一种海洋中混合悬浮颗粒对蓝绿激光散射特性的计算方法与流程

1.本发明属于海洋激光探测技术应用领域，具体涉及了一种海洋中混合悬浮颗粒对蓝绿激光散射特性的计算方法对蓝绿激光散射特性的计算方法。


背景技术：

2.近些年针对激光在海水中的散射特性的研究越来越受到重视，海水中的悬浮颗粒物对蓝绿激光的散射作用显著，在很大程度上影响着水下激光的传输，因此研究海水中的悬浮颗粒物对蓝绿激光的散射特性显得尤为重要，对水下目标探测识别、水下无线光通信以及海洋遥感等研究领域都具有重要的意义。
3.目前对于海洋中悬浮颗粒光散射的研究大多是针对单一成分的悬浮粒子而进行研究，但在真实海况下悬浮颗粒物都是以多种成分混合的颗粒群形式而存在，因此海洋中一种海洋中混合悬浮颗粒对蓝绿激光散射特性的计算方法对蓝绿激光散射特性的计算方法的研究具有重要意义。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供了一种海洋中混合悬浮颗粒对蓝绿激光散射特性的计算方法对蓝绿激光散射特性的计算方法，解决了现如今海洋中悬浮颗粒光散射的研究大多是针对单一成分的悬浮粒子的现状。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种海洋中混合悬浮颗粒对蓝绿激光散射特性的计算方法，包括如下步骤：
6.步骤1：计算混合悬浮颗粒物中每种成分的单个粒子归一化的消光系数ai，将其作为混合粒子模型的光散射的贡献率。
7.步骤2：根据每种成分在混合悬浮颗粒物中所占的不同比例ni，得到不同类别的悬浮颗粒的粒子数浓度ni(r)。
8.步骤3：将混合比例同贡献率结合考虑计算不同成分的悬浮颗粒物对混合模型的光散射的影响，并计算混合悬浮粒子模型对蓝绿激光的散射特性。
9.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
10.根据真实海水背景建立了更贴近实际海水的混合悬浮颗粒物蓝绿激光散射模型，分析了不同混合物的平均散射、吸收和消光系数以及单次反照率随着粒子有效半径和粒子数浓度变化的影响，以及不同混合比对混合悬浮颗粒物的平均散射相函数随着角度变化的影响，为激光在海水中的目标探测识别、水下无线光通信中的应用进行了进一步的推广，同时可以为反演海水中的悬浮颗粒物成分实验研究提供理论支持和新的思路。
附图说明
11.图1本发明的不同成分的悬浮颗粒物的消光效率因子。
具体实施方式
12.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
13.请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种海洋中混合悬浮颗粒对蓝绿激光散射特性的计算方法，包括如下步骤：
14.步骤1：计算混合悬浮颗粒物中每种成分的单个粒子归一化的消光系数ai，将消光系数ai作为混合粒子模型的光散射的贡献率；
15.步骤2：根据每种成分在混合悬浮颗粒物中所占的不同比例ni，得到不同类别的悬浮颗粒的粒子数浓度ni(r)；
16.步骤3：将混合比例同贡献率结合考虑计算不同成分的悬浮颗粒物对混合模型的光散射的影响，并计算混合悬浮粒子模型对蓝绿激光的散射特性。
17.进一步地，所述步骤1具体按照以下步骤实施：
18.步骤1.1：根据mie米氏理论计算每种成分悬浮单个球形粒子的消光系数，其公式为：
[0019][0020]
公式(1)中粒子尺寸为x＝2πa/λ，其中a为粒子半径，λ为入射波长，散射系数an,bn分别表示为：
[0021][0022]
公式(2)中：m为粒子复折射率；
[0023][0024][0025]
公式中和分别为半奇阶的第一类贝塞尔函数和第二类汉克尔函数，ψ'和ξ'是对各自变量的微商；
[0026]
步骤1.2：计算了不同成分的悬浮单个球形粒子的消光效率因子如图1所示。不同的悬浮颗粒的消光效率因子都是呈现震荡状态的，随着粒子半径的变大，振幅越来越小，最后都趋于稳定；
[0027]
步骤1.3：利用公式(3)对不同的悬浮颗粒的消光系数进行归一化的处理，
[0028][0029]
公式(3)中：q
ext(min)
表示消光效率因子最小值，q
ext(max)
消光效率因子最大值。
[0030]
进一步地，所述步骤2具体按照以下步骤实施：
[0031]
步骤2.1：用幂律分布模型对海洋悬浮颗粒群进行仿真计算，其公式为：
[0032]
n(r)＝n0·
(r/r0)-s
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0033]
公式(4)中，r为等效球形粒子半径，r0是参考粒子半径，n0是个常数，s表示粒径分布律的斜率，n(r)为海洋中的悬浮颗粒粒径分布；
[0034]
步骤2.2：由每种成分在混合悬浮颗粒物中所占的不同比例，得到不同类别的悬浮颗粒的粒子数浓度ni(r)：
[0035]
ni(r)＝ni·
n(r)＝ni·
n0·
(r/r0)-s
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0036]
公式(5)中，ni表示第i种成分的混合百分比。
[0037]
进一步地，所述步骤3具体按照以下步骤实施：
[0038]
步骤3.1：根据mie米氏理论计算单个球形悬浮粒子的效率因子
[0039][0040]
公式(6)中，q
ext
为消光效率因子，q
sca
散射效率因子，q
abs
吸收效率因子；
[0041]
步骤3.2：海洋悬浮颗粒统计平均的散射系数b
sca
、消光系数b
ext
和吸收系数b
abs
与效率因子q的关系下式表示
[0042][0043]
公式(7)中，r
max
为粒子有效半径的最大值，r
min
为粒子有效半径的最小值；
[0044]
步骤3.3：不同成分的悬浮颗粒物的贡献率ai对混合模型有影响，则混合粒子的统计平均散射、吸收和消光系数分别为，
[0045][0046]
[0047][0048]
步骤3.4：计算粒子对激光的单次反照率ω，表示为：
[0049][0050]
混合悬浮颗粒物的平均相函数p(θ，λ)表示为：
[0051][0052]
公式(12)中，
[0053][0054]
为第一类勒让德多项式。
[0055]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。


