[发明专利]一种外混合气溶胶光散射特性的计算方法

说明书

本发明涉及一种外混合气溶胶光散射特性的计算方法，其特征在于包括如下步骤：1)各类型气溶胶单次散射特性计算；2)光子状态初始化：确定光子首次发生散射的位置P₁点的坐标；3)按各类型气溶胶粒子的个数混合比抽样选择碰撞的气溶胶类型：4)光子位置和光能量传输跟踪；5)光子接收判断；6)计算外混合气溶胶的各次散射特性。本发明的外混合气溶胶光散射特性的计算方法，可根据不同成分气溶胶组成的外混合粒子个数的混合比例，应用蒙特卡洛法对光在外混合气溶胶中的传输过程进行模拟仿真，并进一步考虑了不同气溶胶粒子对光的散射和吸收作用，即可得到外混合气溶胶粒子的各次光散射特性。

技术领域

本发明涉及大气光学和激光传输领域的气溶胶光散射特性计算方法，特别是一种外混合气溶胶光散射特性的计算方法。

背景技术

实际大气气溶胶是由多种成分混合而成的，大气中的气溶胶粒子按照产生来源可以分为自然因素和人为因素两个方面。自然因素主要来源于常见的自然现象，比如火山喷发、沙尘暴天气等。人为因素主要来源于煤炭等矿物质燃料的燃烧，随着工业化进程的推进，人为因素导致的排放到大气中的气溶胶粒子越来越多，其产生的黑碳和硫酸盐气溶胶占据了大气总气溶胶粒子的主要部分。因此实际大气中的气溶胶类型比较复杂，主要包括黑碳、硫酸盐、沙尘和硝酸盐等。不同类型的气溶胶具有不同的散射特性，气溶胶粒子的散射特性是影响光传输的关键因子。当光在大气中传输时，会受到上述不同类型粒子组成的外混合气溶胶散射特性的影响，尤其是当大气中气溶胶粒子密度较大时，外混合气溶胶粒子之间的多次散射特性不可忽略，多次散射特性也是影响光传输的关键因子。

近年来，国内外相关学者从不同的角度采用不同的方法对气溶胶多次散射特性进行了研究。对于多次散射特性，人们已经提出很多研究方法，如逐次迭代方法，以及建立于辐射传输方程的离散坐标法、球谐函数法、倍加累加法和蒙特卡洛法等。蒙特卡洛法作为处理光传输问题的常用方法，被广泛应用于光在多种介质的传输问题中，只要光子选取的足够多，便能够准确地模拟光子的多次散射问题。目前应用蒙特卡洛法研究外混合气溶胶多次散射特性时，为了方便起见，常用粒子的等效折射率来计算。然而由于外混合气溶胶的等效性较差，因此应用等效折射率来计算就会将产生较大的误差。

因此，本发明结合实际大气中的气溶胶类型，考虑不同类型气溶胶粒子的散射特性，应用蒙特卡洛法对光在外混合气溶胶中的传输过程进行模拟仿真，即可得到外混合气溶胶的光散射特性，该方法将方便所有研究外混合气溶胶散射特性的学者进行应用，并对研究大气传输特性具有十分重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种在考虑单个不同类型气溶胶粒子散射特性基础上，计算外混合气溶胶光散射特性的方法，该方法将方便研究光在外混合气溶胶中传输特性。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种外混合气溶胶光散射特性的计算方法，包括如下步骤：

1）气溶胶单次散射特性计算：

根据组成外混合模型中各类型气溶胶粒子的半径大小，应用米散射理论计算不同类型气溶胶粒子的单次散射特性；

2）光子状态初始化：

光子从发射机发出，初始偏转角在光束发散角内均匀发射，在之间均匀分布，则初始偏转角可以抽样表示为：

（1）

式中为区间内均匀分布的随机数；

初始方位角在间均匀分布，可以抽样表示为：

（2）

光子的初始传输方向由和决定，可表示为

（3）