气溶胶颗粒材料光学常数的反演方法研究

来源 :南京航空航天大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:owen_0278
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颗粒材料的光学常数作为一个基本的物性参数,是计算颗粒系的辐射传输问题的基础,对研究飞行器的气溶胶红外隐身具有十分重要的意义。本文以微米级颗粒材料为研究对象,研究了其光学常数的反演方法。在比较和分析国内外常用研究方法的基础上,提出了本文的反演思路:在独立散射的前提下,基于Mie理论和K-K关系式,根据透过率光谱和颗粒系的粒径、浓度、厚度等信息对颗粒材料的光学常数进行反演。透过率光谱的获取采用一种概率模拟的方法——Monte Carlo方法。通过调试,本文中基于matlab语言编写的Monte Carlo模拟程序可以模拟计算辐射垂直入射到具有一定辐射参数和厚度的一维无限大平板(由颗粒系组成的介质层)后的透过率、反射率等。通过与国内外文献进行对比,证明了所采用的模拟方法可靠。模拟计算了石墨KS-2、Fe3O4、Fe2O3三种颗粒材料在不同浓度和粒径下的透过率光谱,分析了浓度、粒径和材料对消光效果的影响,也为本文的反演提供了透过率光谱的“拟实验”值。用matlab语言编写了基于Mie理论和K-K关系式的颗粒材料光学常数的反演程序。在对K-K关系式进行简化和验证的过程中发现:由虚部光谱计算实部光谱时,为避免积分项的分母为零,有必要对虚部光谱进行重构;虚部光谱需根据合理的假设由测量段外推到全波段;将原始数据做波长等间隔化处理可使计算结果不出现局部突变。反演过程中将虚部光谱κ(λ)设为自变量,通过使用matlab最小化二乘法优化函数lsqcurvefit调用Levenberg-Marquardt方法,对原始透过率光谱进行拟合,使误差最小化,得到最优解。当给自变量赋不同的初值时,均能得到唯一解,这说明反演方法是可行的。根据Monte Carlo模拟的透过率光谱对三种颗粒材料的光学常数进行反演,得到了它们的光学常数,与文献值进行比较,吻合较好,这说明本文采用的研究方法具有一定的可靠性。
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