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复杂粒子体系对波束的散射及其应用

专 业: 光学
关键词: 电磁散射 粒子体系 波束散射 各向异性介质 散射系数 散射特性 散射强度
分类号: TN011
形 态: 共 144 页 约 94,320 个字 约 4.512 M内容
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内容摘要


粒子对波束的电磁(光)散射作为国际研究热点领域之一,在粒度分析、生物医学、环境检测、宇宙遥感等领域中广泛应用。

对平面波和三维高斯波束入射各向同性球和圆柱的散射研究已有大量报道。

但是,粒子或多粒子对其它类型波束散射,以及各向异性介质粒子对波束散射仍然值得进一步研究。

本文围绕复杂粒子体系对有形波束散射这一具有重要理论意义及应用前景的课题开展研究。

主要成果如下:

1.导出了多层圆柱对二维高斯波束的散射系数Debye series解,理论证明了该方法与广义米理论(GLMT)散射系数数学公式的一致性关系:

分析了Debye series分量描述的双层圆柱的彩虹散射强度。

数值计算了圆柱和波束参数对散射强度分布的影响;利用Debye series分量讨论了双层圆柱的折射率和半径对双一阶彩虹的影响。

2.详细推导了球和圆柱坐标系中两种矢量波函数的相互转化关系;导出了在轴和离轴二维高斯波束在球坐标系中的波形因子,该方法避免了复杂积分,提高了计算效率。

利用二维高斯波束入射场,内场和散射场的球矢量波函数展开,结合边界条件,获得了散射系数的表达式。

以水滴和有核血细胞为例,数值计算了分层球对二维高斯波束的散射,分析了粒子和波束参数对散射强度的影响。

3.研究了高斯波束入射各向异性球粒子的散射特性。

采用傅立叶变换和球矢量波函数表示了内场和散射场;结合边界条件,推导了波束入射情况下散射系数的表达式,以及各向异性球内场各特征波场分量的表述式。

数值计算了在轴和离轴高斯波束入射各向异性球时散射强度、内场和表面场的空间分布,讨论了波束参数、介电参数对其分布的影响。

将该方法推广到导体各向异性涂层球的散射研究,计算了涂有磁化等离子体层的导体球散射强度分布。

4.研究了厄米高斯波束入射多层球和圆柱的散射特性。

推导并证明了旁轴波动方程的解与复源点方法之间的一致性关系。

基于复源点方法描述的多模高斯波束场,结合球和圆柱矢量波函数展开方法,导出了二维和三维高阶厄米波束的波形因子;数值计算了多层球和圆柱对厄米高斯波束的散射特性,讨论了球、圆柱参数和波束参数对高阶(多模)场散射强度角分布的影响。

5.基于矢量波函数展开和蒙特卡罗(MC)方法,研究了高斯波束入射单个和多个带电球粒子的散射传输特性。

详细推导了单个带电球粒子的散射系数;并采用矢量波函数展开方法结合矢量波函数的加法定理导出了高斯波束入射多个带电\不带电球粒子的散射系数:

