基于矢量蒙特卡罗算法的非球形粒子散射介质建模与仿真

发布时间：2021-06-23 01:17

　　偏振光在浑浊介质中传输会改变其偏振态,从而带来丰富的偏振信息,是实现各类偏振技术的关键。因此,研究偏振光在浑浊介质中的多次散射特性具有重要意义。通过仿真实验和相关文献发现粒子的粒径与入射光波长的相对大小会在单次散射特性中存在差异,而且不同形状粒子的单次散射特性也有所不同。为了进一步研究粒子形态对偏振光多次散射传输特性的影响,根据球形粒子的半径和非球形粒子的等表面积球等效半径与入射光的波长大小关系,将散射粒子分为瑞利散射粒子和米氏散射粒子,分别在满足瑞利散射的介质中和满足米氏散射的介质中对圆偏振光和线偏振光多次散射传输后保持入射偏振态的保偏能力进行定性和定量的研究。针对以往基于米氏散射理论精确求解和蒙特卡罗相结合的方法只能计算偏振光在在球形粒子介质中的传输,本文采用T矩阵和蒙特卡罗算法相结合的方法,该方法不仅可以计算球形粒子的多次散射传输,而且还可以计算非球形粒子的。本文的具体研究内容如下:（1）基于T矩阵方法计算椭球形、有限长圆柱形以及切比雪夫形等对称非球形粒子的单次散射特性,并将单次散射Mueller矩阵的各元素随散射角度的变化关系制成抽样查算表,以便后续矢量蒙特卡罗算法中进行散射角... 

【文章来源】：江西理工大学江西省

【文章页数】：79 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

尘埃气溶胶粒子的扫描电镜图[17]

第一章绪论2国物理学家G.Mie求解出其麦克斯韦方程的严格解，得出了任意直径的均匀球形粒子的散射规律，这便是著名的米氏理论[8]。因此，人们将散射介质中的粒子认为是球形粒子，并在米氏散射理论的基础上，研究偏振光在散射介质中的多次散射传输，并且通过实验进行验证[11-13]。然而，自然界中的散射粒子呈非球形是比较普遍的，如大气中的沙尘粒子、烟煤粒子以及冰晶粒子均为非球形[14]，如图1.1所示为尘埃气溶胶扫描电镜图。血液中流动的血细胞也呈非球形[15,16]，如图1.2所示为显微镜下血液组织形态图。为了进一步研究，对散射介质的非球形粒子构成进行建模，研究偏振光的多次散射传输具有一定的学术价值以及现实意义。图1.1尘埃气溶胶粒子的扫描电镜图[17]图1.2显微镜下血液细胞组织形态图[18]1.2国内外研究现状理论上，研究光在散射介质中的传输问题，需要求解满足一定条件的辐射传输方程（RadiativeTransferEquation，简称RTE）。1950年，Chandrasekhar推导

第一章绪论6子的形状的不同可以将浑浊介质分为球形粒子介质和非球形粒子介质。在蒙特卡罗算法中，多次散射传输是粒子单次散射的集体体现，因此在实现多次散射传输时需要先计算得到粒子的单次散射特性。球形粒子的单次散射特性可以通过米氏散射理论精确求解，而具有旋转对称结构的非球形粒子单次散射可通过T矩阵法计算。图1.3本文蒙特卡罗算法仿真偏振光在浑浊介质中传输的逻辑图本文拟基于T矩阵方法，建立含有随机取向非球形粒子的偏振光多次散射介质模型，采用矢量蒙特卡罗算法模拟的方法研究偏振光经介质散射传输后的一般特性。具体研究在非球形粒子构成的介质环境中，偏振光经历散射、吸收、衰减等过程后，偏振特性的统计变化以及光子溢出介质后光强的空间分布和偏振度的空间分布情况，研究结果可为偏振成像技术的进一步发展提供理论参考。主要研究内容包括：（1）基于T矩阵方法计算比较椭球形、有限长圆柱形以及切比雪夫形等对称非球形粒子的单次散射特性，包括散射Mueller矩阵、散射相函数、散射截面及不对称因子等参数。（2）建立由非球形粒子组成的浑浊散射介质模型，将T矩阵程序算得的结果制成查算表，以供模拟散射过程中进行抽样，并验证模型的可行性。（3）光的偏振状态用Stokes矢量进行描述，采用随机抽样矢量蒙特卡罗方法模拟偏振光在散射介质中多次散射传输，通过大量多次散射光子的统计，分析研究偏振光传输后保偏能力等特性的变化。（4）针对不同偏振态的入射光，进行其在不同形状粒子组成的介质中多次散射


本文编号：3243923