[논문 리뷰] User Guide for the Discrete Dipole Approximation Code DDSCAT (Version 5a10)

B. T. Draine, Piotr J. Flatau|arXiv (Cornell University)|2000. 08. 09.

Electromagnetic Scattering and Analysis참고 문헌 14인용 수 280

한 줄 요약

이 논문은 자유롭게 이용할 수 있는 Fortran 소프트웨어 패키지인 DDSCAT.5a10을 제시한다. 이 소프트웨어는 이산 두극자 근사(DDA)를 사용하여 임의의 형상과 복소 굴절률을 가진 타깃의 전자기 산란 및 흡수를 계산한다. 타깃은 다이폴 모멘트로 구성된 격자로 모델링되며, 산란 문제는 빠른 푸리에 변환(FFT)을 통해 해결된다. 크기 매개수 <15 및 굴절률이 1에 가까운 경우에 정확한 결과를 제공하며, 다양한 타깃 형상, 정렬 방식, 출력 형식(포괄적인 이진 데이터를 위한 netCDF 포함)을 지원한다.

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 &lt; 15 provided the refractive index m is not large compared to unity (|m-1| &lt; 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.

연구 동기 및 목표

• 임의의 형상과 복소 굴절률을 가진 입자에 대한 전자기 산란 및 흡수를 시뮬레이션하기 위한 종합적이고 자유롭게 이용 가능하며 이식 가능한 소프트웨어 도구를 제공하는 것.
• 크기 매개수가 15 미만이고 굴절률이 1과 유사하지 않은 타깃에 대해 정확한 DDA 기반 계산을 가능하게 하는 것.
• 비균일 및 이방성 물질을 포함한 다양한 타깃 형상 지원과 사용자 정의 타깃 임포트 및 확장 기능 제공.
• 후처리 및 시각화를 위한 ASCII, 이진, netCDF 형식을 포함한 다각도의 출력 옵션 제공.
• 우주과학, 대기과학, 재료과학 분야의 과학 연구를 지원하기 위해 신뢰성 있고 잘 문서화되며 확장 가능한 계산 프레임워크를 제공하는 것.

제안 방법

• 타깃을 다이폴 모멘트로 이루어진 입방 격자로 근사화하여, 이산 두극자 근사(DDA)를 사용해 전자기 산란 문제를 해결한다.
• 다이폴의 분극도를 결정하기 위해 격자 분산 관계(LDR)를 적용하여 전자기 응답을 정확하게 처리한다.
• DDA 수식에서 발생하는 대규모 선형 연립방정식을 효율적으로 해결하기 위해 빠른 푸리에 변환(FFT) 알고리즘을 사용한다.
• 사용자 정의 입력 파일을 통해 임의의 타깃 형상을 지원하며, 타원체, 실린더, 프리즘과 같은 일반적인 형상에 대한 내장 기능을 제공한다.
• 총 흡수 및 산란 단면적, 특정 산란 방향과 타깃 정렬에 대한 멀러 산란 매트릭스 요소, 복사력 및 토크를 계산할 수 있다.
• ASCII, 비형식 이진, 기계 독립 netCDF를 포함한 여러 출력 형식을 제공하며, IDL 유틸리티를 통해 후처리를 지원한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DDA 방법은 복소 굴절률을 가진 비구형 입자에 대해 얼마나 정확하게 산란 및 흡수를 계산할 수 있는가?
• RQ2 다양한 타깃 형상과 크기 매개수에서 DDSCAT.5a10를 사용한 전자기 산란 시뮬레이션의 계산 및 메모리 요구 사항은 어떠한가?
• RQ3 DDSCAT.5a10에 포함된 다구형 타깃 옵션은 복합 또는 군집된 입자의 시뮬레이션을 어떻게 향상시키는가?
• RQ4 대규모 산란 시뮬레이션에서 netCDF 형식 대비 이진 또는 ASCII 출력 형식을 사용할 경우 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 DDSCAT.5a10는 새 타깃 유형이나 물리 모델을 지원하기 위해 사용자가 얼마나 쉽게 확장하거나 수정할 수 있는가?

주요 결과

• DDSCAT.5a10는 크기 매개수가 $2\tau a/\lambda < 15$이고 굴절률이 $|m - 1| < 1$를 만족하는 타깃에 대해 정확한 전자기 산란 계산을 가능하게 한다.
• 이 코드는 총 흡수 및 산란 단면적 계산뿐만 아니라, 특정 산란 방향과 타깃 정렬에 대해 멀러 산란 강도 매트릭스의 일부 요소를 계산할 수 있다.
• FFT와 LDR 규정을 사용함으로써 DDA 연립방정식의 해를 고수준의 수치적 효율성과 정확도로 해결한다.
• netCDF 출력 옵션은 기계 독립적이고 이식 가능한 이진 데이터를 제공하여 효율적이고 신뢰할 수 있는 데이터 교환 및 후처리를 가능하게 한다.
• DDSCAT.5a10의 모듈러 설계 덕분에 사용자는 주요 재작성 없이도 새로운 타깃 형상이나 물리 모델을 쉽게 확장할 수 있다.
• readnet.pro 및 mie.pro와 같은 IDL 유틸리티의 포함으로 구형 입자에 대한 Mie 이론 결과와의 후처리 및 비교가 용이해진다.