分析模型的红外激光光散射Nonspherical雨滴

文摘

分析模型是研究开发与nonspherical雨滴红外激光的相互作用。基于夫琅和费衍射和几何光学的方法,提出了获得单散射特性的解析解近似椭球雨滴。光散射模式均获得不同的大小和形状。计算结果表明,雨滴的散射是由夫琅和费衍射和散射几何和解析公式的结果符合使用蒙特卡罗光线追踪方法的结论。

1。介绍

降雨是一种最常见的类型的降水。脉冲激光传播在雨中,交互与雨滴的光,如吸收和散射,将,所以接收到的信号衰减和扭曲导致激光测距性能的退化。因此,雨衰减极大地影响着激光探测在雨中的应用。在最近的几十年里,大量的研究关于雨衰减进行了红外激光的1- - - - - -6),雨滴的散射性质起着重要的作用。小雨打在激光束的散射,大多数以前的研究只能球形雨滴(7- - - - - -10]。nonspherical雨滴,椭球粒子的电磁散射特性可以严格通过球状波函数基于米氏理论解决。但这个球状波函数的表示非常复杂,这让许多困难的理论推导和数值计算,特别是处理边界条件的困难更大。因此,对nonspherical粒子散射计算的改进,研究人员开始使用点匹配法(11),t矩阵方法(12,13),射线追踪方法(14- - - - - -17),和其他更精确的方法来研究nonspherical粒子散射的问题。这些方法,射线追踪方法已广泛在过去二十年里发展为一个巨大的各种各样的应用程序。然而,从射线追踪方法获得的结果在统计学上统计的蒙特卡罗方法,无法得到解析解。因此,在当前的研究中我们感兴趣的是使用近似椭球代替实际的雨滴的分析公式的红外激光光散射nonspherical雨滴基于夫琅和费衍射和几何光学方法。

2。模型Nonspherical雨滴的形状

众所周知,雨滴的形状对雨衰减的计算很重要。雨滴的大小在0.5 ~ 7毫米直径,一般不超过5.5毫米,雨滴大于5.5毫米的不稳定,会破裂。摄影后,雨滴一般球面半径小于1毫米,随着滴大小的增加,他们倾向于一个扁球面形状槽底部和旋转轴几乎是垂直的18]。

没有解析解计算扭曲的雨滴的散射,所以nonspherical雨滴一般近似的足球场大面积椭圆体[14,19]。实际的垂直部分雨滴是对称的设在和不对称设在。和的上部部分大于低一半。假设椭圆的长轴部分和短轴。椭圆截面沿水平轴和垂直轴是完全对称的,所以小轴近似椭球的一半的垂直轴c模型的价值。c模型的垂直切面面积下降可以从以下计算:

让部分区域的椭球模型等于c模型,然后可以解决主要的轴。加之,c模型的水平截面是圆形,所以另一个轴椭球。文献[14]给出了比较结果近似椭球体模型和实际下降形状;即近似椭球体模型是接近实际的雨滴。因此,光学散射nonspherical雨滴是基于近似椭球体模型进行了研究。

3所示。光学散射Nonspherical雨滴

3.1。衍射从椭球雨滴

雨滴的直径比激光波长更长的时间。调查表明,当粒径比激光波长更长,散射光主要集中在前角范围,和远期光学散射可以计算夫琅和费衍射理论20.]。因此,向前散射粒子可以用夫琅和费衍射近似。

三维粒子的光散射可以看作是由等相位面(即生成。,the equiphase two-dimensional scattering section), and this equiphase surface can be as the feature face of the particle [21]。三维椭球,我们只需要研究截面与入射光(即垂直。椭圆表面)。据巴俾涅原理在物理学中,在一个特定的区域,雨滴的衍射强度可以从夫琅和费衍射获得一个椭圆孔。

假设椭圆截面的主要和次要的轴长度和,;当,它是一个球形颗粒。显然,与球面相比,该模型更广泛。等效面积的半径、尺寸参数,波数,是入射波长。在平面上透射率函数

然后在傅里叶平面(接收飞机),衍射场分布收益率 在哪里是粒子的中心之间的距离和接收飞机,和方程和当入射方向为正。我们在接收平面上建立曲线坐标,和点坐标之间的关系和是

贝塞尔函数的积分和它的递归关系,我们可以获得以下(4): 在哪里散射角和。复振幅函数相关散射粒子的大小和方位角度,无论折射率的影响。因此,当方位角证实,衍射强度的距离从粒子

