气溶胶粒和冰水两相粒子的散射特性

1、 气溶胶和冰水两相粒子的散射特性气溶胶和冰水两相粒子的散射特性 1 1 1 2 3 4 7 研究意义及现状 气溶胶粒子组成 Mie和Aden-KerKer理论 特别之处与未尽工作 5 6 气溶胶粒子太赫兹波散射特性 冰水两相粒子毫米波散射特性 研究结论 提纲 2 2 1.研究目的和意义 1.现代通信、导航、气象、定位等过程中，需要 考虑大气散射的所带来的误差，其中云中冰晶和气溶 胶是大气中最重要的散射来源，尤其近年来日益增多 的雾霾天气、沙尘天气凸显了大气气溶胶散射特性研 究的重要性。 2.研究结果对对流层气象探测、对流层散射特性、 医学生物体细胞监测有一定的参考价值。 3 3 2.研究现状

2、罗轶等微米镍罗轶等微米镍 粉在粉在太赫兹波太赫兹波 段段的的Mie 散射散射 特性研究特性研究 2005 2007 2011 2013 周旺等周旺等微微 波波传输中传输中 沙尘衰减沙尘衰减 的计算与的计算与 仿真仿真 Hong.G et Microwave scattering properties of sand particles 李丽芳李丽芳近红外波段近红外波段 气溶胶的衰减特性气溶胶的衰减特性 研究研究 4 4 2.研究现状 太赫兹波段 (30m 3mm) 现实意义 毫米波段(1 10mm) 35GHz 94GHz 140GHz 220GHz 5 5 气溶胶的组成和分类 1.沙尘性粒子

3、 2.海洋性粒子 3.水溶性粒子 4.烟煤 5.火山灰 6. 75%硫酸液滴 对流层 （10- 18km） 平流层 3.气溶胶粒子组成 本文主要研究对流层的4种粒子和冰水两相粒子。 6 6 4.Mie和Aden-KerKer理论 7 7 Aden理理 论论 给出冰水两相粒子复折射率 的计算，仿真得出冰水两相 粒子的散射特性。 给出粒子的 Mie理理 论论 extQ sca Q abs Q b Q 等散射参数，仿真得出海洋性、 沙尘性等粒子散射特性。 5.冰水两相粒子复折射率的计算 8 8 160180200220240260280 0 1 2 3 4 5 6 x 10 -3 temperatu

4、re(K) complex refractive index(imaginary part) the imaginary part of complex refractive index (ice) 35G 94G 140G 220G 180190200210220230240250260270 1.76 1.765 1.77 1.775 1.78 1.785 temperature(K) complex refractive index(real part) the real part of complex refractive index (ice) 35G 94G 140G 220G 3

5、5GHz、94GHz、140GHz、220GHz纯冰粒子的复折射率受 温度影响，当频率一定时，纯冰晶的复折射率实部与温度成线性关系， 虚部随着温度的升高而增大，且增加幅度也是越来越大。 虚部实部 冰水两相粒子复折射率的计算 9 9 上图给出上图给出35GHz、94GHz、140GHz、220GHz纯冰粒纯冰粒 子的复折射率受频率的影响，当温度一定时，纯冰粒子的子的复折射率受频率的影响，当温度一定时，纯冰粒子的 复折射率的复折射率的虚部虚部与频率成与频率成线性关系。线性关系。 160180200220240260280 1.755 1.76 1.765 1.77 1.775 1.78 1.785

6、 1.79 Frequency(GHz) complex refractive index(real part) the real part of complex refractive index (ice) 173k 193k 213k 253k 160180200220240260280 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 x 10 -3 Frequency(GHz) complex refractive index(imag part) the imaginary part of complex refractive index (ice) 173k 193k 213k

7、253k 虚部 实部 气溶胶粒子太赫兹波散射特性 1010 2.5e-009 5e-009 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 1800 m=1.9-0.5i, x=0.05 2.5e-009 5e-009 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 1800 m=1.92-0.4i, x=0.05 沙 尘 性 粒 子 水 溶 性 粒 子 35m时，小尺度粒子散射。粒子散射强度依次为，烟 煤、沙尘性、水溶性、海洋性粒子。且前向散射和后向散 射强度相等，符合瑞利散射。 上半圆：散射强度垂直分量 下半圆：散射强度平行分量 气溶胶粒

8、子太赫兹波散射特性 1111 35m时，大尺度粒子散射。散射强度随散射角的分布越 来越复杂，前向散射散射强度加强，后向散射减弱。 符合 Mie散射规律。 200 400 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 1800 m=1.9-0.5i, x=4 200 400 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 1800 m=1.92-0.4i, x=4 沙 尘 性 粒 子水 溶 性 粒 子 500 1000 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 1800 m=1.597-0.38i, x=4 1

