可以吸收电磁能量，使得电磁信号的能量衰减；另一方面，大气气溶胶粒子对电磁信号还有强的散射作用，从而改变电磁信号的传输方向。因此，研究大气气溶胶中电磁波的传输特性无论是民用还是军用领域都具有重要的应用价值，可以为空间雷达探测、目标定位、卫星遥感以及无线通信等与大气环境相关领域中电磁信号的传输提供理论和技术支持。气溶胶对电磁波传输特性的影响主要体现在气溶胶粒子对电磁信号的吸收和散射两个方面，而体现粒子对电磁信号吸收和散射特性主要特征量是粒子在给定波长入射情况下的吸收效率因子和散射效率因子，要计算粒子的吸收和散射效率因子就必须涉及到粒子和电磁波的相互作用，即粒子的电磁散射理论。随着科学技术和计算手段的飞速发展，粒子电磁散射理论已日趋完善，最经典和最具代表性的就是洛伦茨米提出的球形粒子的 Mie 电磁散射理论。气溶胶指的是由悬浮在气体中的固体和(或)液体微粒与气体载体共同组成的多相体系。研究气溶胶的特性，对人体的健康、环境的影响、大气能见度以及地球的辐射收支平衡继而气候变化等方面均有非常重要的意义,但是目前人们对气溶胶的了解非常欠缺。本课题研究气溶胶粒子对电磁能量的吸收和散射，给出反射率和透射率随电磁波的入射角、随气溶胶粒子层厚度变化的数值结果，对进一步研究气溶胶的特性、成分、对环境的影响等等有重要的参考价值。1.2 研究现状及发展趋势气溶胶粒子的光学特性研究，属于粒子的电磁散射范畴，自洛伦茨米给出球形粒子的散射特性的的完整描述后， ，随着计算机技术的突飞猛进，计算机方式及手段的改进，近一个世纪以来，关于粒子电磁（光）散射研究的各种解析的及数值的方法相继被提出并日益完善和成熟，使得任意形状，非单一的介质气溶胶粒子光学特性的研究成为可能，对气溶胶粒子的光学特性研究也开始由球形向非球形发展，由单一型向复合型发展，以更接近于实际的气溶胶粒子。这期间吴振森老师和杨文老师等人解决了多层球粒子的迭代算法，并用于计算大气气溶胶中的冰水混合云，Yang 和Liou 利用时域有限差分法计算了多种形状非球形气溶胶的散射特性；同时国外也有大量的学者致力于粒子电磁（光）散射的研究，他们的研究成果也对气溶胶粒子光学特性的研究具有重大的推动作用，其中韩一平老师提出的 T 矩阵方法逐渐成为处理 Rayleigh 近似和几何光学近似所不能处理的即粒子尺寸参数与入射波的波长可比拟的所谓共振区电磁散射问题的重要方法；黄朝军老师运用该方法研究了烟尘簇团粒子的光学特性及非球形气溶胶粒子的光学特性，并结合辐射输运理论数值计算了烟尘粒子层电磁波的传输特性。国际上对于气溶胶中电磁波的传输特性也有很多研究。Purcell 和 Pennypacker 提出的离散偶极子近似方法，后经 Draine 进一步改进，研究了大气气溶胶中尘埃聚集粒子的散射和极化特性，现已广泛运用于非球形粒子电磁（光）散射特性的研究，并以美国为首，美国国家航空和航夭局（NASA ）采用 CE318 太阳光度计在全球布设了一百八十多个站点，组建 AERONET（Ae rosol Eobotic Network）网，用以监测全球气溶胶，其数据的美国国家航空和航天局（ ASA）网站共享，为卫星遥感气溶胶提供了地面多通道遥感的对比资料。此外美国的马里兰大学，加州大学，麻省理工学院等众多学校和阿拉斯加大学的地球物理研究室和美国空军地球物理研究所等研究室以及波音，体斯等大公司在该领域都进行了广泛的研究。对于气溶胶传输特性国际上也有广泛和深入的研究。应用上也发展了很多的解法和算法。当前国际国内已有的大气气溶胶传输模型和算法有：解析方法，基于体积的方法，时域有限差分方法，以及 T 矩阵法，广义多极子技术等等。随着气溶胶中电磁波的逐步发展以及广泛应用，未来我们身边的方方面面都离不开电磁波的应用，气溶胶粒子更是严重影响着大气组成成分，进而影响空气指数。对于目前虽然还存在某些方面的不完善，但随着越来越多的学者的探究研究发现，会使该技术更加成熟，应用更加广泛，更加精确便捷。