激光在平面平行和球形边界云层中的标量和矢量辐射传输特性研究
发布时间：2021-10-07 17:26
激光在云层的辐射传输问题是激光在随机介质传播与散射特性研究的重要组成部分。并且云层作为大气中一种常见的离散随机介质,不可避免的会对星地激光通信、大气遥感和目标探测等工程应用造成干扰,因此研究激光在云层的辐射传输特性对星地激光通信、大气遥感和目标探测等方面具有重要意义。本文基于大气辐射传输理论,分别研究了激光在平面平行和球形边界水云和冰云大气中的标量和矢量辐射传输特性,主要工作包括:1.介绍了云层散射辐射的一些基本概念,结合球形液滴粒子和非球形冰晶粒子的微物理参数,给出水云和冰云的平均散射特性,研究了具有一定分布特性的水云和冰云的散射相矩阵。2.基于平面平行边界大气的标量辐射传输方程,采用离散纵标法,数值计算了均匀水云大气和冰云大气的反射率和透过率随水云和冰云大气参数如:光学厚度、有效半径、观测角等的变化情况,并且分析了垂直非均匀水云和冰云覆盖水云的重叠云模型对激光辐射传输特性的影响。3.基于矢量辐射传输的蒙特卡罗模型,首先将平面平行边界大气扩展至球形边界大气,研究了两种边界大气模式下（平面平行边界和球形边界）水云和冰云大气的反射率差异。其次在考虑球形边界大气下,即大天顶角入射时,数值计...
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
论文框架与研究内容Fig.1-1Frameworkandresearchcontentofthethesis
中云族（2km-6km）和高云族(6km以上)。在中纬度地区，高云族的云底高度通常大于6km，在这样的高度范围水汽都会凝固结晶，所以高云族都是由冰晶体组成的。如果按照云层内的温度和云层粒子的相态划分，云可以被分为由液态水滴组成的水云，由冰晶粒子组成的冰云和由液态水滴和冰晶组成的混合相态云。本文的主要研究由液态水滴组成的水云和由冰晶粒子组成的冰云。2.1.1水云粒子的尺度和分布特性水云一般位于温度较高的大气底层，云层平均高度一般出现在2-3km，水云主要由较小的液滴组成[56,57]，这些液滴通常都具有球形形状如图2-1所示。对于降水云其液滴半径会大于1mm，对于非降水云的液滴平均半径通常约为10μm。图2-1液态水云粒子模型Fig.2-1Liquidwatercloudparticlemodel在实际大气中水云粒子的尺寸和空间分布是随时间和空间不断变化的，因此在真实大气中液态水滴的大小是分布不均匀的。虽然粒子尺寸大小不一，但是在大量的实际观测中发现可以通过一定的分布函数来描述液态水滴的分布情况，比如标准gamma分布、对数正态分布和对数双峰分布等。其中在计算中最典型的也是应用最广泛得是标准gamma分布[26,56,57]，13()expeffeffvveffeffrnrarrv(2-1)式中r为液滴半径，a表示归一化常量，effr为有效半径，effv为有效方差。
西安理工大学硕士学位论文10其中(2-1)式中的有效半径和有效方差分别被定义为，3020()=()effrnrdrrrnrdr(2-2)20220()=,00.5()effeffeffeffrrrnrdrvvrrnrdr(2-3)在水云的性质参数中，光学厚度和液水含量LWC也是两个重要的参数，它们分别可以表示为，3LWC2weffzr(2-4)304LWC()3wrnrdr(2-5)式中z为云层的几何厚度，w为液态水密度值为1.0g/m3，LWC通常取值在(0.01-1.0)g/m3之间[58]。2.1.2冰云粒子的尺度和分布特性冰云一般出现在对流层上部和平流层下部，云层高度一般出现在6km以上，且在全球的分布非常广泛，约覆盖地球表面的20%-30%[59,60]。由于冰云的形成原因比较复杂，冰云的厚度分布也有很大的不同，其主要在0.1km到8km之间变化，平均厚度约为1.5km。根据大量观测数据表明[3,4]，冰云由形状复杂的非球形冰晶粒子组成。如：六角形板状(Plates)、实心/空心柱状(Solid/HollowColumn)、实心/空心子弹玫瑰状(Solid/HollowBulletrosettes)、板状聚合物等(PlatesofAggregates)。冰晶的尺寸从几微米到上千微米不等，且冰云云顶的冰晶粒子尺寸较小，而云底处的冰晶粒子尺寸较大。云物理中把云滴浓度(单位体积中云滴的个数)随尺度的变化叫做云滴谱，它是一种反映云特征的微物理参量。冰晶的浓度N随着高度的变化在3(5050000)/m的范围内变化。图2-2六种冰晶粒子模型Fig.2-2Sixicecrystalmodel
