小粒子電磁散射的建模和仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用于大氣科學(xué)、醫(yī)學(xué)、物理學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域。本書建立了帶電小粒子的電磁散射求解模型和相關(guān)數(shù)值方法,有效解釋了相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道的一些實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果不符的問題。另外,建立不同結(jié)構(gòu)形式顆粒的等效介質(zhì)理論,大大簡化了復(fù)雜結(jié)構(gòu)顆粒的電磁散射計(jì)算。此外,通過沙塵暴的微波遙感研究,彌補(bǔ)了現(xiàn)有激光雷達(dá)在沙塵暴遙感中的缺陷,實(shí)現(xiàn)了對風(fēng)沙電及沙塵暴結(jié)構(gòu)的遙感測量。本書歸納匯總了相關(guān)計(jì)算方法,以及其在沙塵暴微波遙感中的應(yīng)用方法,適用于從事小粒子電磁散射、大氣輻射學(xué)、沙塵暴遙感等領(lǐng)域的研究生及學(xué)者。
近幾十年來,遙感技術(shù)因其特殊的優(yōu)勢在大氣遙感、地球資源勘查、環(huán)境監(jiān)測、國土軍事安全等領(lǐng)域得到了長足的發(fā)展。在這些應(yīng)用中,一個(gè)最基本的科學(xué)問題就是,對電磁波在介質(zhì)中的傳播特性進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測和仿真,而針對不同結(jié)構(gòu)的球體和橢球體顆粒物電磁散射性質(zhì)的準(zhǔn)確求解,是更為基礎(chǔ)的科學(xué)問題。
同時(shí),沙塵暴、霧霾等災(zāi)害性天氣事件給人類生活、區(qū)域氣候、海洋生態(tài)帶來了許多直接和間接的影響。這類災(zāi)害性天氣現(xiàn)象的監(jiān)測和預(yù)警,對顆粒物電磁散射特性的求解這一科研領(lǐng)域帶來了更多新的科學(xué)問題。例如,氣溶膠顆粒運(yùn)動(dòng)過程的帶電現(xiàn)象是否會(huì)影響其電磁散射性質(zhì)?由帶電氣溶膠誘發(fā)的強(qiáng)度高達(dá)數(shù)百千伏每米的靜電場是否會(huì)對顆粒電磁散射性質(zhì)產(chǎn)生影響?氣溶膠顆粒的帶電現(xiàn)象是否會(huì)對其自身的物理化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響?氣溶膠顆粒在運(yùn)動(dòng)過程中與大氣環(huán)境的化學(xué)反應(yīng)和物理性改變對其光學(xué)性質(zhì)有何影響?這些影響對氣溶膠環(huán)境下的目標(biāo)物遙感測量結(jié)果又有何影響?這些基本問題的回答,有助于促進(jìn)氣溶膠環(huán)境下遙感反演、圖像恢復(fù)等科技領(lǐng)域的發(fā)展,從而對人類社會(huì)的發(fā)展、遙感監(jiān)測、復(fù)雜環(huán)境下的目標(biāo)識(shí)別和無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)產(chǎn)生重要而又積極的作用。
