Автореферат (1025261), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Она обладаетканалом подсветки объекта, а приемный канал является общим для двухрежимов. Среда распространения излучения, имеющая рассеивающую структуру,оказывает различное влияние на работу системы в активном и пассивномрежимах. Анализ характеристик рассеивающей среды необходим для расчетапараметров качества ТГц изображающих систем. Характеристики среды зависятот ее структуры, которая может быть как случайно неоднородной, так и состоятьиз частично или полностью упорядоченных рассеивателей. Примерами такихсред являются ткани одежды и композитные конструкционные материалы.В работе рассмотрены основные методы исследования таких характеристикрассеянного излучения, как индикатриса однократного рассеяния и угловоераспределение яркости многократно рассеянного излучения.
Из-за характерныхразмеров элементов структуры неоднородных сред (размеры плотноупакованных4рассеивателей и расстояния между ними сравнимы с длиной волны излучения)процесс рассеяния излучения приобретает многократный характер и строгоможет описываться уравнениями теории многократного рассеяния. Они не имеютаналитического решения, поэтому широко применяются приближенные методы.Используемые ранее в ТГц диапазоне приближения не учитывают высшиепорядки рассеяния излучения, поэтому они не могут в полной мере описыватьхарактеристики рассеянного излучения структурированными средами, в которыхнаблюдается интерференция волн, рассеянных на близко расположенныхупорядоченных частицах.В связи с этим рассматривались численные методы определенияхарактеристик рассеянного ТГц излучения: прямое численное решение уравненийМаксвелла и метод Т-матриц.
Точность последнего зависит от количества членовв разложении поля по сферическим функциям, соответственно, требуетсяпроводить исследование на сходимость решения. Также необходимо учитыватьограничения на выпуклость формы рассматриваемых частиц. Численное решениеуравнений Максвелла не имеет данных ограничений, поэтому является болеепредпочтительным методом.
Оба метода требуют значительных вычислительныхресурсов, поэтому эффективно могут быть использованы только для небольшогообъема среды.Используя данные выводы, в диссертационной работе предложеноиспользовать методы теории переноса излучения для определения характеристикрассеянного ТГц излучения структурированными средами. Из-за отсутствияаналитического решения уравнения переноса излучения (УПИ) и невыполненияусловий для использования известных приближений применялись численныеметоды решения УПИ для структурированной среды.
Это уравнение для яркостив интегральной форме имеет следующий вид:Λε − ′exp(−| − ′|) 3 ′̂ ) = 0 (, ̂ ) + ∫ [ ∮ (̂, ̂ ′)(′ , ̂ ′)̂ ′ ((, − ̂)] ,| − ′|( − ′)24̂ ) – яркость излучения в точке пространства в направлении ̂,где (, ̂ ) – ослабленная падающая яркость излучения, Λ – альбедо однократного0 (, ̂, ̂ ′) – индикатриса однократногорассеяния, ε – коэффициент экстинкции, (рассеяния, – объем рассеивающей среды.
УПИ является интегральнымуравнением второго рода, поэтому для его решения можно воспользоватьсячисленными методами Монте-Карло. Индикатриса рассеяния характеризуетсвойства элементарного объема среды, описывает одиночный акт рассеянияизлучения на некоторой обобщенной частице рассеивающего объема. Чтобыучесть интерференцию и связанные с ней эффекты локализацииэлектромагнитных волн ТГц излучения, которые проявляются в виде усиленияинтенсивности рассеянного излучения в определенных направлениях,предложено определять индикатрису рассеяния излучения в структурированнойсреде с помощью методов вычислительной электродинамики.
При этом будетдостигаться погрешность расчетов, которая будет ограничена погрешностьюдискретизации пространства численного моделирования и погрешностью методаМонте-Карло.5Во второй главе обоснована методика определения индикатрисыоднократного рассеяния излучения с помощью численного решения уравненийМаксвелла методом конечных разностей и численного решения дифракционногоинтеграла Кирхгофа. Показано, что при таком подходе учитываетсяинтерференция волн на упорядоченных частицах структурированной среды вотличие от результата применения индикатрисы Хеньи-Гринштайна, частоиспользуемой для решения УПИ в случайно-неоднородной среде. В качествеэлементарного объема структурированной среды предложено рассматриватьгруппу упорядоченных частиц (структурную группу), образующую структурурассеивающей среды и наиболее часто в ней встречающуюся. Для упрощенияпроцедуры численного расчета рассматривались протяженные цилиндрическиечастицы, длина которых много больше длины волны излучения.
Ориентациягруппы рассеивателей и направления поля падающего излучения представлены наРис. 1, а.Рис. 1.а)б)Ориентация в пространстве группы рассеивателей произвольногопоперечного сечения (а), где ki – волновой вектор падающегоизлучения; E – вектор напряженности электрического поля падающегоизлучения; параметр анизотропии индикатрисы рассеяния излученияструктурными группами (б)Для анализа индикатрис рассеяния проводились три серии численныхрасчетов. Исследовалось влияние относительных размеров частиц, их количестваи концентрации в группе на вид индикатрисы рассеяния. В результате численныхрасчетов показано, что индикатриса рассеяния имеет анизотропный характер,амплитуда и положение ее побочных максимумов зависят как от отношенияпоперечного размера частиц к длине волны излучения , так и от их взаимногорасположения в пространстве. Зависимость параметра анизотропии ототносительного размера частиц имеет различный характер для разных положенийи количества частиц в группе (Рис.