【参考文献】：
期刊论文
[1]激光雷达探测绝热水云退偏振特性模拟研究[J]. 王海华,孙贤明,王艳萍,王军. 光散射学报. 2017(04)
[2]激光雷达探测水云退偏振比的敏感性研究[J]. 孙贤明,万隆,王海华. 红外与激光工程. 2016(09)
[3]两种模拟水云对偏振激光雷达退偏振的蒙特卡罗方法研究[J]. 孙贤明,王海华,申晋. 光学学报. 2017(01)
[4]大气折射对可见近红外波段辐射传输的影响分析[J]. 胡帅,高太长,李浩,程天际,刘磊,张婷,黄威,江诗阳,代中华. 光学学报. 2016(06)
[5]低太阳高度角条件下的天空偏振模式模拟及大气折射影响研究[J]. 胡帅,高太长,李浩,程天际,刘磊,黄威,江诗阳. 物理学报. 2016(01)
[6]基于六角形和球形冰晶模型的卷云辐射特征研究[J]. 胡斯勒图,包玉海,许健,青松,包钢. 光谱学与光谱分析. 2015(05)
[7]利用MODIS资料模拟计算水云大气红外辐射特性[J]. 曹亚楠,魏合理,徐青山,戴聪明,陈秀红. 光子学报. 2014(06)
[8]水云条件下大气偏振特性研究及其模拟分析[J]. 刘琦,褚金奎,王兢,关乐. 光学学报. 2014(03)
[9]云的垂直非均一性对卫星3.7μm通道反射率的影响[J]. 刘浩,周毓荃. 气象. 2013(01)
[10]1.315μm波长冰晶粒子辐射特性的模拟研究[J]. 赵燕杰,魏合理,徐青山,陈秀红,饶瑞中. 红外与激光工程. 2009(05)
博士论文
[1]大气中离散随机介质的波传播和散射特性研究[D]. 孙贤明.西安电子科技大学 2007
硕士论文
[1]水云和冰云的光散射与辐射传输特性的研究[D]. 于记华.西安理工大学 2019
[2]基于矢量辐射传输的天空偏振特性研究[D]. 张西光.大连理工大学 2019
[3]近红外光在云层中的传输特性与偏振分布研究[D]. 洪伟伟.合肥工业大学 2013
[4]卷云的辐射传输与散射特性研究[D]. 张琳.西安电子科技大学 2010
本文编号：3422470
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
论文框架与研究内容Fig.1-1Frameworkandresearchcontentofthethesis
中云族（2km-6km）和高云族(6km以上)。在中纬度地区，高云族的云底高度通常大于6km，在这样的高度范围水汽都会凝固结晶，所以高云族都是由冰晶体组成的。如果按照云层内的温度和云层粒子的相态划分，云可以被分为由液态水滴组成的水云，由冰晶粒子组成的冰云和由液态水滴和冰晶组成的混合相态云。本文的主要研究由液态水滴组成的水云和由冰晶粒子组成的冰云。2.1.1水云粒子的尺度和分布特性水云一般位于温度较高的大气底层，云层平均高度一般出现在2-3km，水云主要由较小的液滴组成[56,57]，这些液滴通常都具有球形形状如图2-1所示。对于降水云其液滴半径会大于1mm，对于非降水云的液滴平均半径通常约为10μm。图2-1液态水云粒子模型Fig.2-1Liquidwatercloudparticlemodel在实际大气中水云粒子的尺寸和空间分布是随时间和空间不断变化的，因此在真实大气中液态水滴的大小是分布不均匀的。虽然粒子尺寸大小不一，但是在大量的实际观测中发现可以通过一定的分布函数来描述液态水滴的分布情况，比如标准gamma分布、对数正态分布和对数双峰分布等。其中在计算中最典型的也是应用最广泛得是标准gamma分布[26,56,57]，13()expeffeffvveffeffrnrarrv(2-1)式中r为液滴半径，a表示归一化常量，effr为有效半径，effv为有效方差。