本書主要總結(jié)了作者們近年來從事顆粒物電磁散射性質(zhì)求解建模與仿真、基于風(fēng)廓線雷達(dá)的沙塵暴遙感監(jiān)測等方面的主要研究成果,并引入了部分文獻(xiàn)中的相關(guān)內(nèi)容。書中重點(diǎn)介紹了Mie理論、Rayleigh近似、T矩陣法在顆粒物電磁散射性質(zhì)求解中的應(yīng)用,并首次詳細(xì)介紹了復(fù)雜結(jié)構(gòu)顆粒的等效介質(zhì)理論,以及環(huán)境電場對顆粒物電磁散射性質(zhì)影響的求解方法。通過對以上內(nèi)容的學(xué)習(xí),讀者能了解這一領(lǐng)域相關(guān)研究的基本理論、方法及其進(jìn)展。當(dāng)然,這些內(nèi)容還有大量工作亟待完善,這也是我們今后共同努力的方向,也期望本書能起到拋磚引玉的作用。
本書內(nèi)容安排如下。
第1章概述了沙塵暴對電磁波的衰減作用、環(huán)境電場對介質(zhì)光學(xué)性質(zhì)的影響、等效介質(zhì)理論等內(nèi)容,以期讀者對相關(guān)研究現(xiàn)狀有所了解。
第2章匯總了基本電磁理論方程和不同介質(zhì)中的電磁波方程,是本書相關(guān)理論和方法的基礎(chǔ)知識(shí)。
第3章給出了Mie理論和T矩陣法在求解各向同性均質(zhì)圓球和分層圓球顆粒電磁散射性質(zhì)中的應(yīng)用,以及不同結(jié)構(gòu)、局部帶電、球體顆粒電磁散射性質(zhì)的求解方法和仿真結(jié)果;同時(shí)也討論了顆粒系統(tǒng)中多次散射過程的求解方法,重點(diǎn)介紹了帶電顆粒的T矩陣建立過程,并基于此討論了帶電顆粒系統(tǒng)對入射電磁波多次散射過程的求解。
第4章介紹了Rayleigh近似在求解不同結(jié)構(gòu)、帶電和不帶電小球體粒子電磁散射過程的基本應(yīng)用,并基于Rayleigh近似討論了環(huán)境電場對顆粒光學(xué)性質(zhì)的影響。本章重點(diǎn)介紹了各向同性、各向異性球體帶電顆粒電磁散射性質(zhì)的求解,并討論了表面電荷非均勻分布時(shí)顆粒物電磁散射特性的變化。 第5章討論了非均質(zhì)圓球顆粒等效介質(zhì)理論的建立過程,及其在顆粒電磁散射性質(zhì)求解中的應(yīng)用,同時(shí)也給出了靜電場近似下橢球顆粒等效球體理論的建立過程。
第6章探討了沙塵暴對微波雷達(dá)的影響,主要討論沙塵暴對微波的散射和吸收作用、沙塵暴中微波的傳輸距離等內(nèi)容,并給出了基于微波雷達(dá)反射率反演沙塵暴過程中風(fēng)沙靜電場強(qiáng)度的基本方法。 第7章概述了基于風(fēng)廓線雷達(dá)反演沙塵暴結(jié)構(gòu)參數(shù)的基本方法和基本結(jié)果。 通過以上內(nèi)容的學(xué)習(xí),我們希望讀者可以扎實(shí)掌握現(xiàn)有顆粒物電磁散射特性建模的基本理論和方法,以及復(fù)雜介質(zhì)等效介質(zhì)理論的建立方法,以盡快進(jìn)入這一領(lǐng)域開展自己的特色研究,為祖國科技的發(fā)展與進(jìn)步貢獻(xiàn)自己的力量。
作者 2016年9月 致 謝 本書涉及的部分研究成果是在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(10872082、11302111、11562017、41305035、41305027、41575008、61463043)、教育部科學(xué)技術(shù)研究重大項(xiàng)目(308022)、國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃(2009CB421304)、國家科技部國際合作項(xiàng)目(2011DFA11780)、蘭州大學(xué)西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題、中國沙漠氣象科學(xué)研究基金課題(Sqj2014003)、半干旱氣候變化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題