宽范围MIE散射系数的快速算法研究

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1、西安电子科技大学硕士学位论文宽范围MIE散射系数的快速算法研究姓名：吴德怀申请学位级别：硕士专业：检测技术与自动化装置指导教师：付小宁20090101摘要环境污染曰趋严重，对空气中颗粒的尺寸、分布及其他特性进行分析和测量显得尤为重要，对MIE散射算法的实时性和使用范围提出了新的要求。在经典M正散射理论基础上，综合向前递推、改进的后向递推等数学方法，作者研究和探讨了宽范围MIE散射系数的快速算法。本文首先研究了MIE散射系数的计算方法，在宽范围内实现了MIE散射系数的快速计算。该算法使用了改进的后向递推公式，可以获得MIE散射参数中的消光系数‰和散射系数‰稳定的正确值；由于新算

2、法能显著地减少计算循环次数，因此明显缩短了计算时间；由于新算法采取了合适的分段边界条件的机制，能够适应宽范围、复折射率的相应MIE散射参数计算。其次，针对MIE散射系数应用于低成本、小型化现场仪器的需要，对广泛运用的Mm散射系数近似计算法进行了比较详细的分析讨论。第三，利用MIE散射理论得出大气气溶胶光学厚度反演其粒子谱分布。研究工作发现：(1)计算的循环次数与粒子的复折射率基本没有关系；(2)连分式得到的结果通常最准确：(3)新算法在尺度系数较大时(>1000)，计算时间仅为连分式算法的10之．10一，计算的最大误差小于10．5；(4)算法的适用范围广，对于尺度系数从10。

3、6到106，复折射率的实、虚部从10。6到106都能很好地进行计算；(5)沙尘气溶胶谱分布形式基本符合Junge谱，不同波长的气溶胶粒子的谱形基本一致，气溶胶粒子谱呈三峰型分布。结果表明：改进后的新算法是宽范围、高精度、快速的数值计算方法，满足实际测量的要求。关键词：MIE散射系数宽范围快速BESSEL函数连分式气溶胶AbstractTheenvironmentalpollutionhasbecomeseriousincreasingly,Thesizeoftheparticlesintheair,distributionandothercharacteristicsofan

4、alysisandmeasurementisparticularlyimportant,Newdemandswereputforwardforreal—timenatureandtheusingrangeofMIEscatteringcoefficient．AnimprovedalgorithmwhichrunsfastforcalculatingMIEscatteringcoefficientinthewiderangeispresentedinthepaper,whichemploystheforwardrecursion,theimprovedbackwardrecur

5、sionandothermathematicalmethodsonthebasisofclassicMIEscatteringtheory．Atfirst，thisarticlestudiedthecalculationoftheMIEscatteringcoefficientandachievedthefastcalculationoftheMIEscatteringcoefficientinthewiderange．Thealgorithmwhichemploystheimprovedbackwardrecursioncatlaccuratelycalculatethee

6、xtinctioncoefficient‰andthescatteringcoefficientK蝴inMIE，andremarkablyreducethecalculationtimeforitcutsdownthecalculationcycletimes．ItcallbeadaptedtocalculatethecorrespondingMIEscatteringparameterswhichhavecomplexrefractiveindexinthewiderangeforittakesthemechanismwhichhasallappropriatesub—bo

7、undaryconditions．Secondly,ithasanalyzedanddiscussedtheMIEscatteringcoefficientapproximatecalculationmethodinthewiderapplicationindetailforitisusedforlow-cost，smallon—siteequipmentneeds．Thirdly,ithasinversedtheparticlespectrumwidthoftheatmosphericaerosolu