米散射程序

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【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。

(东南大学热 能工程研究所 , 南京 210096)
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(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（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。

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。

万方数据
２０
大 气与 环境光学学报
５卷
ｈａｂｉｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｌｉｂＲａｄｔｒａｎ ｈａｖｅ ｂｅｔｔｅｒ ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ ｔｈａｎ Ｍｉｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｓｐｈｅｒｅ ｉｃｅ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ＳＢＤＡＲＴ．Ａ ｐｒｅ－ｃｏｍｐｕｔｅｄ ｌｏｏｋ－ｕｐ ｔａｂｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｒｅｔｒｉｅｖｉｎｇ ｉｃｅ ｃｌｏｕｄｓ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ
３ 水云的模拟
３．１理论基础 在辐射传输计算中需要的云粒子光学特征包
括消光系数触ｔ，单次散射反照率ｕ以及不对称因
子ｇ．Ｈｕ和Ｓｔａｍｎｅｓ运用Ａｃｋｅｒｍａｎ和Ｓｔｅｐｈｅｎｓ 的非线性拟合方法并将其扩展到整个短波至长波 区域，得到消光系数、单次散射反照率和不对称 因子的参数化形式【７】如下
风ｘｔ／ＬＷＣ＝ａ１％ｂ１＋ｃｌ
１ｉｂＲａｄｔｒａｎ模式中同时包含了水云和冰云选 项，定义水云或冰云微物理性质最简单的方式是 指定水云或冰云液水含量和有效水滴／粒子半径 的垂直廓线，这些特征可以根据云的高度或者云 的层次来指定。同时还可以指定云的微物理特征 转化成光学特征的方法。水云有两种转化方式， 一种是Ｈｕ和Ｓｔａｍｎｅｓ的参数化方案【７】，另一种是 米散射计算方案。缺省设置为Ｈｕ和Ｓｔａｍｎｅｓ的参 数化方案．
在ＳＢＤＡＲＴ模式中可以通过指定有效粒子 半径ｎｒｅ来设置水云和冰云，当ｎｒｅ＞０时，模式 选择球形水滴的米散射光学参数，竹ｒｅ＜０则选择 球形冰晶的米散射光学参数。程序中分别存放了 由Ｗｉｓｃｏｍｂｅ的米散射代码计算得到的冰晶粒子 和水滴的辐射特性，包括平均消光系数、单散射 反照率和不对称因子，其中有效半径分布满足修 正后的ｇａｍｍａ分布．波长取值范围是０．２９—３３３．３３

的后 向散射能量 ，该能量 的大小与雷达的波长、
水成物粒子在大气 中的相态、大小 、空间取向、
报业务 中广泛使用 的常规地基天气雷达 ，对含有
大水滴的浓密云区有一定的探测能力 ，主要是用 于雨 区观测 ， 不能对水成物粒子较小的薄云或非 降水 云进行有效探测［，毫米波气象 雷达则可以 ４ 】 弥补这一缺陷，可 以有效地探测薄云 以及非降水 云内粒子群 的雷达 回波和速度的空间分布特征［ ５ 一
：
． ２ ｅ ｘ
（
（） １
式 中 Ｐ是雷达发射功率 ， 是雷达波长，Ｇ 、 ｔ 、０ 妒 ｈ 、 分别是雷达天线增益、水平波束宽度 、垂直 波束宽度 以及脉冲宽度 ， 是距离 处的衰减系 数 ， ） Ⅳ 为单位体积 内直径在 ［ Ｄ ｄ ］ 围内 Ｄ， ＋ Ｄ 范 的水成物粒子个数 ，盯Ｄ 为直径为 Ｄ的粒子雷达 （）
结构 框 图 、运行 环境 、编 程语 言及 程序 结 构 ，并
与国外 Ｑ ｉ ｂ ａ ｔ１ ｕｃ ｅｍ 软件进行简要的功能对 比。 ｋ
分析中考虑可能发生的影响因素 ，并有助于在多
源探测 资料融合中利用其他来源的大气环境资料
２ 云降水雷达观测和衰减订正理论
２１ 雷达气 象 方程 ．
来进一步提高从雷达资料反演未知信息的精度。
Ⅳ（ ＝ａ Ｄ） Ｄ （７ １）
那么水成物含量与空气的混合比为：
Ｄ
， 且用来计算水成物粒子的米散射特
ｒｔｏ＝ ａｉ
Ｄ ｄ
＝
叫 ｍ
：
Ｄ ｌ＋） ｄ ＋ ｆ ｂ １
竺！ ！ ：
２４ 水 成物 滴谱 ．
Ｐ （＋ ＋ ａ１ ｂ ）
Ｓ Ｒ Ｄ可 以选用修正伽马分布、 ｉ Ａ ｍ 指数分布、 幂 函数分布 、均匀分布等四种分布 函数中的一种