、上海交通大學(xué)先進(jìn)光通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(2013GZKF031306)、寧夏自然科學(xué)基金(NZ12117)、寧夏科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目、寧夏科協(xié)青年科技人才托舉工程專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)的資助下完成的,對此表示真誠感謝。 本書作者李興財(cái)博士想在此特別感謝研究生階段的導(dǎo)師——中國科學(xué)院院士、西安電子科技大學(xué)校長鄭曉靜院士和蘭州大學(xué)謝莉教授一直以來的幫助和指導(dǎo),是她們帶領(lǐng)他進(jìn)入科學(xué)的大門;感謝百年名校蘭州大學(xué)的培養(yǎng);感謝年邁仍在農(nóng)村辛苦勞作的父親李建倉、母親張淑霞的養(yǎng)育之恩,也感謝妻子王娟女士一直以來的陪伴、鼓勵(lì)和支持。
作者 2016年9月
李興財(cái),寧夏中衛(wèi)市人,生于1984年3月。于2001年9月至2011年6月在蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院學(xué)習(xí),獲得工學(xué)博士學(xué)位。主要從事風(fēng)沙電現(xiàn)象的理論建模與實(shí)驗(yàn)測量、顆粒介質(zhì)中的電磁波傳播建模等研究。已發(fā)表學(xué)術(shù)論文10篇,其中SCI收錄4篇。研究方向?yàn)椋海?)風(fēng)沙電現(xiàn)象機(jī)理及其在沙塵暴監(jiān)測預(yù)警中的應(yīng)用;(2)顆粒帶電對電磁波傳播過程的影響;(3)沙塵暴過程重構(gòu)及預(yù)測等。
第1章 緒論 1
1.1 沙塵暴對電磁波的衰減影響 3
1.2 外加強(qiáng)電場對介質(zhì)光學(xué)性質(zhì)的影響 6
1.3 等效介質(zhì)理論 7
1.4 本書主要內(nèi)容 8
參考文獻(xiàn) 9
第2章 不同媒質(zhì)中的電磁場和電磁波方程 17
2.1 均勻各向同性媒質(zhì)中的電磁場與電磁波 18
2.1.1 Maxwell方程組及其場的邊界條件 18
2.1.2 均勻各向同性線性媒質(zhì)中的電磁波動(dòng)方程 20
2.2 均勻、線性各向異性媒質(zhì)中的電磁波動(dòng)方程 22
2.3 不同媒質(zhì)中的靜電場方程及其邊界條件 23
2.3.1 線性各向同性媒質(zhì)中的靜電場 23
2.3.2 電各向異性介質(zhì)中的靜電場 24
2.3.3 靜電學(xué)求解中的邊界條件 25
2.4 平面分層介質(zhì)中的電磁波傳播 25
2.4.1 基本方程 25
2.4.2 在沙塵暴濃度測量方面的應(yīng)用 26
參考文獻(xiàn) 29
第3章 圓球顆粒的Mie散射 31
3.1 不帶電圓球顆粒的Mie散射理論 32
3.1.1 均質(zhì)各向同性圓球顆粒散射的Mie解 32
3.1.2 均質(zhì)各向同性核殼球體顆粒散射的Mie解 38
3.2 帶電均質(zhì)、各向同性圓球顆粒散射的Mie解 40
3.3 帶電分層各向同性圓球顆粒散射的Mie解 45
3.3.1 帶電同心核殼顆粒的電磁散射 45
3.3.2 帶電同心多層球體顆粒的電磁散射 52
3.3.3 帶電偏心多層球體顆粒的電磁散射 60
3.4 各向同性顆粒散射的T矩陣解 62
3.5 各向異性球體顆粒散射的T矩陣解 67
3.6 顆粒系統(tǒng)的多次散射研究 71
3.6.1 Twersky理論的多次散射過程 71
3.6.2 基于T矩陣的多次散射理論 73