基于衍射理论的光学散射法测量的散射强度雨滴是局限于一个狭窄的范围的角度。考虑到散射强度的计算速度,角度的散射能量更大范围不应被忽略。当粒子放在一个平行光场,光事件被称为几何光学散射反射和折射。这里,散射强度在广角范围可以准确、快速计算。

图1显示了几何光学散射,由椭圆截面。第一界面光入射的粒子(ray 0)反映和折射。反射和折射的斯托克斯参数以及折射路径可以从菲涅耳方程和获得斯涅尔定律。折射光入射在球面上双重的折射后可能退出第二个接口(ray 1)或可能减少双重反射粒子(ray 2)。雷将重复的行为,直到他们退出球(ray 3及以上)或吸收粒子。

雨滴的折射率平行射线传播设在由负向下降。假设入射光线和球面之间的角度内部折射光线的夹角和球面入射光的强度,方位角垂直于本文。我们利用和,以确保入射波束的方向和入射能量流

入射光线多次反射和折射,号码代表发出的射线。之间的角度发出的射线和积极的设在是和相应的固体发射射线角;因此,发射光强度与距离从椭球形雨滴的中心 在下标垂直的,平行光的偏振分量。和菲涅耳反射系数。和分别规定

我们引入无量纲强度强度函数的一个基于入射角反射或折射,所以总强度函数的反射和散射角的违规行为被定义为

从van de Hulst nonabsorptive粒子,向上的总数的99.5%向前散射光偏振出来后的第一个接口简单的反射双重的折射后,从第二个接口(20.,吸收下降的比例增加。因此,它足以证明射线被忽略,只考虑的贡献和射线总强度函数给出

带(12)(8),颗粒对入射平面波的角散射强度可以得到:

从上述分析知道,衍射散射只与粒子大小不考虑折射率的影响,以及几何散射不仅下降的大小还影响折射率的下降。雨滴的光学散射分布了夫琅和费衍射和散射几何与米氏理论的结论是一致的。因此,雨滴的光学散射分布可以得到详细

我们采用散射模型来计算激光辐射的光散射为1.064m×雨滴。根据上述分析,复振幅函数衍射的椭圆雨滴下降影响的大小,形状,和方位角。图2给出了复振幅的比较函数相同的形状()与不同大小和图3显示了3毫米雨滴的结果用不同的形状。

如图2衍射图样是由一个狭窄的衍射峰中央前进方向。在一个狭窄的范围内的角度主要集中在0 ~ 1°,复振幅函数的值大,衍射散射集中。当散射角的增加,最大和最小的复振幅的变化。结果表明,雨滴大小大大影响衍射,复振幅函数随雨滴大小的增加,和中央最大的大型下降更尖锐和略高于较小的下降。但是散射角的复振幅函数和振幅隐约雨滴形状的不同而变化,可以看到从图3。

理论研究表明,雨滴的散射是由夫琅和费衍射和散射几何。在窄范围的角度,衍射强度是伟大的,和散射角增加,入射光的反射和折射出现在雨滴的接口。图4使入射光被反射和折射的结果雨滴在平行和垂直极化方向,毫米,。从图4,简单的反射(图4(一))平行偏振方向主要集中在远期0 ~ 30°和其它散射角。和反射垂直极化方向主要集中在远期0 ~ 60°和大于平行偏振方向。双重的折射(图4 (b))入射光的雨滴界面只有在向前的范围是0 ~ 60°和大平行偏振方向垂直极化。

因此,根据分析,计算出的光散射模式(13)如图5,雨滴尺寸图5(一个)是毫米,并在图5 (b)雨滴大小是毫米,。可以看到,雨滴尺寸越大,越向前散射强度和衍射散射角越窄。分析结果(13)符合使用蒙特卡罗方法的结论(14]。

4所示。结论

nonspherical雨滴形状的模型进行了分析,采用近似椭圆模型代替实际的雨滴。然后分析计算公式提出了椭圆雨滴的散射;这是通过结合夫琅和费衍射和几何光学。调查和计算结果表明,在一个狭窄的范围内的角,衍射强度很好,几何散射和散射角的增加,是显而易见的。衍射散射粒子大小和方位角有关,不考虑折射率的影响,中央最高大下降更为显著,略高于较小的下降。雨滴的几何散射主要集中在0 ~ 60°和在其他角度很弱。解析公式的结果很好地符合使用蒙特卡罗光线追踪方法的结论。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这里包含的研究受到了美国国家科学基金(批准号60908037)和中国国家部委对金融支持(批准号9140 a05010610bq02)。

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