米散射程序
激光雷达探测气溶胶实验报告
南京信息工程大学激光雷达探测气溶胶实验报告姓名：***学号：***********学院：物理与光电工程学院专业：光信息科学与技术二〇一四年十二月十二日摘要：大气气溶胶影响着天气和气候的变化，通过用激光雷达对水平大气中的气溶胶进行连续观测，得到大气气溶胶浓度的高度分布数据，用Klett法反演和斜率法得到了气溶胶消光系数数值并利用MATLAB程序用计算机对所得实验数据快速方便地直接得出出测量结果和图示。
关键词：气溶胶；激光雷达；探测；Klett反演算法；斜率法；消光系数；MATLAB前言大气气溶胶是指悬浮在大气中直径为0.001—100μm的液体或固体微粒体系。
对流层气溶胶的形成与地球表面的生态环境和人类活动直接相关。
地面扬尘、沙尘暴、林火烟灰、花粉与种子、海水溅沫等是对流层气溶胶的自然源,人工源则是由工业、交通、农业、建筑等直接向对流层中排放的气溶胶粒子。
同时,对流层大气中许多气态污染物的最终归宿是形成气溶胶粒子,如二氧化硫、氮氧化物、碳氢化合物等通过气粒转化生成气溶胶粒子。
这些气溶胶粒子通过吸收和散射太阳辐射以及地球的长波辐射而影响着地球大气系统的辐射收支,它作为凝结核参与云的形成,从而对局地、区域乃至全球的气候有着重要的影响。
对流层气溶胶粒子对激光的吸收和散射作用使它成为激光大气传输的重要消光因子。
激光雷达为大气气溶胶探测研究提供了有力的工具。
数十年来,激光技术的不断发展为激光雷达大气气溶胶探测提供了所需要的光源。
另一方面,信号探测和数据采集及其控制技术的发展使激光雷达在大气气溶胶的探测高度、空间分辨率、时间上的连续监测和测量精度等方面具有全面的优势,是其它探测手段不能比拟的。
本文介绍该激光雷达的总体结构、技术参数及其工作原理,同时给出了大气气溶胶的垂直消光系数廓线以及典型测量结果的分析和讨论。
1，研究的目的大气中，尘埃、烟雾、云团等气溶胶粒子对大气的化学过程、辐射平衡、气候变化乃至人们的日常生活都有着非常重要的影响。
简析双波长米散射激光雷达探测对流层气溶胶消光特性
简析双波长米散射激光雷达探测对流层气溶胶消光特性【摘要】双波长米散射激光雷达在对夜晚及白天对流层气溶胶消失进行系数的垂直分布探测，适用的波长为532 nm和1 064 nm。
该雷达主要组成部分包括激光发射设备、接受光学与后继光学系统、信号探测及采集设备、系统运行设备等几个主要的组成部分，主要采用高低层分层探测及光纤导光等技术进行支持。
【关键词】双波长米散射激光雷达；结构；技术参数；气溶胶；消光系数中图分类号：p42文献标识码：a文章编号：1006-0278(2012)04-121-01随着我国军事事业的飞速发展，该技术军事探测领域的应用前景十分广阔，本文主要研究双波长米散射激光雷达的组成结构、技术参数等方面内容。
一、总体结构及关键技术雷达主要由激光发射设备、接收光学及后继光学设备、信号探测与采集设备、系统运行控制设备等几个主要单元构成。
（一）激光发射设备该设备的主要功能在于对望远镜俯仰运动时，接收望远镜与激光光束沿着光轴平行的方向进入大气中。
其组成主要是五个反射镜和nd：yag激光器组成，距离较近的对大气回波信号采用几何重叠因子进行修正，通过激光雷达的大气探测获得几何重叠因子。
为保证双波长米散射激光雷达在垂直与水平两个方向进行探测时的几何重叠因子不发生变动，其发射设备也进行了特殊的设计。
、反射镜1至4、nd：yag激光器都根据图1设置，然后将其固定于光学平台，保证其之间的稳定。
在接收望远镜俯仰侧壁上安装反射镜5，其镜面中心要位于望远镜转轴上，这样就能与反射镜4反射的激光光束在俯仰转轴上重合，然后由反射镜5将激光光束沿着接收望远镜光轴平行的方向射入对流层。
整个过程全部在密封套管内完成。
(二)接收光学和后继光学设备该设备主要作用是把来自不同距离的两个波长进行收集，然后导入光电探测器进行下一步分析。
后继光学设备与望远镜支撑架都在光学平台上固定着，两者之间采用光纤进行耦合。