大气探测学_国防科技大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年1.雾的水平能见度小于1.0km。

参考答案:正确2.全天空成像仪WSI可以实现云量的昼夜连续观测。

参考答案:错误3.云幕灯在白天和夜间均可实现云底高度的测量。

（X）参考答案:错误4.积云云块垂直向上发展不旺盛，厚度小于其水平宽度，从侧面看似小土包，为淡积云。

参考答案:正确5.由于自身冷却或气团沿锋面缓慢抬升而形成的云常呈均匀幕状为（）参考答案:层状云6.在红外波段，以下哪些不是主要的吸收气体？参考答案:氧气（O2）7.在微波波段，氧气的强吸收带位于（）和118GHz附近，通常用来遥感大气温度廓线。

参考答案:60GHz附近8.在微波波段，水汽的强吸收带位于（），通常用来遥感大气湿度廓线。

参考答案:183GHz附近9.降水现象是指（）的水凝（冻）物从空中下落到地面上的现象参考答案:固态_混合态_液态10.利用同一时刻由前向散射仪接收到的（）与雨水检测器接收到的降水强度之比可以区分降水类型。

参考答案:散射光强11.全天空成像仪WSI采用双可见光波段法测量云量，即通过测量天空（）两个窄可见光波段的辐射值确定云量。

参考答案:650nm和450nm12.冷镜式露点仪是目前唯一一种可以在全温湿量程范围内达到较高准确度的测湿仪器，一直作为湿度标准器。

参考答案:正确13.风杯响应风速的变化是一个一阶过程，且响应风速上升和下降的时间常数不同，因此造成“过高效应”。

参考答案:错误14.“日晕三更雨，月晕午时风”描述的下列哪类云的特征？参考答案:卷层云15.下述云中，不属于低云族的是（）参考答案:Ac tra16.激光气象雷达通常由（）等组成。

参考答案:控制与数据处理单元_供电单元_光学接收单元_数据采集单元17.激光气象雷达可以用于探测（）。

参考答案:云底高_风廓线_气溶胶种类_湿度廓线18.散射辐射=总辐射-直接辐射参考答案:正确19.层积云属于一种典型的积状云。

米散射激光雷达系统的校准与调试杨昭【摘要】为了研究大气米散射激光雷达系统的光学结构参数对探测结果的影响,采用模拟计算方法得到各种参数条件下相对接收信号强度随距离的分布图,并对相应的校准与调试方法做出探讨.结果表明,为达到设计要求,100m处激光束的光斑须调整到不超过25mm;对1000m处的硬目标校准时,发射与接收轴间夹角误差为2.2μrad,此时激光束发散角包含于望远镜的接收视场范围内.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2008(032)001【总页数】3页(P92-94)【关键词】激光技术;米散射激光雷达;光学校准;调试方法;气溶胶【作者】杨昭【作者单位】连云港师范高等专科学校,物理系,连云港,222006【正文语种】中文【中图分类】TN958.98引言米散射激光雷达是一种主动式光学遥感设备，由于使用探测束的波长较短且定向性强，它具有很高的空间、时间分辨能力及探测灵敏度，目前已经成为探测大气气溶胶物理-光学性质的一个重要手段[1-2]。

