[論文レビュー] User Guide for the Discrete Dipole Approximation Code DDSCAT (Version 5a10)

B. T. Draine, Piotr J. Flatau|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2000

Electromagnetic Scattering and Analysis参考文献 14被引用数 280

ひとこと要約

本稿では、任意の形状および複素屈折率をもつ標的における電磁散乱および吸収を計算するための、自由に利用可能なFortranソフトウェアパッケージDDSCAT.5a10を提示する。このソフトウェアは標的を極性を持つ双極子の格子としてモデル化し、高速フーリエ変換（FFT）を用いて散乱問題を解き、サイズパラメータが15未満で屈折率が1に近い場合に高い精度を達成する。さまざまな標的幾何形状、方位、出力形式（ポータブルバイナリデータ用のnetCDFを含む）をサポートする。

ABSTRACT

DDSCAT.5a is a freely available software package which applies the "discrete dipole approximation" (DDA) to calculate scattering and absorption of electromagnetic waves by targets with arbitrary geometries and complex refractive index. The DDA approximates the target by an array of polarizable points. DDSCAT.5a requires that these polarizable points be located on a cubic lattice. DDSCAT.5a10 allows accurate calculations of electromagnetic scattering from targets with "size parameters" 2 pi a/lambda < 15 provided the refractive index m is not large compared to unity (|m-1| < 1). The DDSCAT package is written in Fortran and is highly portable. The program supports calculations for a variety of target geometries (e.g., ellipsoids, regular tetrahedra, rectangular solids, finite cylinders, hexagonal prisms, etc.). Target materials may be both inhomogeneous and anisotropic. It is straightforward for the user to import arbitrary target geometries into the code, and relatively straightforward to add new target generation capability to the package. DDSCAT automatically calculates total cross sections for absorption and scattering and selected elements of the Mueller scattering intensity matrix for specified orientation of the target relative to the incident wave, and for specified scattering directions. This User Guide explains how to use DDSCAT.5a10 to carry out EM scattering calculations. CPU and memory requirements are described.

研究の動機と目的

• 任意の形状および複素屈折率をもつ粒子の電磁散乱および吸収をシミュレートする包括的で、自由に利用可能かつポータブルなソフトウェアツールを提供すること。
• サイズパラメータが15未満で、屈折率が1から著しく離れていない標的について、正確なDDAに基づく計算を可能にすること。
• 不均一および異方性材料を含む広範な標的幾何形状をサポートし、ユーザー定義の標的インポートおよび拡張を可能にすること。
• ASCII、バイナリ、netCDFなどの柔軟な出力形式を提供し、後処理および可視化を可能にすること。
• 信頼性が高く、文書化が整っており、拡張可能な計算フレームワークを提供することで、天体物理学、大気科学、材料科学分野における科学的研究を支援すること。

提案手法

• 標的を極性を持つ双極子の立方格子として近似し、電磁散乱問題を解くために離散双極子近似（DDA）を用いる。
• 双極子の極性率を決定するために格子分散関係（LDR）を用い、電磁応答の正確な取り扱いを保証する。
• DDA定式化に伴う大規模な一次方程式系を効率的に解くために高速フーリエ変換（FFT）アルゴリズムを採用する。
• ユーザー定義の入力ファイルにより、任意の標的幾何形状をサポートし、楕円体、円柱、角柱などの一般的な形状に対しても組み込み機能を備える。
• 全吸収断面積および散乱断面積、指定された散乱方向および標的方位に対応するミューラー散乱行列要素、放射力およびモーメントの計算を可能にする。
• ASCII、未フォーマットバイナリ、機械非依存のnetCDFを含む複数の出力形式を提供し、後処理用にIDLユーティリティを併記する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DDA法は、複素屈折率をもつ非球形粒子について、どの程度正確に散乱および吸収を計算できるか？
• RQ2 さまざまな標的幾何形状およびサイズパラメータにおいて、DDSCAT.5a10を用いた電磁散乱シミュレーションの計算およびメモリ要件は何か？
• RQ3 DDSCAT.5a10に組み込まれたマルチスフィア標的オプションは、複合または凝集体のシミュレーションをどのように向上させるか？
• RQ4 大規模な散乱シミュレーションにおいて、netCDF形式とバイナリまたはASCII形式の出力形式を比較した場合、パフォーマンスにどのような影響があるか？
• RQ5 DDSCAT.5a10は、ユーザーが新しい標的タイプや物理モデルをサポートするために、どの程度容易に拡張または変更可能か？

主な発見

• DDSCAT.5a10は、サイズパラメータが $2\tau a/\lambda < 15$ で、屈折率が $|m - 1| < 1$ を満たす標的について、正確な電磁散乱計算を可能にする。
• このコードは、全吸収断面積および散乱断面積の計算に加え、指定された散乱方向および標的方位に対応するミューラー散乱強度行列の一部要素の計算をサポートする。
• FFTおよびLDRの使用により、DDA方程式系の解法において高い数値的効率性と正確性が確保される。
• netCDF出力オプションにより、機械非依存のポータブルバイナリデータが得られ、効率的かつ信頼性の高いデータ交換および後処理が可能になる。
• DDSCAT.5a10のモジュラー設計により、大規模な再書き換えを伴わずに、新しい標的幾何形状や物理モデルのサポートが容易に可能になる。
• readnet.proおよびmie.proなどのIDLユーティリティの組み込みにより、球形粒子に対するMie理論の結果との比較および後処理が容易になる。