1, б). При увеличении количества частиц вгруппе, сохраняется направление основных побочных максимумов индикатрисы,обусловленных структурой группы и сохранением относительных размеровчастиц. В то же время происходит увеличение интенсивности в направлениирассеяния «вперед» (Рис.
2).6а)Рис. 2.б)г)в)Индикатриса рассеяния излучения структурными группами с двумятипами структур и различным числом упорядоченных частиц, –диаметр группы частицИспользуя полученные индикатрисы, отражающие интерференцию волн,рассеянных частицами структурных групп, численно было решено УПИ спомощью метода Монте-Карло, без применения приближенных подходов. МетодМонте-Карло предполагает априорное определение параметров исследуемойсреды, необходимых для записи УПИ, и заключается в последовательноммоделировании числа траекторий распространения одиночных фотонов или ихпакетов в рассеивающей среде и в статистическом усреднении результатов.̂)УПИ для яркости излучения () в точке фазового пространства (, () = 0 () + ∫ (, ′ )(′)′имеет ядро (, ′ ), содержащее дельта-функцию Дирака:(, ′ ) =Λε − ′exp(−| − ′|)̂, ̂ ′) (̂)(−.| − ′|( − ′)24Такой вид ядра затрудняет определение яркости излучения в заданномнаправлении в точке пространства от точечного источника.
Переход к двойнойлокальной оценке позволяет провести такой расчет и на основе полученногорезультата определить передаточную функцию слоя пространства. Для двойнойлокальной оценки рассматривается УПИ в виде ряда Неймана по кратностямрассеяния:() = 0 () + 1 () + ∫ (, ′ )(′)′,2 (, ′)Λεexp(−|′′ − ′ |)′′′ )(′′̂ ,̂̂ ,̂)= ( ) (,(′′ − ′ )2471 () =Λ exp(−) ∫ () exp [− sin (tan − tan )] ,4 sin 222 () = М(),() = ∑ ℎ1 ( ) , ℎ1 ( ) = 1 (1 )2 (2 )=1exp(−| − ′ |),( − ′ )2где 2 () – яркость высших кратностей рассеяния излучения, 1 () – яркостьпервой кратности рассеяния излучения, 0 () – яркость нерассеянного излучения, – угол рассеяния, – «весовой» множитель для i-ой реализации траектории.Данная методика использовалась для анализа углового распределенияяркости ТГц излучения, рассеянного слоем структурированной среды.Среднеквадратичное отклонение полученных в результате численных расчетовзначений яркости рассеянного излучения не превышало 0,82% от среднегозначения, что подтвердило правильность выбранных параметров моделирования.В результате численных расчетов продемонстрировано влияние конструктивнойинтерференции волн в структурированной среде на угловое распределениеяркости излучения.
При определенных параметрах среды, несмотря на случайноерасположение структурных групп в ее объеме, наблюдаются усиления яркостирассеянного излучения в выделенных направлениях. Проанализированорассеяние ТГц излучения в слое среды, в котором присутствуют различныестепени упорядоченности частиц, что соответствует реальным неоднороднымсредам. Показано, что при расчете углового распределения яркости излученияиспользование индикатрисы, полученной для структурной группы частиц сусредненными параметрами вместо полного набора индикатрис для имеющихсягрупп частиц, ошибка составляет менее 5%.
Используя данный подход, можнозначительно сократить время вычислений.В работе была проведена классификация неоднородных сред попараметрам: толщина слоя, отношение размера частиц и расстояния между нимив группе к длине волны излучения. Результатом предложенной классификацииявляется рекомендация по выбору метода расчета применяемой в решении УПИиндикатрисы рассеяния: использование функции Хеньи-Гринштайна сопределяемым для структурной группы параметром анизотропии, расчетиндикатрисы на основе решения уравнений Максвелла, расчет индикатрисы дляслучая усредненной группы частиц.Используя теорию линейных систем и рассчитанные значения яркостимногократно рассеянного излучения, получены значения модуляционныхпередаточных функций (МПФ) пассивной ТГц изображающей системы () = () · () и активной () = () · () · () , где () – МПФдифракционно-ограниченной изображающей системы, () – МПФ слоярассеивающей среды, определяемые из выражений: () =2 2[arccos ( ) − ( ) √1 − ( ) ],∞2 () = ′2 | ∫ () exp(−) 2 |,4−∞8где /’ – относительное отверстие приемного объектива изображающейсистемы, – радиус-вектор в плоскости изображения, – диаметр входногозрачка изображающей системы, - расстояние от входного зрачка до плоскостидетектора, - длина волны излучения, - пространственная частота.Для трех случаев работы изображающей системы при наблюдении объектачерез слой структурированной рассеивающей среды, были получены МПФ ипроведена оценка разрешающей способности по уровню порогового контраста0,6 (результаты представлены в итоговой Таблице 1).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