通过对回波信号的探测和反演处理，可得到许多大气参量的分布特征。

回波信号虽然直接决定于大气成分、气溶胶及云层的即时分布，但激光雷达系统相关参数的变化也会对回波信号产生较大影响，导致反演精度降低。

本文中通过模拟计算给出各种不同参数对相对接收信号强度的影响，并对系统光学结构的调试方法做出探讨。

1 米散射激光雷达系统大气米散射激光雷达系统主要包括激光发射单元、接收单元、信号探测单元和数据采集单元[3]，发射及接收单元的光学结构参数见表1。

发射单元中采用二极管抽运Nd∶YVO4固体激光器作激光光源，它通过声光Q开关输出波长1064nm、脉宽100ns以下的短脉冲激光束。

此外，该单元中有一个40倍率扩束镜，可以对窄脉冲激光束进行扩束，使其达到ANSI[4]Z136.1-1986中对人眼激光曝光量的安全要求标准。

接收单元的主要部分是一台美国MEADE公司生产的施密特-卡塞格林型反射式望远镜，主镜为直径254mm的抛物面；副镜为直径94mm的双曲面；组合焦距85cm。

程序设计综合课程设计：瑞利散射导言瑞利散射是一种传播介质中常见的光学现象，它描述了入射电磁波在微粒（通常为粒径远小于波长的微小颗粒）上的散射现象。

瑞利散射广泛应用于雷达、天气预测、空气质量监测等领域。

在程序设计综合课程设计中，我们将通过编写一个瑞利散射模拟程序，来加深对瑞利散射现象的理解和应用。

瑞利散射的原理瑞利散射通常发生在粒径远小于入射光波长的颗粒上，如大气中的气溶胶粒子（尘埃、烟尘等）。

当入射光波遇到这些微粒时，会导致光的散射现象。

瑞利散射的强度与入射光波长有关，波长越短，散射现象越明显。

根据瑞利散射的理论推导，入射光波经过散射后，散射波正比于散射体的粒径的4次方，并与入射波的振幅反比。

除此之外，瑞利散射还具有独特的偏振特性，即散射后的光呈现出偏振态。

瑞利散射模拟程序设计1. 设计需求我们的瑞利散射模拟程序需要具备以下功能：•输入入射光的波长和入射角度。

•根据散射体粒径，计算散射波的强度。

•绘制入射光和散射波的幅度图谱。

•绘制入射光和散射波的偏振图谱。

2. 数据处理首先，我们需要从用户处获取入射光的波长和入射角度。

这些信息将作为程序的输入，并被用于计算散射波的强度。

同时，我们也需要用户提供散射体的粒径，用于模拟散射现象。

散射波的强度计算可以使用瑞利散射的数学模型，根据散射体的粒径和入射光的波长进行计算。

计算结果将表示为相对强度，用于绘制波峰波谷分布图。

3. 绘图功能我们可以使用Python中的绘图库来实现绘图功能。

通过绘制入射光和散射波的幅度图谱，我们可以观察到入射光在散射体上的散射现象。

同时，绘制入射光和散射波的偏振图谱，则可以展示散射光的偏振特性。

4. 用户界面设计为了方便用户操作，我们可以设计一个用户界面，将输入和输出结果直观地展示给用户。

用户界面可以提供输入框、按钮等控件，用于用户输入参数和触发计算。

同时，将绘制的图谱展示在界面上，让用户可以直观地观察瑞利散射现象。

总结通过程序设计综合课程设计中的瑞利散射模拟程序，我们可以更好地理解和应用瑞利散射现象。

2. MODTRAN简介
2.1 MODTRAN及特点
(1)模式选择性强。可任意选择 LOETRAN7或MODTRAN辐射 传输模式，在选择的模式下，可以计算吸收物质的路径透射比、
大气辐射率、单次 (多次 )散射的太阳/月亮辐射率和直接透过的太
阳辐射等；
(2)辐射过程几乎考虑了大气中所有大气分子的吸收、散射和气
3.1 MODTRAN的使用
边界温度。执 行模式选择计 算路径的透射 率和辐亮度或 计算大气辐亮 度和太阳/月亮 散射辐亮度时 ，对应地表或 云表面
地表反照 率设置。
3. MODTRAN的使用
3.1 MODTRAN的使用
地表高程
3. MODTRAN的使用
3.1 MODTRAN的使用
观测参数 设置 波长范围 设置
2.2 MODTRAN构成
2. MODTRAN简介
2.2 MODTRAN构成
CARD CARD1 CARD1A CARD1A1 CARD1A2 CARD1A3 CARD2 CARD2C CARD3 CARD3A1 必选/可选 必选 必选 可选 可选 可选 必选 可选 必选 可选 功能 主要辐射传输的驱动 控制DISORT算法 TOA太阳辐照度数据库的选择 选择波段模式参数文件 选择指定仪器的响应函数 气溶胶模式以及云雨模式的选择 大气层数以及读取指定文件的大气模式 定义几何路径参数 太阳的散射几何条件以及气溶胶散射相函数
