用于偏振激光雷达的云粒子光散射特性分析

发布时间：2020-04-26 06:16

【摘要】：云是影响天气变化的重要因素之一,若能有效探测云的宏观和微观物理特性,有助于通过人工影响天气技术,消除或减弱某些极端天气现象,而对过冷云分布的有效探测,则是影响人工影响天气作业的关键技术。结合现有可见光波段偏振激光雷达反演气溶胶粒子球形性技术,提出利用近红外波段偏振激光雷达反演云粒子特性的方案,进而有效探测过冷云的实时分布,借鉴离散偶极子近似和几何光学近似的非球形粒子光散射理论,分析云粒子的光散射特性,解决米散射理论很难有效分析非球形云粒子的光散射特性的问题。论文研究了用于分析云粒子光散射特性的米散射理论、几何光学近似理论和离散偶极子近似理论,基于米散射理论可以看出1550nm近红外波段适合用于探测粒子半径为3μm的云粒子的散射特性,同时提出用于反演云粒子特性的近红外偏振激光雷达系统,详细设计系统结构及主要参数。基于上述三个光散射理论建立计算云粒子光散射特性模型,几何光学近似模型主要通过Stokes矢量矩阵、Fresnel矩阵、坐标转换矩阵之间的矩阵运算来计算云粒子的光散射特性,离散偶极子近似模型主要通过fml矩阵、散射振幅矩阵和Muller矩阵之间的矩阵关系来计算云粒子的光散射特性,同时基于Matlab平台编写了相关程序。首先将离散偶极子近似理论和几何光学近似理论同米散射理论对比分析,证实了两种非球形粒子光散射理论的可靠性。为了满足云粒子在空间中任意姿态分布这一特征,对于几何光学近似理论,当尺度参数大于20,104个姿态数目可满足收敛要求。对于离散偶极子近似理论,当尺度参数小于20,大约800个姿态数目可满足收敛性要求。将两种非球形粒子光散射理论与等体积米散射方法对比,可以看出当粒子非球形度较高时,等体积米散射方法均会引入大量误差。为了使偏振激光雷达的探测性能分析结果更接近于真实状况,取粒子形状为长度半径比为6:1的圆柱,采用离散偶极子近似理论计算其探测性能,相较于米散射理论,回波信号功率减少约一个量级,且探测距离从140m减少到60m,同时将整个云粒谱上单个圆柱粒子的退偏比进行累加平均得到整个云粒子谱的退偏比为0.65,对于实际应用中根据实验所测的退偏比来确定云粒子形状有一定的参考价值。
【图文】：

云粒子光散射理论及探测方案粒子光散射理论及探测方案数值仿真是研究云粒子光散射特性的重要手段。其中云粒子的形状是光散射特性必不的一项物理参量，本章介绍了云粒子常见的几种形状模型和几何光学近似理论、离散子近似理论。云粒子形状模型一般情况下，，当云中温度低于 0℃时云滴会逐渐形成冰晶。冰晶粒子通常呈现为椭球、六棱柱状、六棱盘状、玫瑰花型等形状。其中典型冰晶形状如下图所示：

盘状六棱柱 柱状六棱图 2-1 冰晶粒子形状示意图agram of the Shape of Ice Crystal P目前常用的冰晶粒子形状模型重点研究了椭球、圆柱以及盘、c 的值便可确定一个椭球；般取棱柱类型粒子长度 L 和子厚度 L 和直径 d 关系如式克斯韦方程组求解均匀球形性分析[51-55]。米散射理论适用
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN958.98

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本文编号：2641192