求解矢量辐射传输方程的有限体积法研究

摘要

随着空间遥感探测，气溶胶粒子反演、生物组织成像等技术的发展，对于辐射传输计算的精度提出了更高的要求。传统的辐射传输计算使用的是标量的辐射传输方程，将光当作一个标量来处理。但是由于没有考虑到光的偏振特性，这种研究方法不能完全精确地描述光在介质中的传输过程。为了准确、完备地描述光在介质中的传输，我们引入了矢量辐射传输方程。它通过四个斯托克斯量来描述光的状态，并研究了这四个量是如何在介质中进行传输。在热辐射传输计算时，目前人们对热辐射的偏振效应还没有引起足够的重视，本文将通过对偏振以及矢量辐射传输理论的介绍，希望大家对此有一个新的认识。
　　本文的主要研究内容有：
　　1.介绍了偏振产生的原理以及矢量辐射传输方程的基本理论；
　　2.将有限体积法推广到了矢量辐射传输计算中，提出了求解矢量辐射传输方程的矢量有限体积法并建立了相应的数学模型，编制了一维的求解矢量辐射传输方程的计算程序，通过与大量文献数据的对比，验证了模型的准确性；
　　3.比较并分析了考虑偏振的矢量有限体积法程序与不考虑偏振的有限体积法程序计算时的相对误差。针对不同光学厚度、不同圆周角、不同反照率、以及不同的入射偏振光等条件对误差的影响。并对是否考虑偏振的有限体积法的计算效率进行了分析。

目录

求解矢量辐射传输方程的有限体积法研究

THE FINITE VOLUME METHOD FOR VECTOR RADIATIVE TRANSFER EQUATION

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外有关散射与偏振的研究现状

1.3 国内外有关矢量辐射传输的研究现状

1.4 本文研究内容

第2章 矢量辐射传输理论简介

2.1 电磁场理论基础

2.2 斯托克斯量

2.3 穆勒矩阵

2.4 矢量辐射传输方程简介

2.5 散射相矩阵

2.5.1 定义

2.5.2 相矩阵的化简

2.5.3 参考平面的旋转

2.5.4 归一化

2.6 消光矩阵和发射系数向量

2.6.1 消光矩阵和发射向量

边界条件和表面特性

2.7 辐射亮温

2.8 辐射热流

2.9 本章小结

第3章 矢量辐射传输方程的有限体积法

3.1 笛卡尔坐标系下矢量辐射传输方程的有限体积法

3.2 程序的计算流程

3.3 计算和分析

3.3.1 菲涅尔表面的发射模型

3.3.2 等温均质吸收发射性气体（无散射）模型

3.3.3 双层参与性大气（含散射）模型

3.3.4 平行光照射Mie散射大气模型

3.4 本章小结

第4章 偏振对辐射传输计算的影响分析

4.1 光学厚度的影响

4.2 辐射在圆周方向上不对称的影响

4.3 反照率的影响

4.4 偏振光入射的影响

4.5 FVM与VFVM计算效率分析

4.6 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

哈尔滨工业大学硕士学位涉密论文管理

致 谢