该结构不但保证了接受望远镜在垂直与水平方向指向时接收的大气后散射光由光纤导入后继光学设备，还保证了后继光学设备之后的整个探测单元的稳定。
光散射粒度测量中Mie理论两种改进的数值计算方法_王式民
摘要 本文提出了两种 M ie 散射 程序算 法 :改 进连分 式方法 和修正 倒推法 。 改进 连分式方法对 Lentz 提出的连分式数值计算方法进行了改进 , 使 M ie 程序的计算范围大 大拓宽 :颗粒当量直径达到 105 , 折射率虚部绝对值达到 105 。 解决了以往一些算法不稳 定的现象 。 修正倒推法在兼顾精度的同时 , 大大缩短了 Mie 程序的计算时 间 , 是一 种很 实用的方法 。 从计算结果可以看出以上两种方法各有所长 , 适 合应用在不同的场合 。
关键词 : M ie 散射计算 粒度测量
1 引言
M ie 散射理论是均质球形颗粒在电磁场中对平面波散射的精确解 。 由于光散射计算在动 力 、冶金 、化工 、医药 、航天等方面的广泛应用[ 1] , 准确 、迅速 、计算范围广的 Mie 程序就特别有 价值 。 近几十年来国外有许多学者发表了对 Mie 散射的数值解法 。 1969 年 Dave[ 2] 的算法是 第一个完整的 Mie 计算程序 。 1976 年 Lentz[ 3] 利用连分式解决了递推不稳 的难题 , 1980 年 Wiscombe[ 4] 总结了前人的方案 , 采用矢量结构运算 , 进一步改进了 M ie 算法 。 近十几年来 , 国 内学者也发表了不少自己的观点[ 5 , 6] , 但是总有未能尽如人意之处 。本文提出两种新的改进 算法 。 第一种采用改进连分式的方法可以扩展计算的范围 :适用的颗粒当量直径为 10-5 ～ 105 , 折射率虚部绝对值为 0 ～ 105 。 而采用倒推修正的方法使 Mie 程序的计算时间大大缩短 。
Y 0 =-cosα/ a ;Y 1(α)=-cosα/ α2 -sin α/ ωα;
经典Mie散射的数值计算方法改进
经典Ｍｉｅ散射的数值计算方法改进沈建琪，刘蕾（上海理工大学理学院，上海２０００９３）摘要：在光散射颗粒测量技术中，Ｍｉｅ散射理论的计算非常重要。
本文介绍一种改进的Ｍｉｅ散射数值计算方法，通过对Ｍｉｅ散射系数进行重新构造，找到参量来控制Ｍｉｅ计算的收敛和计算精度。
对各有关参量选用合适、稳定的递推关系进行计算。
数值计算结果表明该方法具有快速、稳定的优点，可以在极大的颗粒粒径和折射率范围内得到合理结果。
关键词：Ｍｉｅ散射；数值计算；计算方法中图分类号：Ｏ４３６．２文献标识码：Ａ文章编号：１００８－５５４８（２００５）０４－０００１－０５果［８－１３］。
然而，有关Ｍｉｅ散射的计算还没有完全得到解决，仍在继续发展之中［１４－１６］。
本文中对Ｍｉｅ散射数值计算方法进行讨论并提出一种改进算法。
１Ｍｉｅ理论简介Ｍｉｅ理论是均匀介质球形颗粒在单色平面波照射下远场散射的精确解，其主要物理量有消光系散射系数ｋｓｃａ、吸收系数ｋａｂｓ、散射振幅函数Ｓ１数ｋｅｘｔ、和Ｓ２等ＡｎＩｍｐｒｏｖｅｄＡｌｇｏｒｉｔｈｍｏｆＣｌａｓｓｉｃａｌＭｉｅＳｃａｔｔｅｒｉｎｇＣａｌｃｕｌａｔｉｏｎＳＨＥＮＪｉａｎｑｉ，ＬＩＵＬｅｉ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＳｃｉｅｎｃｅ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｈａｎｇｈａｉｆｏｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００９３，Ｃｈｉｎａ）ｋｅｘｔ＝２!ｋｓｃａ＝２!!!（２ｎ＋１）Ｒｅ（ａ＋ｂｎｎ＝１ｎ２!ｎ）２│）（１）（２）（３）ｎ＝１!