技术特征：
1.一种海洋中混合悬浮颗粒对蓝绿激光散射特性的计算方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：计算混合悬浮颗粒物中每种成分的单个粒子归一化的消光系数a
i
，将消光系数a
i
作为混合粒子模型的光散射的贡献率；步骤2：根据每种成分在混合悬浮颗粒物中所占的不同比例n
i
，得到不同类别的悬浮颗粒的粒子数浓度n
i
(r)；步骤3：将混合比例同贡献率结合考虑计算不同成分的悬浮颗粒物对混合模型的光散射的影响，并计算混合悬浮粒子模型对蓝绿激光的散射特性。2.根据权利要求1所述一种海洋中混合悬浮颗粒对蓝绿激光散射特性的计算方法，其特征在于，所述步骤1具体按照以下步骤实施：步骤1.1：根据mie米氏理论计算每种成分悬浮单个球形粒子的消光系数，其公式为：公式(1)中粒子尺寸为x＝2πa/λ，其中a为粒子半径，λ为入射波长，散射系数a
n
,b
n
分别表示为：公式(2)中：m为粒子复折射率；公式(2)中：m为粒子复折射率；公式中和分别为半奇阶的第一类贝塞尔函数和第二类汉克尔函数，ψ'和ξ'是对各自变量的微商；步骤1.2：计算了不同成分的悬浮单个球形粒子的消光效率因子不同的悬浮颗粒的消光效率因子都是呈现震荡状态的，随着粒子半径的变大，振幅越来越小，最后都趋于稳定；步骤1.3：利用公式(3)对不同的悬浮颗粒的消光系数进行归一化的处理，公式(3)中：q
ext(min)
表示消光效率因子最小值，q
ext(max)
消光效率因子最大值。
3.根据权利要求1所述一种海洋中混合悬浮颗粒对蓝绿激光散射特性的计算方法，其特征在于，所述步骤2具体按照以下步骤实施：步骤2.1：用幂律分布模型对海洋悬浮颗粒群进行仿真计算，其公式为：n(r)＝n0·
(r/r0)-s
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)公式(4)中，r为等效球形粒子半径，r0是参考粒子半径，n0是个常数，s表示粒径分布律的斜率，n(r)为海洋中的悬浮颗粒粒径分布；步骤2.2：由每种成分在混合悬浮颗粒物中所占的不同比例，得到不同类别的悬浮颗粒的粒子数浓度n
i
(r)：n
i
(r)＝n
i
·
n(r)＝n
i
·
n0·
(r/r0)-s
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)公式(5)中，n
i
表示第i种成分的混合百分比。4.根据权利要求1所述一种海洋中混合悬浮颗粒对蓝绿激光散射特性的计算方法，其特征在于，所述步骤3具体按照以下步骤实施：步骤3.1：根据mie米氏理论计算单个球形悬浮粒子的效率因子公式(6)中，q
ext
为消光效率因子，q
sca
散射效率因子，q
abs
吸收效率因子；步骤3.2：海洋悬浮颗粒统计平均的散射系数b
sca
、消光系数b
ext
和吸收系数b
abs
与效率因子q的关系下式表示公式(7)中，r
max
为粒子有效半径的最大值，r
min
为粒子有效半径的最小值；步骤3.3：不同成分的悬浮颗粒物的贡献率a
i
对混合模型有影响，则混合粒子的统计平均散射、吸收和消光系数分别为，均散射、吸收和消光系数分别为，均散射、吸收和消光系数分别为，步骤3.4：计算粒子对激光的单次反照率ω，表示为：
混合悬浮颗粒物的平均相函数p(θ，λ)表示为：公式(12)中，公式(12)中，公式(12)中，为第一类勒让德多项式。

技术总结
本发明公开了一种海洋中混合悬浮颗粒对蓝绿激光散射特性的计算方法，解决了现如今海洋中悬浮颗粒光散射的研究大多是针对单一成分的悬浮粒子的现状，根据真实海水背景建立了更贴近实际海水的混合悬浮颗粒物蓝绿激光散射模型，分析了不同混合物的平均散射、吸收和消光系数以及单次反照率随着粒子有效半径和粒子数浓度变化的影响，以及不同混合比对混合悬浮颗粒物的平均散射相函数随着角度变化的影响，为激光在海水中的目标探测识别、水下无线光通信中的应用进行了进一步的推广，同时可以为反演海水中的悬浮颗粒物成分实验研究提供理论支持和新的思路。供理论支持和新的思路。供理论支持和新的思路。


技术研发人员：王明军 王主玉 易芳 张艺伟 樊思雨 李勇俊
受保护的技术使用者：西安理工大学
技术研发日：2021.11.19
技术公布日：2022/3/18