1.3 研究内容 本文基于辐输运理论，结合 Mie 散射理论得出气溶胶粒子的光学截面以及不对称因子，利用Monte Carlo 模拟，研究了电磁波在气溶胶中的传播特性，得出反射率和透射率随电磁波的入射角、气溶胶粒子层厚度变化的数值结果，结果显示反射率随入射角和粒子层厚度的增加而增大的趋势，透射率则相反。2气溶胶和电磁信号的相互作用大气气溶胶和电磁信号的相互作用主要体现在以下两个方面：一是气溶胶粒子可以以同样波长再辐射已经接受的能量，这个过程称为散射；二是气溶胶粒子也可以把接收的能量转变为其它形式的能如热能，化学反应能或不同波长的辐射，这个过程称作吸收，散射和吸收对电磁信号的作用共同构成气溶胶粒子的消光作用。2.1 气溶胶对电磁信号的散射作用气溶胶的散射作用取决于气溶胶粒子的形状、大小、浓度、谱分布以及复折射指数等气溶胶粒子的物理参量。若定义无量纲尺度参数 ， 为气溶胶粒子半径， 为入射波长，则当2/xa时，其电磁特性可用Rayleigh散射处理，常见的是空气分子对短波辐射的散射；当1x时通常用Mie理论研究其电磁特性；当 时，气溶胶粒子的电磁特性主要表现为0.5 50折射、反射。虽然大气中气溶胶粒子的尺寸在 范围之间，但是对于Rayleigh区域的超细粒3210m子，其在大气中的寿命很短，很容易因布朗运动碰而形成较大的粒子，同时，对于尺寸 的50x粒子，其在重力作用下，很快就沉降到地面，因此，大气气溶胶粒子的散射主要集中在尺寸参数为的范围之内，在计算结果不是要求很高的情况下可以将此尺寸范围的气溶胶粒子等效0.15x为球形粒子，用Mie散射理论来解释，可以根据Mie散射基本理论来计算气溶胶粒子的散射强度、偏振度、散射效率因子以及不对称因子等电磁散射特征量。值得注意的是Mie散射最突出的特征是“前向峰值”效应，即散射能量主要集中于入射辐射的方向上，其实质是由不通过粒子的光子衍射引起的。这种前向和后向散射的不对称性，即Mie散射相函数的不对称性，可用不对称因子g来表示，它定义为(2.1)41(,)cospnd式(2.1)中 为立体角， 为散射相函数，其值取决于散射角 ，气溶胶粒子的折射(,) 率 以及入射波长 ，而且散射相函数满足归一化条件n(2.2)41(,)1gpnd当计算精度要求比较高时，就不能将气溶胶粒子等效为球形粒子，否则就不能真正体现气溶胶粒子的本质属性，此时就必须考虑气溶胶粒子的形状对其散射特性的影响，这种情况下就不能运用Mie理论来解释气溶胶粒子的光学特性，而只能用一些数值方法来研究气溶胶粒子的光学特性，比较成熟的方法有T矩阵、FDTD以及DDA方法等数值方法。2.2 气溶胶对电磁信号的吸收作用大气气溶胶由多种物质组成，不同成分的光学特性不同，主要反映在气溶胶粒子的折射率上，折射 定义为电磁波在真空中的传播速度 与电磁波在气溶胶中的传播速度 之比，随波长稍有变ncv化，对于非吸收性气溶胶粒子， 称为绝对折射率，此值总是大于1。对于具有吸收性的气/nv溶胶粒子，其折射率一般为复数，表示为 ，其中 和 分别表示折射率的实部和虚部，rinrin实部主要反映气溶胶对电磁波的散射作用，虚部则主要体现气溶胶对电磁波的吸收作用。除烟雾型气溶胶之外，一般的气溶胶粒子，其折射率的虚部都很小，其对光的作用主要体现在对光的散射，而对于烟雾型气溶胶，其主要成分是碳，这就导致其折射率的实部比较大，而且随波长变化比较明显，烟雾型气溶胶的主要特点是对从紫外到红外波长范围之内的太阳辐射都有强烈的吸收。正是由于黑碳气溶胶对太阳辐射的强吸收特性，从而导致气溶胶的冷却效应，进而影响全球气候变暖以及其他灾害性气候的发生，因此，对气溶胶吸收特性的研究也十分迫切，其研究结果对于减少黑碳排放的实施具有科学的依据，也将减少我国灾害性气候的发生。3 Mie散射理论Mie 理论的主要原理是利用谐函数将入射场和、散射场以及散射体内部的场展开，再根据边界条件列出线性方程组，解出展开系数，进而由展开系数得到目标的散射场、散射强度、散射截面、吸收截面、极化度、不对称因子、散射矩阵等一系列体现散射体特征的参量。