（２ｎ＋１）（│ａ│＋│ｂｋａｂｓ＝ｋｅｘｔ－ｋｓｃａｎＡｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｌａｓｓｉｃａｌＭｉｅｔｈｅｏｒｙｉｓｖｅｒｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｆｏｒｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅａｎａｌｙｓｉｓ．Ｉｎｔｈｅｗｏｒｋ，ａｎｉｍｐｒｏｖｅｄａｌｇｏｒｉｔｈｍｏｆＭｉｅｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｂｙｒｅ－ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇｔｈｅＭｉｅｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ，ａｐａｒａｍｅｔｅｒｉｓｆｏｕｎｄｔｏｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅａｎｄｔｈｅｐｒｅｃｉｓｉｏｎｏｆｔｈｅＭｉｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｌａｔｅｄｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｂｙｍｅａｎｓｏｆｔｈｅｐｒｏｐｅｒｄｏｗｎｗａｒｄｏｒｕｐｗａｒｄｒｅｃｕｒｒｅｎｃｅｓｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｗｈｉｃｈａｒｅｐｒｏｖｅｄｔｏｂｅｖｅｒｙｆａｓｔａｎｄｓｔａｂｌｅ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｓｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ｒｅｌｉａｂｌｅａｎｄｒｏｂｕｓｔｉｎａｎｅｘｔｒｅｍｅｌｙｗｉｄｅｒａｎｇｅｏｆｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅａｎｄｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｅｘ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｍｉｅｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ；ａｌｇｏｒｉｔｈｍ"）Ｓ１（"）＝!２ｎ＋１［ａｎ#ｎ（＋ｂｎ$＋１）ｎ＝１（!!ｎ"）（］（４）"）"）Ｓ２（"）＝!２ｎ＋１［ａｎ$ｎ（＋ｂｎ#ｎ（］（５）＋１）ｎ＝１（%）其中，无因次参数!（＝#ｘ／由颗粒的粒径ｘ和入射光波长%定义，Ｍｉｅ系数ａｎ和ｂｎ与!和复折射率ｍ＝ｍＲｅ（１－ｉ&）有关!）!）ψ!ｎ（ｍ!）－ｍψ!ｎ（ψｎ（ｍ!）（６）ａｎ＝’ｎ（ｎｎｎｎ!）!）ψ!ｎ（ｍ!）－ψ!ｎ（ψｎ（ｍ!）（７）ｂｎ＝ｍψｎ（ｎｎｎｎｃａｔｔｉ－Ｂｅｓｓｅｌ函这里’ｎ（Ｚ）和ξｎ（Ｚ）是Ｒｉ数，满足以下递推关系：’ｎ（Ｚ）＝２ｎ－１ψｎ－１（Ｚ）－ψｎ－２（Ｚ）（８）’!ｎ（Ｚ）＝－ｎψｎ（Ｚ）＋ψｎ－１（Ｚ）（９）（Ｚ）＝２ｎ－１ξｎ－１（Ｚ）－ξｎ－２（Ｚ）（１０）!!(ｎ(!ｎ（Ｚ）＝－ｎξｎ（Ｚ）＋ξｎ－１（Ｚ）（１１）和初始值：２００５年第４期中国粉体技术１Ｍｉｅ散射理论是光散射颗粒测量技术的基础，在动力、冶金、化工、医药、环保、大气等多方面有着广泛应用［１］。
米散射计算程序
米散射计算程序1. 简介在地球物理勘探领域中，米散射被广泛应用于地下岩石介质的探测。
米散射是指在岩石介质中，以小角度入射的射线发生散射后，由于散射角度较小，散射后的能量主要是以高角度向前散射的现象。
本文将介绍米散射计算程序的原理、输入、输出以及应用实例等内容。
