粒子光散射的幾何光學(xué)近似方法研究.pdf

1、大量的工業(yè)過程（如燃燒、流體、化學(xué)反應(yīng)等）、大氣測量、環(huán)境檢測等許多領(lǐng)域要求對微小粒子的形狀、濃度、光學(xué)特性及尺寸分布進(jìn)行快速準(zhǔn)確的測量。作為粒子光散射研究中的一種近似算法，幾何光學(xué)近似方法（Geometrical-optics approximation，簡稱GOA）具有計算速度快，程序結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，在計算大尺寸粒子和非均勻粒子的散射強(qiáng)度時尤其明顯，因此GOA方法在粒度在線測量中具有獨特優(yōu)勢。同時，對于一些結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜的粒子，在嚴(yán)格

2、的電磁散射理論求解困難時，幾何光學(xué)近似方法可以相對簡單地得到其散射強(qiáng)度分布。本文將在均勻球粒子GOA方法的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究梯度折射率球粒子對平面波和在軸高斯波束散射的GOA方法；利用光線追跡方法研究均勻橢球粒子的幾何光學(xué)彩虹角；開展了非同軸無限長柱光散射的GOA方法研究。本文主要研究工作和成果如下： 1．在均勻球粒子散射GOA方法基礎(chǔ)上，總結(jié)了具有一定普遍性的GOA方法算法實現(xiàn)流程；研究了粒子光散射理論中的散射角間隔選擇方法，基

3、于這種方法給出了GOA方法中的最大入射角間隔計算公式，提高了GOA方法的計算效率。 2．推導(dǎo)了梯度折射率球粒子對平面波散射的GOA方法，選擇了合適的數(shù)值算法有效地解決了散射角公式和光程公式中的奇異積分問題；針對兩種典型的折射率模型，分別研究了前向散射GOA方法的有效范圍；比較了Mie理論、Debye級數(shù)和GOA方法的計算速度。在此基礎(chǔ)上，利用GOA方法計算了梯度折射率球粒子對平面波全角度散射強(qiáng)度分布。 3．將梯度折射率球

4、粒子對平面波散射的GOA方法擴(kuò)展到在軸高斯光束入射的情況。對于梯度折射率球粒子，推導(dǎo)出了高斯波束入射情況下的散射角和相位公式，給出了算法流程，得到了各階散射光線在特定角度的散射振幅函數(shù)；最終得到了在軸高斯波束入射梯度折射率球的散射強(qiáng)度分布。 4．基于光線追跡方法，推導(dǎo)了適用于任意長短軸之比橢球的光線追跡公式，研究了平面波正入射和斜入射到長短軸比較大橢球的條件下一階幾何光學(xué)彩虹角隨著長短軸比的變化關(guān)系。研究結(jié)果表明，對于平面波入射