3.1 散射特性方程及其散射系数xeEikzincayxzr图 3.1 Mie 散射示意图考虑半径为 ，相对背景的折射率 ，平面电磁波沿 方向入射，电矢量沿 方向极化，忽略amx时间因子， 。如图 3.1 所示。球内外场满足波动方程)exp()e(rkiikzxEi (3.1)220,)0,EHra(3.2)22()0,()0,kmEkmHra式中 为球粒子的复折射率。将入射电场 与磁场 、球形粒子内部场 与 ，以及散射mii 1EH场 与 分别用矢量球谐函数展开sEH(3.3)1102n neoi NiMi(3.4)110n neoi iiEk(3.5)111nnonoNidc(3.6)1111nnonoicMEkH(3.7)13131nnones bNia(3.8)13131nnenos aiEkH其中 四个待定系数， ， ，以及矢量球nndcba， km/ )1(/)2(0nEi谐函数(3.9)eZeZMnnnnno cosi)(cos1(3.10)e )(s)si(3.11) eZeZnNnnnn rnno )(cos)(cosi )ci1i 1(3.12)1 )1)i(cs)()cos(in(cos)ennrnnZZee 在球外 ，在球内 ，在第一类、第二类和第三类矢量球谐函数中 分别为球krkmr )(n贝赛尔函数 、球偌依曼函数 和第一类球汉克尔函数 。矢量球谐函数中 和)(nj )(ny)(1nh为角函数，定义为n(3.13)dPPnn11si为缔合勒让德函数。利用边界条件1nP(3.14)0,011 rsirsi eHeE可得(3.15)11,isisE(3.16),Hra将入射场、内场和散射场代入边界条件，并利用勒让德函数和三角函数的正交性，获得四个待定系数 满足的线性方程组nndcba，(3.17)(1) (1) 1 (1) ()(nnnnnnnjmxhbjxcjxjajxdxm其中 为球形粒子的尺寸参数， 是相对折射率。解以上四个方程得到散射系数 ，kax na与内场系数 ， 分别为nbnc(3.18)1()1(2 )( xjhxjmjjnnnn(3.19)1()1(1 )(mjhjjbnnnn(3.20)1()1(1 )( xjxmjc nnnn(3.21)1()1(2 )( mjhjd nnnn求的这四个系数之后就可以用它们表示球形粒子的一切散射特征量。3.2 散射特征量在远离球粒子处散射场为(3.22)1 2exp()exp()sin, cosikrikrESES 式(3-22) 中(3.23)121 )(cos)(cos)()()(n nnbaS 球形粒子的散射矩阵元素为(3.24)221121*33412221121*4341(),(),ReIm)()/,(/IeSSSSS如果入射波是平行于散射面的完全线极化波，则散射波的 Stokes 参数为， ， (3.25)12()siIIsQI0sUV平行于散射面的单位辐射通量密度为：(3.26)21iSA如果入射波是垂直于散射面的完全极化波，则散射波的 Stokes 参数为， ， (3.27)12()siIIsQI0sUV垂直于散射面的单位辐射通量密度为(3.28)211iS若入射波是非极化的则散射波的 Stokes 参数为， ， (3.29)1siI12siQSI0sUV极化度为(3.30)12iPSA同时可得到总消光系数 、散射系数 、吸收系数 分别为t sa(3.31)212212()Re()()t nns nnaQbxabx当电磁波在大气中传输时，其能量将受到大气分子和气溶胶粒子的散射和吸收,气溶胶粒子对辐射传输能的散射和吸收不仅与粒子的数密度和半径有关，气溶胶粒子的折射率关。结合式（3.31）可得到单个粒子的散射、消光和吸收截面及不对称因子的表达式：（3.32）221,s nniWabIk（3.33）21Re,ext nniI（3.34）,esa式中 为散射复振幅函数 81F4气溶胶中电磁波的输运过程4.1 输运方程考虑强度率为 的电