2. 原理米散射计算程序主要基于矢量散射理论。
在岩石介质中，射线的传播方向可以用三维矢量表示。
入射射线和散射射线之间的夹角可以表示为两个矢量的夹角。
利用矢量叉积的原理，可以求出散射弹道的方向。
由于矢量长度是随着入射角度改变而改变的，因此计算时需要考虑一系列的角度下的散射弹道。
3. 输入米散射计算程序的输入包括以下内容：（1）入射射线的方向：入射射线的方向用三维坐标表示，可以是直接输入坐标值，也可以是输入两个坐标点的坐标值进行计算。
（2）岩石介质的物理参数：包括密度、速度、衰减等参数。
（3）散射角度范围：散射角度范围是程序计算的主要参数之一，可以根据实际需求进行调整。
4. 输出米散射计算程序的输出包括以下内容：（1）散射射线的方向：散射射线的方向可以用三维坐标表示，输出结果可以是直接输出坐标值，也可以是输出两个坐标点的坐标值。
（2）散射系数：散射系数是反映岩石介质散射能力的一个参数。
散射系数越大，散射能力越强。
（3）径向分布函数：径向分布函数是反映散射射线在不同半径范围内的分布情况。
径向分布函数可以帮助理解米散射在各种介质中的应用特性。
5. 应用实例米散射计算程序具有广泛的应用价值。
在地球物理勘探中，它可以用于以下方面：（1）岩石介质的参数计算：在勘探前期，可以通过米散射计算程序计算出不同岩石介质的散射系数和径向分布函数，进而识别不同的地层。
（2）油气勘探：米散射计算程序可以帮助研究岩石介质对油气的储存和分布特性，从而辅助油气勘探。
（3）钻井工程：米散射计算程序可以帮助预测井眼内岩石介质的散射特性，从而帮助钻具的选择和钻井方案的制定。
6. 结论米散射计算程序是一种基于矢量散射理论的计算工具，可以用于岩石介质的探测、油气勘探和钻井工程等领域。
米散射理论基础
米散射(Mie scattering);又称粗粒散射”粒子尺度接近或大于入射光波长的粒子散射现象。
德国物理学家米(Gustav Mie,1868—1957)指出,其散射光强在各方向是不对称的，顺入射方向上的前向散射最强。
粒子愈大，前向散射愈强。
米散射当球形粒子的尺度与波长可比拟时，必须考虑散射粒子体内电荷的三维分布。
此散射情况下，散射粒子应考虑为由许多聚集在一起的复杂分子构成，它们在入射电磁场的作用下，形成振荡的多极子，多极子辐射的电磁波相叠加，就构成散射波。
又因为粒子尺度可与波长相比拟，所以入射波的相位在粒子上是不均匀的，造成了各子波在空间和时间上的相位差。
在子波组合产生散射波的地方，将出现相位差造成的干涉。
这些干涉取决于入射光的波长、粒子的大小、折射率及散射角。
当粒子增大时，造成散射强度变化的干涉也增大。
因此，散射光强与这些参数的关系，不象瑞利散射那样简单，而用复杂的级数表达，该级数的收敛相当缓慢。
这个关系首先由德国科学家G.米得出，故称这类散射为米散射。
它具有如下特点：①散射强度比瑞利散射大得多，散射强度随波长的变化不如瑞利散射那样剧烈。
随着尺度参数增大，散射的总能量很快增加，并最后以振动的形式趋于一定值。
②散射光强随角度变化出现许多极大值和极小值，当尺度参数增大时，极值的个数也增加。
③当尺度参数增大时，前向散射与后向散射之比增大，使粒子前半球散射增大。
当尺度参数很小时，米散射结果可以简化为瑞利散射；当尺度参数很大时，它的结果又与几何光学结果一致；而在尺度参数比较适中的范围内，只有用米散射才能得到唯一正确的结果。
所以米散射计算模式能广泛地描述任何尺度参数均匀球状粒子的散射特点。
19世纪末，英国科学家瑞利首先解释了天空的蓝色：在清洁大气中，起主要散射作用的是大气气体分子的密度涨落。
分子散射的光强度和入射波长四次方成反比，因此在发生大气分子散射的日光中，紫、蓝和青色彩光比绿、黄、橙和红色彩光为强，最后综合效果使天穹呈现蓝色。
米散射理论基础
米散射（Mie scattering）; 又称“粗粒散射”。
粒子尺度接近或大于入射光波长的粒子散射现象。
