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 112347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 56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 21.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 32.研究现状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

2、的Mie 散射散射特性研究特性研究2005200720112013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 42.研究现状太赫兹波段(30m 3mm)现实意义毫米波段(110mm)35GHz94GHz140GHz220GHz5 5气溶胶的组成和分类1.沙尘性粒子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

3、本文主要研究对流层的4种粒子和冰水两相粒子。6 64.Mie和Aden-KerKer理论7 7Aden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extQscaQabsQbQ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 81601802002202402602800123456x 10-3temperature(K)complex refractive index(imaginary part)the imaginary part of complex refractive index (ice) 35G

4、94G140G220G1801902002102202302402502602701.761.7651.771.7751.781.785temperature(K)complex refractive index(real part)the real part of complex refractive index (ice) 35G94G140G220G35GHz、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35

5、GHz、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。1601802002202402602801.7551.761.7651.771.7751.781.7851.79Frequency(GHz)complex refractive index(real part)the real part of complex refractive index (ice) 173k193k213k253k1601802002202402602

6、8011.522.533.544.55x 10-3Frequency(GHz)complex refractive index(imag part)the imaginary part of complex refractive index (ice) 173k193k213k253k虚部实部气溶胶粒子太赫兹波散射特性1010 2.5e-009 5e-0093021060240902701203001503301800 m=1.9-0.5i, x=0.05 2.5e-009 5e-0093021060240902701203001503301800 m=1.92-0.4i, x=0.05沙 尘

7、 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子太赫兹波散射特性111135m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 4003021060240902701203001503301800 m=1.9-0.5i, x=4 200 4003021060240902701203001503301800 m=1.92-0.4i, x=4沙 尘 性 粒 子水

8、溶 性 粒 子 500 10003021060240902701203001503301800 m=1.597-0.38i, x=4 100 2003021060240902701203001503301800 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121200.20.40.60.811.21.41.61.82-10-505101520 xMie Efficienciesm=2.1-0.6i 00.20.40.60.811.21.41.61.82-15-10-50510152025x m=1.86-

9、0.5i QextQscaQabsQbQb/QscaQextQscaQabsQbQb/QscaDust particles 40mWater soluble particles 40m1313Marine particles 40mBituminous coal 40m00.20.40.60.811.21.41.61.82-10-505101520m=1.58-0.561ixMie Efficiencies 00.20.40.60.811.21.41.61.82-10-505101520m=2.69-1ix QextQscaQabsQbQb/QscaQextQscaQabsQbQb/Qsca沙

10、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1414Dust 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。00.20.40.60.811.21.41.61.82-30-20-1001020304050 xMie Efficienciesm=1.8-0.42i QextQscaQabsQbQb/Qsca00.20.40.60.81

11、1.21.41.61.82-15-10-5051015202530 xMie Efficienciesm=1.9-0.5i QextQscaQabsQbQb/Qsca水溶性粒子的散射相位函数151500.511.522.5310-210-1100101102103Scattering AnglePhase Function单 个 水 溶 性 粒 子 散 射 相 位 函 数 与 theta关 系x=400.511.522.5310-210-1100101102103Scattering AnglePhase Function单 个 水 溶 性 粒 子 散 射 相 位 函 数 与 theta关 系

12、x=1230m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 0.00063021060240902701203001503301800Mie angular scattering:fghz=35GHz, TK=273kScattering function 5 10 153021060240902701203001503301800Mie angular scattering:fghz=94GHz, TK=273kScattering function35GHz

13、94GHz1717140GHz220GHz 200 400 600 800 10003021060240902701203001503301800Mie angular scattering:fghz=140GHz, TK=273kScattering function 50000 100000 1500003021060240902701203001503301800Mie angular scattering:fghz=220GHz, TK=273kScattering 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181835GHz94G

14、Hz 0.0002 0.0004 0.00063021060240902701203001503301800Mie angular scattering:fghz=35GHz, TK=273kScattering function 纯 冰占 空 比 1%占 空 比 5% 5 10 153021060240902701203001503301800Mie angular scattering:fghz=94GHz, TK=273kScattering function 纯 冰占 空 比 1%占 空 比 5%1919140GHz220GHz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

15、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 10003021060240902701203001503301800Mie angular scattering:fghz=140GHz, TK=273kScattering function 纯 冰占 空 比 1%占 空 比 5% 50000 100000 1500003021060240902701203001503301800Mie angular scattering:fghz=220GHz, TK=273kScattering function 纯 冰占 空 比 1

16、%占 空 比 5%水膜冰球散射参数随内外球半径比的变化关系202034GHz、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。00.10.20.30.40.50.60.70.80.9100.511.522.533.5a/bMie Efficiencies of coated sphere, y=1, m1=4.12611+2.44894i, m2=1.78561+0.000852558i QextQscaQabsQb34GHz00.10.20.30.40.50.60.70.80.9100.511.522.533.5a

17、/bMie Efficiencies of coated sphere, y=1, m1=2.91217+1.44194i, m2=1.78561+0.00234684i QextQscaQabsQb94GHz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。00.10.20.30.40.50.60.70.80.9100.511.522.53a/bMie Efficiencies of coated sphere, y=5, m1=1+0i, m2=4.12611+2.44894i QextQscaQabsQb34GHz00.10.20.30.40.50.60.70.80.9100.511.522.53a/bMie Efficiencies of coated sphere, y=5, m1=1+0i, m2=2.91217+1.44194i QextQscaQabsQb94GHz研究结论22221. 太赫兹波段的散射强度由大到小依次为烟煤，沙尘性粒子，水溶性粒子，海洋性粒子。2.尺度参数对太赫兹波段散射强度影响是明显的。3. 毫米波四个