离散偶极子近似文献综述
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离散偶极子近似对粒子散射计算的文献综述
< br>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
< p>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<
/p>
近似解法，
即光学软粒子近似和几何光学近似。
< br>最后，
简要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，
< br>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。
<
/p>
其次，
目前航空航天遥感正在向高空间分辨率、
< br>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
)
大气中的单次散射和多次散射的辐射
< br>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
;<
/p>
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，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：
D
B
t
B
0
D
H
< br>
J
t
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
以及优缺点进行了简单的对比。
E
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（
D
DA
）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。
2.2 T
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，一个设在球面坐标系的
粒子对平面电磁波的散射，入
射场和散射场可用矢量球面波函数进行展开，由于
Maxwell
方程组和边界条件
的线性性，散射波系数和入射波系数的关系也必须是线性的，并可通过
T-
矩阵
表示。确定
< br>
T-
矩阵的一般方法是用积分方程求解一个被有界封闭
面包裹的客体
的散射场，
应用散射体表面的边界条件以及入射场
、
散射场和面场的关系可得到
T-<
/p>
矩阵的解。在粒子光散射中，粒子的尺度参数
x =
π
D/
λ
是
一个很重要的参