气溶胶粒子对涡旋波束的散射特性研究

发布时间：2020-06-09 20:22

【摘要】：大气气溶胶对自由空间激光通信、微波通信以及遥感等技术的发展有着重要影响。如何提高激光雷达对大气气溶胶的实时监测及测量的效率和精确度成为当前研究热点之一。现有激光雷达系统通常采用平面波或高斯波束作为光源。涡旋波束是具有螺旋型相位波前和空心环状强度分布的特殊光场,它携带有轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)在自由空间激光通信和激光雷达遥感领域存在重要潜在应用。为了推广涡旋波束在上述两种领域的应用,我们需要熟悉大气气溶胶与涡旋波束之间的相互作用机理。本文主要围绕典型大气气溶胶,包括单球气溶胶粒子、含核气溶胶粒子和气溶胶粒子群对涡旋波束的散射作用的展开理论仿真研究。本文的主要研究工作如下:首先,介绍典型大气气溶胶模型和广义Lorenz-Mie散射理论。基于广义Lorenz-Mie散射理论,研究了平面波、高斯波束入射情况下典型气溶胶单球粒子的散射特性,分析了大气中相对湿度变化对气溶胶粒子散射特性的影响。其次,基于拉盖尔-高斯(Laguerre-Gaussian,LG)模和厄米-高斯(Hermite-Gaussain,HG)模之间的数学转换关系,建立大气气溶胶单球粒子对LG涡旋波束的散射模型。通过求解LG涡旋波束的单球粒子散射系数,数值计算了典型气溶胶粒子对LG涡旋波束的雷达散射截面(Radar Cross Section,RCS),分析了不同相对湿度对大气气溶胶与LG涡旋波束相互作用的影响,并与平面波、高斯波束入射情况下的结果进行对比。结果表明:LG涡旋波束对大气中相对湿度的变化较平面波、高斯波束入射情况更为敏感。此外,随着大气中相对湿度的增大,大气气溶胶会吸附水汽并冷凝形成了气溶胶粒子包覆着一层水的双层球型结构。在LG涡旋波束的单球散射模型基础上,研究了气溶胶含核粒子对LG涡旋波束的散射作用。数值计算了LG涡旋波束正入射气溶胶含核粒子RCS的双站结果,分析了不同径向模阶数、拓扑荷、粒子尺寸、折射率等参数对散射特性的影响。结果表明:气溶胶单球与双层球结构的RCS有明显区别,说明了在相对湿度较大的情况下,双层球结构更为符合实际。最后,基于LG涡旋波束气溶胶单球粒子的散射模型,研究了满足一定空间分布的典型气溶胶粒子群对LG涡旋波束的散射作用。讨论了相对湿度变化对服从对数正态分布规律和物理特性的气溶胶粒子群对涡旋波束的散射及偏振特性影响。
【图文】：

功率密度分布,模阶数,拉盖尔,源点

l = 0 (e) p = 1,l = 1 (f) p = 1,l = 2(g) p = 2,l = 0 (h) p = 2,l = 1 (i) p = 2,l = 2图3.1 不同模阶数的拉盖尔-高斯涡旋波束在源点(z = 0)处的强度分布因为波束宽度 201 /Rw z w z z不能直接体现 LG 涡旋波束的模阶数的变化，因此它不能准确描述高阶波束的物理强度光板尺寸的变化，Phillips[30]定义了任意阶的拉盖尔-高斯波束的光斑尺寸的半径，采用强度矩量分析的方法—波束宽度正比于波束的横截面上功率密度分布的二阶矩(方差)。因此，光板尺寸的平方在柱坐标系下的具体表达式为：

气溶胶,偏振度,球粒,入射

(d) LG02图4.9 不同波束入射条件下的气溶胶单球、双层球粒子的偏振度角分布图 4.9 分别给出了平面波、高斯波束，LG01和 LG02波束入射条件下，气溶胶单球与双球粒子的偏振度结果对比图，可以看出，对于气溶胶单球粒子，，平面波和高斯波入射情况在 0°~ 140°之间偏振度相同，仅在 140°~ 160°之间出现了差异，而对于气溶胶含核粒子而言，其差异性主要体现在 100°左右；随着拓扑荷的增加，可以看出高阶拉盖尔-高斯涡旋波束入射时
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN958.98

【参考文献】