[发明专利]一种单粒子Mie散射特性的计算机绘图器及绘图方法

说明书

技术领域

本发明涉及数值处理绘图技术领域，特别涉及一种单粒子Mie散射特性的计算机绘图器及绘图方法。

背景技术

Mie散射是求解球形散射体与电磁波场相互作用解析解的经典算法。Mie散射是目前应用广泛的粒子散射的最常用最基础的算法，在处理波长量级粒子散射的问题上有其他理论无可比拟的精度。有意思的是，Mie散射根本不是一个独立的理论，它只是球形介质在麦克斯韦方程组下的解析解。但是由于求解本身的复杂性，所以第一个完美完成求解任务的Gustav Mie成为了经典，他的求解算法被命名为Mie theory。

Mie散射理论给出了对均匀球体在平面单色光照射下的散射光各物理量求得的严格数学解。理论上可以根据其完整公式，严格地得到不同尺度、不同折射率的粒子的散射特性。但是，由于公式中包含了第一类、第三类Bessel函数和Legendre函数等一系列复杂函数，计算量极大，使得数值计算十分困难。目前虽然存在一些Mie散射数值计算方法，但缺乏必要的代码说明，使用起来十分不便。

发明内容

本发明旨在克服现有技术存在的缺陷，本发明采用以下技术方案：

一方面，本发明实施例提供了一种单粒子Mie散射特性的计算机绘图器。所述单粒子Mie散射特性的计算机绘图器包括：

处理模块，所述处理模块将所述Mie散射公式中的复杂函数进行处理，并表达为计算机可以处理的迭代函数形式；

绘图模块，所述绘图模块根据所述处理模块输送的处理后的迭代函数形式进行绘图；

存储模块，所述存储模块将所述绘图模块的绘图进行存储；

输出模块，所述输出模块根据所述存储模块的绘图，在所述处理模块下发输出指令时进行图像的输出和数据调用。

在一些实施例中，所述处理模块包括计算子模块，以及控制器；

所述计算子模块包括a_n/b_n计算模块以及π_n/τ_n计算模块；

所述a_n/b_n计算模块将复折射系数m、尺度参数α作为输入，进行迭代计算，输出a_n/b_n数组，

并根据关于a_n/b_n的函数关系，计算得到单粒子的消光系数Q_ext、散射系数Q_sca；

所述π_n/τ_n计算模块将复折射系数m、尺度参数α、所述a_n/b_n计算模块输出的a_n/b_n数组、消光系数Q_ext、散射系数Q_sca作为输入，结合散射角θ，进行迭代计算，输出π_n/τ_n数组，并根据散射光强函数及相函数关于π_n/τ_n的函数关系，计算、输出单粒子的散射光强函数S、相函数P；

所述控制器与所述计算子模块相连，并对所述计算子模块进行指令输入和输出。

在一些实施例中，所述散射角θ的取值范围为0～180°。

在一些实施例中，所述尺度参数α包括α<3的细模态和α≥3的粗模态。

在一些实施例中，所述控制器判断所述尺度参数α是α<3的细模态还是α≥3的粗模态，并根据不同的尺度参数α对所述计算子模块进行指令输入调用不同的算法计算a_n/b_n数组。

另一方面，本发明实施例还提供了一种单粒子Mie散射特性的计算机绘图器的绘图方法，所述单粒子Mie散射特性的计算机绘图器的绘图方法包括步骤：

将所述Mie散射公式中的复杂函数进行处理，并表达为计算机可以处理的迭代函数形式；

根据所述处理后的迭代函数形式进行绘图；

将所述绘图进行存储；

根据所述存储的绘图，在下发输出指令时进行图像的输出和数据调用。

在一些实施例中，所述步骤：将所述Mie散射公式中的复杂函数进行处理，并表达为计算机可以处理的迭代函数形式，具体为：

将复折射系数m、尺度参数α作为输入，进行迭代计算，输出a_n/b_n数组，