针对国内尚没有大角度范围的水体颗粒偏振体散射函数测量仪的问题，基于潜望镜式光路结构与旋转偏振探测器的探测方式，建立了水体颗粒偏振体散射特性测量系统，验证了采用半衰片胶合方式的出射棱镜对大角度偏振体散射特性测量的适用性，实现了10°~170°范围内3×3水体颗粒散射穆勒矩阵的测量。对系统开展了角度、幅值及偏振标定，根据系统结构和水下传输原理进行了散射光程归一化和水下衰减矫正。实验结果表明，3 μm直径聚苯乙烯标准颗粒测量结果与理论计算值吻合良好，证明了该套系统的可靠性。同时在千岛湖自然水体对该套系统进行了测试验证，获得的水体颗粒物10°~170°范围内3×3水体颗粒散射穆勒矩阵测量结果表明偏振体散射特性能够提供更丰富的颗粒特性信息。

日常生活中常常会出现各种散射介质,如毛玻璃、生物软组织和云雾等。毛玻璃一般可看作是没有厚度的面散射介质,即随机相位屏,而鸡胸肉等生物软组织是厚度不可忽略的体散射介质。光在鸡胸肉等体散射介质内的传播过程复杂,受厚度、各向异性因子等因素的影响。在实际研究中,科研人员经常选用毛玻璃作为散射介质,并倾向于把相关结论直接推广到鸡胸肉等体散射介质上。从能量分布出发,对比分析了毛玻璃和体散射介质在成像和散射强度分布上的差异,提出了一种积分发散角测量方法,探究了二者散斑分布近似等效的条件。

为了研究金属表面的偏振特性,分析光与物体相互作用的物理机理。首先,根据微面元散射特性,将目标表面的反射分为镜面反射、漫反射和体散射,并建立了三分量偏振双向反射分布函数模型。然后,利用非线性最小二乘法对模型参数进行优化。基于开源数据的仿真实验结果表明,相比其他函数,该函数拟合的曲线与实测结果更吻合;且描述不同金属表面偏振特性时的精度更高,能准确反映金属材料表面的反射信息,为研究金属表面的偏振特性提供了新思路。

针对现有体散射测量系统中激光器与探测器相互遮挡导致探测角度减小的问题, 设计了一款新型的水中颗粒物的体散射函数测量系统。首先, 通过双潜望式光路结构, 将激光发生平面与散射探测平面分离, 减小了激光器对探测角度的遮挡; 同时, 通过潜望式出射棱镜将透射光导出水体, 避免了容器的杯壁散射, 提高背散射测量的准确性。根据实际工艺, 改进出射棱镜, 设计系统样机, 实现了3°~178°大角度范围体散射函数的测量。结合系统结构与水下光传输原理, 根据数据矫正算法, 矫正由于测量光程及水体衰减造成的偏差。对比矫正后结果与米散射仿真结果, 证明方法的可靠性。

结合Sahu-Shanmugam和Fournier-Forand体积散射函数,使用蒙特卡罗方法建立水下激光传输信道模型,利用该模型分析了接收端的光束扩展特性。研究了三种典型水域下,接收视场角和接收面直径对光束功率密度的影响,以及不同接收距离下光束功率密度的分布特性。结果表明:随着水域散射系数的增大和传输距离的增加,会加剧光束分布扩展;随着接收面直径的增大,光束功率密度的变化趋势逐渐减小,光束功率密度幅值随着接收视场角的增大而增加;随着传输距离的增加,光束功率密度分布逐渐离散。这些结果为水下定位或水下接收机等设计提供参考。

本文通过流体力学及COMSOL等仿真软件分析, 以PDMS为材料, 设计制作了用于捕获两个球形颗粒样品的微流控芯片, 并基于光电倍增管(PMT)和电动位移平台, 搭建了角度扫描式大动态范围散射光测量装置。该系统可以快速捕获两个球形颗粒, 在颗粒捕获后对微流控芯片内沟道与外轮廓进行折射率匹配, 持续测量实际捕获颗粒的1°至170°的散射光。对23.75 μm、31.10 μm、40.01 μm三种粒径的聚苯乙烯标准颗粒样品进行了实验研究, 并多次重复测量同一粒径双颗粒的散射光分布。基于微流控芯片的双颗粒体散射函数测量方法可以稳定的捕获、释放双颗粒, 实验操作简单且具有较好的重复性, 在颗粒物体散射函数研究方面具有很大的潜力。

提出了一种水中悬浮颗粒的三维体散射函数测量方法, 采用抛物面镜结合传感器探测方式, 同时获取了半球空间内多个散射面所对应的体散射函数。搭建了三维体散射函数测量装置, 采用粒径为57~954 nm的标准聚苯乙烯颗粒作为样本, 获得了方位角0°~180°对应的多个散射面内的水中颗粒体散射函数, 测量的散射角范围为18°~160°。实验结果与计算结果吻合, 验证了利用该装置对水体中粒径小于1 μm的悬浮颗粒的体散射函数进行测量的可行性。

在石油类污染水体中, 油会吸附在悬浮颗粒物表面而形成一个双层结构, 影响水体后向散射系数光谱特征, 分离水体石油类物质与悬浮颗粒物对后向散射系数光谱的贡献, 能提高水体石油类污染后向散射理论模型的准确性。 将美国Wyatt公司生产DAWN HELEOS Ⅱ18角度散射测量仪、 美国SEQUOIA公司生产的LISST-100x B粒径仪和美国Hobilabs公司的后向散射仪HydroScat-6 Sprctral Backscattering Sensor(HS6)联动观测, 构成后向散射系数光谱测量系统, 分别测量不同水样的散射强度电压值、 粒径分布及粒径浓度、 后向散射系数等参数, 提出了利用Mie散射理论计算未知折射系数物质的体散射函数β(λ,θ)的新思路及分离后向散射系数光谱的算法。 选择已知折射系数m的石英砂作为颗粒物与采自不同油田区域的油污水进行配比, 获取不同特性水样, 测定相关数据。 首先, 根据Mie散射理论计算出各样本对应的水体体积散射函数β(λ,θ); 其次, 建立的DAWN HELEOS Ⅱ 18角度激光散射仪测定散射强度对应的电压值V(θ)转化为体积散射函数β(λ,θ)的关系式; 再次, 根据最优化方法估算出油砂混合的等效折射系数mos以及油的折射系数mo; 最后, 利用β(λ,θ)和估算的mos值及mo计算出各类样本的后向散射系数bb(λ), 分别建立油污水bb,o(λ)和石英砂bb,s(λ)与油砂混合总bb,os(λ)的分离算法。 分离算法的建立一方面提高了水体石油类污染后向散射理论模型的准确性, 另外一方面拓展了米散射理论在海洋水色遥感中的应用。