提出了用MC模拟高斯波束的抽样方法。

以星际空间带电Carbon粒子和极区中层的带电冰晶粒子为例,讨论了带电量对粒子体系散射特性的影响..……

全文目录


文摘
英文文摘
第一章 绪论
1.1研究背景及意义
1.2球和圆柱散射的研究进展
1.2.1球和圆柱对平面波散射特性研究现状
1.2.2球和圆柱对波束散射特性研究现状
1.2.3球和圆柱对复源点波束散射特性研究现状
1.2.4各向异性球和圆柱对电磁波散射特性研究现状
1.2.5多球粒子体系对电磁波散射特性研究现状
1.3论文主要内容及框架
第二章 矢量波函数和波束基本理论
2.1引言
2.2麦克斯韦方程与球和圆柱矢量波函数
2.2.1电磁场波动方程
2.2.2球坐标系下标量和矢量波函数及其正交关系
2.2.3圆柱坐标系下标量和矢量波函数及其正交关系
2.3波束类型
2.3.1高斯波束
2.3.2其它类型的波束
2.4 Davis波束理论和复源点理论及其关系
2.4.1 Davis电磁波束理论
2.4.2复源点理论
2.4.3旁轴近似修正解与复源点球面波之间的关系
2.5本章小结
第三章 多层圆柱对二维高斯波束的Debye series解
3.1引言
3.2二维高斯波束
3.2.1二维高斯波束场角谱展开表达式
3.2.2二维高斯波束场的波形因子
3.3多层圆柱对二维高斯波束的Debye series展开
3.3.1电磁波垂直入射均匀圆柱时的势函数
3.3.2垂直入射时部分波反射和透射的Fresnel系数
3.3.3二维高斯波束入射均匀圆柱的Debye series散射系数
3.3.4二维高斯波束入射双层圆柱的Debye series散射系数
3.3.5二维高斯波束入射多层圆柱的Debye series散射系数
3.4多层圆柱Debye series展开与GLMT之间的关系
3.4.1均匀圆柱Debye series展开与GLMT的关系
3.4.2多层圆柱Debye series展开与GLMT的关系
3.5数值计算与结果讨论
3.5.1圆柱对在轴二维高斯波束的散射强度和Debye series分量
3.5.2圆柱对离轴二维高斯波束的散射强度和Debye series分量
3.5.3双层圆柱对二维高斯波束的散射强度和Debye series分量
3.5.4 Debye series展开描述双层圆柱的彩虹现象
3.6本章小结
第四章 多层球粒子对二维高斯波束的散射
4.1引言
4.2球矢量波函数与圆柱矢量波函数之间的关系
4.2.1圆柱矢量波函数用球矢量波函数展开推导
4.2.2球矢量波函数用圆柱矢量波函数展开推导
4.3二维高斯波束球坐标系中的波形因子
4.3.1在轴二维高斯波束的波形因子
4.3.2离轴二维高斯波束的波形因子
4.4球粒子对二维高斯波束的散射
4.4.1均匀球对在轴二维高斯波束的散射系数与散射强度
4.4.2多层球对在轴和离轴二维高斯波束的散射系数与散射强度
4.5数值计算与结果讨论
4.6本章小结
第五章 各向异性球粒子对高斯波束的散射
5.1引言
5.2高斯波束波形因子
5.2.1高斯波束用球矢量波函数展开
5.2.2波形因子的局域近似解
5.3各向异性球内部电磁场的球矢量波函数展开
5.3.1介质分类及其本构矩阵
5.3.2各向异性介质中的波动方程及其矢量波函数展开
5.4均匀和导体各向异性涂层球对高斯波束的散射
5.4.1均匀各向异性球的散射场和内场展开系数
5.4.2导体涂层球的散射场
5.4.3散射强度公式
5.4.4在轴高斯波束入射时的内场、表面场分量表达式
5.5单轴各向异性介质和磁化等离子体球散射特性数值分析
5.5.1在轴高斯波束入射各向异性球的散射强度分布
5.5.2磁化等离子体球的内场和表面场分布
5.5.3离轴高斯波束入射各向异性球的散射强度分布
5.5.4高斯波束入射导体等离子体涂层球的散射强度分布
5.6本章小结
第六章 多层球和圆柱对厄米高斯波束的散射
6.1引言
6.2厄米高斯波束
6.2.1二维厄米高斯波束的复源点描述
6.2.2三维厄米高斯波束的复源点描述
6.3三维和二维厄米高斯波束的波形因子
6.3.1三维厄米高斯波束球坐标系中的波形因子
6.3.2二维厄米高斯波束的偶极子场在圆柱坐标系中的波形因子
6.3.3二维厄米高斯波束的偶极子场在球坐标系中的波形因子
6.4多层球和圆柱对厄米高斯波束的散射
6.4.1多层球对多模厄米高斯波束的散射
6.4.2多层圆柱对多模二维厄米高斯波束的散射
6.5数值计算与结果讨论
6.5.1多层球对三维厄米高斯波束的散射和辐射力计算
6.5.2多层圆柱对二维厄米高斯波束的散射计算
6.6本章小结
第七章 带电多球粒子对平面波/高斯波束的散射传输特性
7.1引言
7.2单个带电球粒子对平面波/高斯波束的散射
7.3带电多球粒子对高斯波束散射
7.4波束入射多球粒子体系散射特性数值分析
7.4.1单个带电球粒子对平面波/高斯波束的散射计算
7.4.2多个球粒子对平面波/高斯波束的散射计算
7.5 MC模拟高斯波束入射随机分布粒子层的传输特性
7.5.1基于辐射传输理论的MC模拟
7.5.2高斯波束的抽样
7.5.3 MC计算尘埃粒子层反射和透射特性
7.6本章小结
第八章 结束语
参考文献

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中图分类: > TN011 > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 一般性问题 > 基础理论 > 电波传播、传播机理

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