[發明專利]一種單粒子Mie散射特性的計算機繪圖器及繪圖方法

在審

• 申請號: 201711250334.4
• 申請日: 2017-12-01
• 公開（公告）號: CN107993273A
• 公開（公告）日: 2018-05-04
• 發明（設計）人: 方偉;高鑫;王玉鵬
• 申請（專利權）人: 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
• 主分類號: G06T11/20
• 分類號: G06T11/20
• 代理公司: 深圳市科進知識產權代理事務所(普通合伙)44316
• 代理人: 趙勍毅

技術領域

本發明涉及數值處理繪圖技術領域，特別涉及一種單粒子Mie散射特性的計算機繪圖器及繪圖方法。

背景技術

Mie散射是求解球形散射體與電磁波場相互作用解析解的經典算法。Mie散射是目前應用廣泛的粒子散射的最常用最基礎的算法，在處理波長量級粒子散射的問題上有其他理論無可比擬的精度。有意思的是，Mie散射根本不是一個獨立的理論，它只是球形介質在麥克斯韋方程組下的解析解。但是由于求解本身的復雜性，所以第一個完美完成求解任務的Gustav Mie成為了經典，他的求解算法被命名為Mie theory。

Mie散射理論給出了對均勻球體在平面單色光照射下的散射光各物理量求得的嚴格數學解。理論上可以根據其完整公式，嚴格地得到不同尺度、不同折射率的粒子的散射特性。但是，由于公式中包含了第一類、第三類Bessel函數和Legendre函數等一系列復雜函數，計算量極大，使得數值計算十分困難。目前雖然存在一些Mie散射數值計算方法，但缺乏必要的代碼說明，使用起來十分不便。

發明內容

本發明旨在克服現有技術存在的缺陷，本發明采用以下技術方案：

一方面，本發明實施例提供了一種單粒子Mie散射特性的計算機繪圖器。所述單粒子Mie散射特性的計算機繪圖器包括：

處理模塊，所述處理模塊將所述Mie散射公式中的復雜函數進行處理，并表達為計算機可以處理的迭代函數形式；

繪圖模塊，所述繪圖模塊根據所述處理模塊輸送的處理后的迭代函數形式進行繪圖；

存儲模塊，所述存儲模塊將所述繪圖模塊的繪圖進行存儲；

輸出模塊，所述輸出模塊根據所述存儲模塊的繪圖，在所述處理模塊下發輸出指令時進行圖像的輸出和數據調用。

在一些實施例中，所述處理模塊包括計算子模塊，以及控制器；

所述計算子模塊包括a_n/b_n計算模塊以及π_n/τ_n計算模塊；

所述a_n/b_n計算模塊將復折射系數m、尺度參數α作為輸入，進行迭代計算，輸出a_n/b_n數組，

并根據關于a_n/b_n的函數關系，計算得到單粒子的消光系數Q_ext、散射系數Q_sca；

所述π_n/τ_n計算模塊將復折射系數m、尺度參數α、所述a_n/b_n計算模塊輸出的a_n/b_n數組、消光系數Q_ext、散射系數Q_sca作為輸入，結合散射角θ，進行迭代計算，輸出π_n/τ_n數組，并根據散射光強函數及相函數關于π_n/τ_n的函數關系，計算、輸出單粒子的散射光強函數S、相函數P；

所述控制器與所述計算子模塊相連，并對所述計算子模塊進行指令輸入和輸出。

在一些實施例中，所述散射角θ的取值范圍為0～180°。

在一些實施例中，所述尺度參數α包括α<3的細模態和α≥3的粗模態。

在一些實施例中，所述控制器判斷所述尺度參數α是α<3的細模態還是α≥3的粗模態，并根據不同的尺度參數α對所述計算子模塊進行指令輸入調用不同的算法計算a_n/b_n數組。

另一方面，本發明實施例還提供了一種單粒子Mie散射特性的計算機繪圖器的繪圖方法，所述單粒子Mie散射特性的計算機繪圖器的繪圖方法包括步驟：

將所述Mie散射公式中的復雜函數進行處理，并表達為計算機可以處理的迭代函數形式；

根據所述處理后的迭代函數形式進行繪圖；

將所述繪圖進行存儲；

根據所述存儲的繪圖，在下發輸出指令時進行圖像的輸出和數據調用。

在一些實施例中，所述步驟：將所述Mie散射公式中的復雜函數進行處理，并表達為計算機可以處理的迭代函數形式，具體為：

將復折射系數m、尺度參數α作為輸入，進行迭代計算，輸出a_n/b_n數組，