9、00 200 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 1800 m=2.63-0.97i, x=4 海 洋 性 粒 子 烟 煤 上半圆：散射强度垂直分量 下半圆：散射强度平行分量 40m时四种粒子的散射系数 1212 00.20.40.60.811.21.41.61.82 -10 -5 0 5 10 15 20 x Mie Efficiencies m=2.1-0.6i 00.20.40.60.811.21.41.61.82 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 x m=1.86-0.5i Qext Qsca Qabs Qb Qb/Qsca Q

10、ext Qsca Qabs Qb Qb/Qsca Dust particles 40mWater soluble particles 40m 1313 Marine particles 40m Bituminous coal 40m 00.20.40.60.811.21.41.61.82 -10 -5 0 5 10 15 20 m=1.58-0.561i x Mie Efficiencies 00.20.40.60.811.21.41.61.82 -10 -5 0 5 10 15 20 m=2.69-1i x Qext Qsca Qabs Qb Qb/Qsca Qext Qsca Qabs Q

11、b Qb/Qsca 沙尘性粒子和水溶性粒子后向散射系数峰值强于海洋 性粒子和烟煤，沙尘性粒子和海洋性粒子吸收系数比水溶 性和烟煤变化要大；烟煤的衰减系数明显强于其他三种气 溶胶粒子。 波长对粒子散射系数的影响 1414 Dust particles 30mDust particles 35m 波长30m时沙尘性粒子后向散射系数峰值明显高于 波长35m的峰值，波长30m时沙尘性粒子吸收系数随 尺度参数变化范围较大。 00.20.40.60.811.21.41.61.82 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 x Mie Efficiencies m=1.8-0.42i Qex

12、t Qsca Qabs Qb Qb/Qsca 00.20.40.60.811.21.41.61.82 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 x Mie Efficiencies m=1.9-0.5i Qext Qsca Qabs Qb Qb/Qsca 水溶性粒子的散射相位函数 1515 00.511.522.53 10 -2 10 -1 10 0 10 1 10 2 10 3 Scattering Angle Phase Function 单 个 水 溶 性 粒 子 散 射 相 位 函 数 与 theta关 系 x=4 00.511.522.53 10 -2 10 -1

13、10 0 10 1 10 2 10 3 Scattering Angle Phase Function 单 个 水 溶 性 粒 子 散 射 相 位 函 数 与 theta关 系 x=12 30m时，随着尺度参数的增加,散射相函数曲线极值点 越来越多,这是由于随着尺度参数的增加,散射相函数随散 射角变化剧烈。 6.冰水两相粒子毫米波段散射特性 1616 0.0002 0.0004 0.0006 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 1800 Mie angular scattering:fghz=35GHz, TK=273k Scattering functi

14、on 5 10 15 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 1800 Mie angular scattering:fghz=94GHz, TK=273k Scattering function 35GHz 94GHz 1717 140GHz 220GHz 200 400 600 800 1000 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 1800 Mie angular scattering:fghz=140GHz, TK=273k Scattering function 50000 100000 150000 30 210

15、 60 240 90 270 120 300 150 330 1800 Mie angular scattering:fghz=220GHz, TK=273k Scattering function 随着频率的升高，粒子的散射能量越来越强且越来越 集中于前向。 气泡对纯冰球散射的影响 1818 35GHz 94GHz 0.0002 0.0004 0.0006 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 1800 Mie angular scattering:fghz=35GHz, TK=273k Scattering function 纯 冰 占 空 比 1% 占

16、 空 比 5% 5 10 15 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 1800 Mie angular scattering:fghz=94GHz, TK=273k Scattering function 纯 冰 占 空 比 1% 占 空 比 5% 1919 140GHz220GHz 粒子的散射能量越来越集中于前向，纯冰中的气泡的占 空比越高导致各个方向上的散射截面越小，若忽略冰晶中 的空气的影响，则会导致RCS计算大于实际值。 200 400 600 800 1000 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 1800 Mi

17、e angular scattering:fghz=140GHz, TK=273k Scattering function 纯 冰 占 空 比 1% 占 空 比 5% 50000 100000 150000 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 1800 Mie angular scattering:fghz=220GHz, TK=273k Scattering function 纯 冰 占 空 比 1% 占 空 比 5% 水膜冰球散射参数随内外球半径比的变化关系 2020 34GHz、94GHz时水膜冰球的衰减系数随着内 外球半径比的增大是一直在增大，这说

18、明随着内冰 球半径的增大水膜冰球对电磁波的衰减也是增强的。 00.10.20.30.40.50.60.70.80.91 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 a/b Mie Efficiencies of coated sphere, y=1, m1=4.12611+2.44894i, m2=1.78561+0.000852558i Qext Qsca Qabs Qb 34GHz 00.10.20.30.40.50.60.70.80.91 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 a/b Mie Efficiencies of coated sphere, y=1, m1=2.91217+1.44194i, m2=1.78561+0.00234684i Qext Qsca Qabs Qb 94GHz 水膜气泡散射参数随内外球半径比的变化关系 2121 水膜气泡的衰减系数随着内气泡的增大先是不变 后迅速衰减，内外球半径比为0.9时为各项参数的一 个拐点。 00.10.20.30.40.50.60.70.80.91 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 a/b Mie Efficie