多组分颗粒弥散介质偏振辐射传输机制及光学成像研究

Polarized radiative transfer has broad applications in the fields of astrophysics, remote sensing, and biomedicine. Current investigations on polarized radiative transfer are mainly focused on single-component or layered media, the solution of polarized radiative transfer in multi-component particle dispersed media has become the a bottleneck for practical engineering applications of polarized radiation signals. Taking the main research line of solving polarized radiative transfer in multi-component particle dispersed media, aiming to reveal polarized radiative transfer mechanisms and developing high resolution polarized optical imaging technique, this project intends to carry out systematical and in-depth investigation on two key scientific problems including: polarized radiative transfer mechanisms in multi-component media, and measurements of polarized radiation signal and polarized optical imaging technique. This project simultaneously considers the radiation characteristic difference of different components and the reflection and refraction effects of internal interfaces in the multi-component particle dispersed media, builds the theoretical model of polarized radiative transfer, develops high precision numerical method for solving the theoretical model and capturing the distribution of polarized radiation signals, and reveals the propagation mechanisms of polarized radiative transfer under combined effects. This project also experimentally measures the polarized radiation signals, builds the optical imaging model based on polarized radiation signals, and develops the polarized optical imaging technique to broaden the applications of polarized radiative transfer.

偏振辐射传输在天体物理、遥感探测以及生物医学等领域中具有广泛应用。目前针对偏振辐射传输的研究主要集中于单一组分介质或分层介质，多组分复杂介质内偏振辐射传输问题的求解已成为制约偏振辐射在众多实际工程应用中的瓶颈问题。本项目以多组分颗粒弥散介质内偏振辐射传输为研究主线，以揭示复杂介质偏振辐射传输机制、发展高分辨率偏振光学成像技术为目标，针对两个关键科学问题开展深入系统的研究，包括：多组分颗粒弥散介质偏振辐射传输机制研究；偏振辐射信号测量及偏振光学成像技术发展。项目同时考虑多组分颗粒弥散介质系统不同组分辐射参数的差异性以及内部交界面的反射/折射效应，构建偏振辐射传输过程的数理模型，发展高精度数值方法对其进行求解并捕捉偏振辐射信号分布，揭示偏振辐射传输受多因素协同作用下的传播机制。实验测量偏振辐射信号，构建基于偏振辐射信号的光学成像模型并发展偏振光学成像技术，拓展偏振辐射传输应用领域。

含有多种散射颗粒的弥散介质，如含炭黑及飞灰的火焰、含纳米颗粒的生物组织、大气气溶胶等广泛存在于生产应用中，因此多组分颗粒弥散介质内偏振辐射传输问题的研究对相关领域的理论深入和技术进步具有重要意义。本项目建立了精确描述偏振光在多组分颗粒弥散介质内的传播、散射、反射和折射过程的数理模型。将时间平移与叠加原理和蒙特卡洛法相结合，发展了一种改进的蒙特卡洛法求解瞬态偏振辐射传输问题，拓展了间断有限元方法和切比雪夫谱方法求解复杂介质内偏振辐射传输。通过对比标量模型和矢量模型所得辐射强度，研究了入射光偏振态对辐射强度的影响以及忽略偏振散射引起的误差。研究了大气-海洋介质模型在短脉冲辐照作用下的偏振辐射传输问题，分析了不同位置处的偏振辐射信号并得到了偏振辐射传输的短脉冲效应。采用数值求解和实验测量的方法获得了不同类型颗粒弥散介质的偏振散射特征参数，研究了含有软粘性颗粒的浓密弥散介质系统内的偏振辐射传输问题。采用随机粒子群优化算法对非均匀介质的折射率分布进行了反演重构，发展了可以准确获得目标介质折射率分布的反问题模型。基于不同氧化物薄膜激发的电磁模态引起的方向选择性热辐射，设计了一种在8.0 ~ 11.0 μm波长范围内具有强烈的方向选择性发射率的多层薄膜结构（厚度小于1.0 μm），得到了其发射率随波长和方向的分布规律，并探究了电介质材料排列方式和厚度对其发射率的影响。研究了随机分布在基底介质中的微纳米颗粒团聚对薄膜介质光谱辐射特性的影响，结果表明颗粒团聚会显著抑制颗粒弥散类辐射制冷薄膜的性能，为解释辐射制冷相关实验测量结果和理论预测值之间的偏差提供了参考依据。利用随机颗粒分布辐射制冷薄膜设计了基于天空辐射制冷和太阳能加热的全被动温差发电系统，构建了其输出功率的预测模型并预测了该系统在不同地区的全天发电性能。在本项目的支持下，以第一和通讯作者发表SCI论文19篇，EI论文1篇，授权发明专利2项，实用新型专利1项。