德国物理学家米(Gustav Mie,1868—1957)指出, 其散射光强在各方向是不对称的,顺入射方向上的前向散射最强。
粒子愈大, 前向散射愈强。
米散射当球形粒子的尺度与波长可比拟时，必须考虑散射粒子体内电荷的三维分布。
此散射情况下，散射粒子应考虑为由许多聚集在一起的复杂分子构成，它们在入射电磁场的作用下,形成振荡的多极子,多极子辐射的电磁波相叠加，就构成散射波。
又因为粒子尺度可与波长相比拟，所以入射波的相位在粒子上是不均匀的，造成了各子波在空间和时间上的相位差。
在子波组合产生散射波的地方，将出现相位差造成的干涉。
这些干涉取决于入射光的波长、粒子的大小、折射率及散射角。
当粒子增大时，造成散射强度变化的干涉也增大。
因此，散射光强与这些参数的关系,不象瑞利散射那样简单,而用复杂的级数表达，该级数的收敛相当缓慢。
这个关系首先由德国科学家G.米得出，故称这类散射为米散射。
它具有如下特点：①散射强度比瑞利散射大得多，散射强度随波长的变化不如瑞利散射那样剧烈。
随着尺度参数增大，散射的总能量很快增加，并最后以振动的形式趋于一定值。
②散射光强随角度变化出现许多极大值和极小值，当尺度参数增大时，极值的个数也增加。
③当尺度参数增大时，前向散射与后向散射之比增大，使粒子前半球散射增大。
当尺度参数很小时，米散射结果可以简化为瑞利散射；当尺度参数很大时，它的结果又与几何光学结果一致；而在尺度参数比较适中的范围内，只有用米散射才能得到唯一正确的结果。
所以米散射计算模式能广泛地描述任何尺度参数均匀球状粒子的散射特点。
19世纪末，英国科学家瑞利首先解释了天空的蓝色：在清洁大气中，起主要散射作用的是大气气体分子的密度涨落。
分子散射的光强度和入射波长四次方成反比，因此在发生大气分子散射的日光中，紫、蓝和青色彩光比绿、黄、橙和红色彩光为强，最后综合效果使天穹呈现蓝色。
气象学整理最终版
第一章—引论1、天气与气候的区别与联系、气候系统的概念；答：天气是气候的基础，气候是天气的总结与概括。
一个完整的气候系统应包括对气候形成、分布和变化有直接或间接影响的各个环节，除太阳辐射这个主要能源外，气候系统包括大气圈，水圈，冰雪圈，陆地表面和生物圈等五个子系统。
2、大气的分层：分为几层？各层温度随高度变化的特点及其原因？答：分为五层，分别是对流层，平流层，中间层，热层，散逸层。
对流层：气温随高度增加而降低。
由于对流层主要是从地面得到热量，因此气温随高度增加而降低。
平流层：气温最初保持不变或微有升。
约30KM以上，气温随高度增加而显著升高，在55KM高度达到-3摄氏度。
因为平流层存在着臭氧。
中间层：气温随高度增加而迅速下降。
原因是由于中间层没有臭氧，而氮和氧等气体所能直接吸收的那些波长更短的太阳辐射又大部分被上层大气吸收掉了。
热层：气温随高度增加而迅速增高。
因为波长小于0.175微米的太阳紫外辐射都被该层中的原子氧、氮所吸收的缘故。
散逸层：气温随高度增加很少变化。
因为散逸层距离地心较远，地心引力较小。
3、对流层的三个主要特征是什么？什么是气温直减率？答：三个主要特征是：1、气温随高度增加而降低。
由于对流层主要是从地面得到热量，因此气温随高度增加而降低。
2、垂直对流运动。
由于地表面的不均匀加热，产生垂直对流运动。
对流运动的强度主要随纬度和季节的变化而不同。
一般情况是：低纬较强，高纬较弱；夏季较强，冬季较弱。
因此对流层的厚度从赤道向两极减小。
空气通过对流和湍流运动，高、低层的空气进行交换，使近地面的热量、水汽、杂质等易于向上输送，对成云致雨有重要的作用。
3、气象要素水平分布不均。
由于对流层受地表的影响最大，而地表面有海陆分布、地形起伏等差异，因此在对流层中，温度、湿度等的水平分布是不均匀的。
平均而言，高度每增加100m，气温则下降0.65摄氏度，被称为气温直减率。
4、臭氧的功用及在大气中的分布特点？大气气溶胶的作用？答：臭氧能大量吸收太阳紫外线，使臭氧层变暖，影响大气温度的垂直分布，从而对地球大气环流和气候的形成起着重要的作用。