3.6.3 基于輻射傳輸理論的多次散射過程計(jì)算 82
3.7 總結(jié) 83
參考文獻(xiàn) 84
第4章 小粒子電磁散射求解的Rayleigh近似 87
4.1 經(jīng)典小球顆粒散射的Rayleigh近似 87
4.2 帶電均質(zhì)、各向同性圓球顆粒的Rayleigh近似 89
4.3 帶電均質(zhì)、各向異性圓球顆粒的Rayleigh近似 93
4.4 非均勻帶電圓球顆粒的電磁散射 105
4.5 帶電均質(zhì)、各向同性弱導(dǎo)體顆粒的電磁散射 108
4.6 外加強(qiáng)電場條件下帶電圓球顆粒的電磁散射 108
4.6.1 極化電荷的影響 108
4.6.2 電光效應(yīng)的影響 122
4.7 總結(jié) 124
參考文獻(xiàn) 125
第5章 非均質(zhì)粒子的等效介質(zhì)理論 127
5.1 不帶電多層圓球粒子的等效介電常數(shù) 128
5.1.1 涂覆球體顆粒 128
5.1.2 多層結(jié)構(gòu)的核殼粒子 131
5.1.3 模型的有效性及其適用范圍 133
5.2 各向異性涂層顆粒的等效介電常數(shù) 134
5.3 帶電多層球體的等效介電常數(shù) 138
5.3.1 帶電各向同性分層球體 138
5.3.2 局部帶電含各向異性涂層顆粒 142
5.4 勻強(qiáng)電場中弱導(dǎo)體顆粒的等效介電常數(shù) 143
5.4.1 弱導(dǎo)體球狀顆粒 144
5.4.2 界面帶電的弱導(dǎo)體球殼顆粒 145
5.5 夾雜顆粒介質(zhì)層的等效介電常數(shù) 146
5.6 橢球等效球體的介電常數(shù)張量 147
5.7 分層顆粒的等效磁導(dǎo)率 149
5.8 總結(jié) 150
參考文獻(xiàn) 151
第6章 沙塵暴對電磁波的衰減 153
6.1 沙塵顆粒的成分 153
6.2 濕沙等介質(zhì)的介電常數(shù) 154
6.2.1 純水的介電常數(shù) 154
6.2.2 鹽水的介電常數(shù) 155
6.2.3 濕沙的介電常數(shù) 155
6.3 沙塵暴中沙粒的粒徑分布函數(shù) 156
6.4 考慮環(huán)境電場及沙粒表面帶電時(shí)沙塵暴對電磁波的衰減 159
6.5 沙塵暴的雷達(dá)反射率及其應(yīng)用 163
6.6 沙塵暴中微波的探測距離 170
參考文獻(xiàn) 174
第7章 基于風(fēng)廓線雷達(dá)的沙塵暴探測分析與應(yīng)用 177
7.1 沙塵暴監(jiān)測方法概述 177
7.2 風(fēng)廓線雷達(dá)探測原理 179
7.2.1 基本探測原理 179
7.2.2 信號處理 180
7.2.3 數(shù)據(jù)處理 181
7.2.4 風(fēng)廓線雷達(dá)的探測特點(diǎn) 183
7.2.5 風(fēng)廓線雷達(dá)與多普勒天氣雷達(dá)、激光雷達(dá)的區(qū)別 183
7.3 風(fēng)廓線雷達(dá)探測沙塵暴外場試驗(yàn) 184
7.3.1 設(shè)備及主要技術(shù)參數(shù) 184
7.3.2 風(fēng)廓線雷達(dá)探測沙塵暴外場試驗(yàn)實(shí)例 185
7.4 風(fēng)廓線雷達(dá)探測沙塵暴的基本特征 186
7.4.1 風(fēng)廓線在沙塵暴天氣分析中的應(yīng)用 187
7.4.2 反射率因子特征 190
7.5 基于風(fēng)廓線雷達(dá)的沙塵暴質(zhì)量濃度定量反演估算 193
7.5.1 沙塵譜的反演 193
7.5.2 沙塵質(zhì)量濃度定量估算 197
7.5.3 反射率因子Z和沙塵質(zhì)量濃度M的關(guān)系 197
7.5.4 實(shí)例分析 198
7.6 總結(jié) 203
參考文獻(xiàn) 203