西安理工大学硕士学位论文10其中(2-1)式中的有效半径和有效方差分别被定义为，3020()=()effrnrdrrrnrdr(2-2)20220()=,00.5()effeffeffeffrrrnrdrvvrrnrdr(2-3)在水云的性质参数中，光学厚度和液水含量LWC也是两个重要的参数，它们分别可以表示为，3LWC2weffzr(2-4)304LWC()3wrnrdr(2-5)式中z为云层的几何厚度，w为液态水密度值为1.0g/m3，LWC通常取值在(0.01-1.0)g/m3之间[58]。2.1.2冰云粒子的尺度和分布特性冰云一般出现在对流层上部和平流层下部，云层高度一般出现在6km以上，且在全球的分布非常广泛，约覆盖地球表面的20%-30%[59,60]。由于冰云的形成原因比较复杂，冰云的厚度分布也有很大的不同，其主要在0.1km到8km之间变化，平均厚度约为1.5km。根据大量观测数据表明[3,4]，冰云由形状复杂的非球形冰晶粒子组成。如：六角形板状(Plates)、实心/空心柱状(Solid/HollowColumn)、实心/空心子弹玫瑰状(Solid/HollowBulletrosettes)、板状聚合物等(PlatesofAggregates)。冰晶的尺寸从几微米到上千微米不等，且冰云云顶的冰晶粒子尺寸较小，而云底处的冰晶粒子尺寸较大。云物理中把云滴浓度(单位体积中云滴的个数)随尺度的变化叫做云滴谱，它是一种反映云特征的微物理参量。冰晶的浓度N随着高度的变化在3(5050000)/m的范围内变化。图2-2六种冰晶粒子模型Fig.2-2Sixicecrystalmodel
【参考文献】：
期刊论文
[1]激光雷达探测绝热水云退偏振特性模拟研究[J]. 王海华,孙贤明,王艳萍,王军. 光散射学报. 2017(04)
[2]激光雷达探测水云退偏振比的敏感性研究[J]. 孙贤明,万隆,王海华. 红外与激光工程. 2016(09)
[3]两种模拟水云对偏振激光雷达退偏振的蒙特卡罗方法研究[J]. 孙贤明,王海华,申晋. 光学学报. 2017(01)
[4]大气折射对可见近红外波段辐射传输的影响分析[J]. 胡帅,高太长,李浩,程天际,刘磊,张婷,黄威,江诗阳,代中华. 光学学报. 2016(06)
[5]低太阳高度角条件下的天空偏振模式模拟及大气折射影响研究[J]. 胡帅,高太长,李浩,程天际,刘磊,黄威,江诗阳. 物理学报. 2016(01)
[6]基于六角形和球形冰晶模型的卷云辐射特征研究[J]. 胡斯勒图,包玉海,许健,青松,包钢. 光谱学与光谱分析. 2015(05)
[7]利用MODIS资料模拟计算水云大气红外辐射特性[J]. 曹亚楠,魏合理,徐青山,戴聪明,陈秀红. 光子学报. 2014(06)
[8]水云条件下大气偏振特性研究及其模拟分析[J]. 刘琦,褚金奎,王兢,关乐. 光学学报. 2014(03)
[9]云的垂直非均一性对卫星3.7μm通道反射率的影响[J]. 刘浩,周毓荃. 气象. 2013(01)
[10]1.315μm波长冰晶粒子辐射特性的模拟研究[J]. 赵燕杰,魏合理,徐青山,陈秀红,饶瑞中. 红外与激光工程. 2009(05)
博士论文
[1]大气中离散随机介质的波传播和散射特性研究[D]. 孙贤明.西安电子科技大学 2007
硕士论文
[1]水云和冰云的光散射与辐射传输特性的研究[D]. 于记华.西安理工大学 2019
[2]基于矢量辐射传输的天空偏振特性研究[D]. 张西光.大连理工大学 2019
[3]近红外光在云层中的传输特性与偏振分布研究[D]. 洪伟伟.合肥工业大学 2013
[4]卷云的辐射传输与散射特性研究[D]. 张琳.西安电子科技大学 2010
本文编号：3422470
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