离散偶极子近似文献综述

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1、离散偶极子近似对粒子散射计算的文献综述摘要：介质的光散射在许多科学和工程领域中，如光学、电磁学、工程物理、天体物理、大气科学、海洋学、生态学、生物物理学等都有重要的应用。由于其重要性、复杂性和困难性，非球形粒子光散射已成为国际上光散射理论研究的焦点和前沿课题。就粒子光散射，规则粒子的光散射计算的研究已经比较成熟。本文介绍了几种粒子散射的计算方法，给出了固定尺寸粒子的几种计算方法进行了对比。另外对几种就算的局限进行了简单的归纳。在此基础上扼要地阐述了现代非球形粒子光散射计算研究的进展，包括精确的理论解法、一些重要的数值技术以及2个重要的近似解法，即光学软粒子近似和几何光学近似。最后，简要

2、地讨论了非球形粒子光散射计算研究所面临的挑战及其未来的发展方向。关键词：DDA；光散射计算；冰晶粒子1粒子散射的重要性和复杂性所有介质都对光或电磁的散射问题是一门对于国民经济建设和国防建设有重大意义的研究课题。为了解决粒子散射问题，特别是与大气中辐射传输有关的领域，需要对大气中的粒子，特别是气溶胶粒子和卷云中冰晶粒子的化学和物理特性、光散射理论及其计算等关键问题进行深入研究。辐射会产生散射，光散射在许多科学和工程领域中，都是重点考虑和解决的核心问题。需要特别指出的是，在全球气候变化研究中，云—气溶胶—辐射及其相互作用是现代气候研究中一个最具挑战性的难题。地球大气中的粒子主要是气溶胶、水

3、滴和冰晶粒子等，它们与辐射会产生复杂的相互作用。在气候研究领域，专家将云、气溶胶和降水之间的相互作用问题，确认为未来10年气候研究面临的重大挑战之一。了很好地理解辐射与地球—大气系统的相互作用，发展地球大气的辐射传输模式，从而发展更为真实适用的气候模式，首先，必须要了解大气中的粒子，特别是气溶胶和卷云中冰晶粒子的光散射、偏振和吸收等特性。其次，目前航空航天遥感正在向高空间分辨率、高光谱分辨率、高时间分辨率、多极化、多角度的方向迅猛发展。而大气气溶胶和高空卷云对卫星遥感，特别是高光谱遥感，会产生非常重要的影响。为了发展遥感的正演和反演模式以及遥感技术，辐射在气溶胶和云(特别是卷云)大气中

4、的单次散射和多次散射的辐射传输就是一个迫切需要解决的关键基本问题。长期以来人们对于粒子散射的计算都局限于对于惠泽粒子的计算，例如球形、椭球型、锥形、矩形、六棱柱以及六棱准等。但实际自然界中的这些物理模型只有少数呈现出这些规则的形状，故原有的计算模型已经不能满足于当前对于计算精密、准确性性的要求。由于其重要性、复杂性和困难性，非球形粒子光散射理论及其计算已成为国际上光散射理论研究的焦点和前沿课题。近30多年来，国际上许多学者进行了大量研究，发展了相当多的算法，取得了不少重要进展;国内也进行了相应的研究。为了解决上述一系列重大科学问题，特别是与大气中辐射传输有关的领域，需要对大气中的粒子，

5、特别是气溶胶粒子和卷云中冰晶粒子的化学和物理特性、下垫面特性以及非球形粒子光散射理论及其计算等一系列关键问题进行深入研究。本文拟就非球形粒子光散射的一些基本理论和重要的计算方法等关键问题进行扼要综述。2粒子散射理论所有经典的光学现象都是基于麦克斯韦方程组的数学基础。各种电磁散射的精确方法都是从失语或者频域来解决麦克斯韦方程。麦克斯韦方程国际单位制的描述如下：以下是对于粒子散射计算研究较为广泛应用的几种方法理论的简单介绍。其中主要介绍了离散偶极子近似法（DDA）、T矩阵法（TMM）、时域有限差分法（FDTD）和几何光学法对粒子散射的研究。最后对这四种方法在粒子尺寸参数、粒子形状以及优缺点

6、进行了简单的对比。2.1离散偶极子近似（DDA）离散偶极子近似方法（DDA）是解决麦克斯韦方程组的一种独特的数值计算方法；它可以计算任意形状和材料的粒子对电磁波散射和吸收。离散偶极子方法主要是针对单个粒子散社特性的研究，也可研究有其他小型粒子组成的凝聚粒子的散射特性。对于单个粒子散射的研究主要是对于冰晶粒子的散射特性研究，凝聚粒子主要是模拟烟煤、雾霾、尘埃粒子等散射特性的研究。2.1.1离散偶极子近似法（DDA）基本思想离散偶极子近似可以简单地理解为将散射体看作是用一组相互作用的偶极子将其替代。原目标的散射场可以通过这组偶极子的散射场来近似表示。故这种方法主要考虑三部分要素：（1）怎样

7、实现偶极子阵列近似表示目标散射体，（2）用目标散射体的物理性质来确定偶极子的极化率，（3）在入射电磁场的辐射下，得到偶极子阵列总效应。单个粒子的电磁散射特性由离散偶极子近似（DDA）通过公式推导得出如散射矩阵、不对称因子、散射截面、消光截面等重要特性。2.2T矩阵法（TMM）TMM是严格计算共振非球形粒子光散射最强有力和使用最广泛的方法之一。为了描述光对任意非球形粒子的光散射，通常采用球面坐标系，其原点设在粒子内部。在TMM中，一个设在球面坐标