内容提纲
1 大气辐射传输简单介绍
2 MODTRAN简介 3
MODTRAN的使用
3. MODTRAN的使用
3.1 MODTRAN的使用
3. MODTRAN的使用
3.1 MODTRAN的使用
MODTRAN Input →Model Atmosphere

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（Miescattering）;又称“粗粒散射”。

粒子尺度靠近或大于入射光波长的粒子散射现象。

德国物理学家米(GustavMie,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较时，一定考虑散射粒子体内电荷的三维分布。

此散射状况下，散射粒子应试虑为由很多齐集在一同的复杂分子构成，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对比较，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预。

这些干预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预也增大。

所以，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，该级数的收敛相当迟缓。

这个关系第一由德国科学家G.米得出，故称这种散射为米散射。

它拥有以下特色：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激烈。

跟着尺度参数增大，散射的总能量很快增添，并最后以振动的形式趋于必定值。

②散射光强随角度变化出现很多极大值和极小值，当尺度参数增大时，极值的个数也增添。

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，米散射结果能够简化为瑞利散射；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，只实用米散射才能获得独一正确的结果。

所以米散射计算模式能宽泛地描绘任何尺度参数均匀球状粒子的散射特色。

世纪末，英国科学家瑞利第一解说了天空的蓝色：在洁净大气中，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，所以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，最后综合成效使天穹体现蓝色。

3. 2 苏州对流层大气气溶胶典型测量结果 、分析 大气的消光特性反映了大气分子和气溶胶的密度 、尺度谱分布等 ,而气溶胶的分布及其动态变化规律直 接联系天气的状况. 2007年至 2008年间 ,我们应用该 1064 nm 波长的微脉冲激光雷达给出了苏州上空整个对流层气溶胶的 垂直消光系数分布的典型探测结果.
表 1 米散射激光雷达系统主要参数指标
Pa ram e te rs
V a lue s
图 1 米散射激光雷达系统结构图
Em itted parameters: L a se r Laser wavelength Pulse energy Pulse w idth Beam divergence Op tical efficiency
光学接收单元由望远镜和后继光路单元组成. 光学接收望远镜为 Schim idt Cassegrain型 ,抛物面的主镜 直径为 254 mm. 后继光路包括 F = 3. 3的目镜 、透镜 、滤光片. 窄带干涉滤光片 (2 nm )用于压低天空背景噪声 和环境噪声 ,从而获得较大的接收信噪比.
信号接收和数据采集单元包括探测器和数据采集卡. 探测器为采用单光子计数模式的硅雪崩光电二极
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 激光雷达的系统装置
激光雷达系统的收发结构如图 1,主要是由激光发射单元 ,光学接收单元 ,信号接收与数据采集单元四 部分组成. 激光雷达的激光发射单元包括二极管泵浦的 Nd: YVO4 锁模调 Q 固体激光器和扩束镜. 工作在基 模的激光器所发出的 1064 nm 的近红外光经过 40倍的扩束镜进行光斑扩束后射向大气中.