颗粒系的可见消光光谱分析及最佳波长的选择

在光全散射法颗粒粒径测量中,被测颗粒系的消光光谱包含有颗粒粒径、折射率等信息。对常用的单峰及双峰R-R分布的可见消光光谱进行模拟,分析了可见消光光谱随粒径和相对折射率变化的规律。选取二阶微分可见消光光谱不连续点对应的波长作为测量波长,并将可见光边界波长同时作为测量波长,在非独立模式下,采用遗传优化算法反演粒径分布。仿真计算与实验验证结果表明,通过消光光谱分析,可以预先确定被测颗粒系的分布状况,缩小优化算法中反演参数的搜索范围。结合最佳波长选择方法,使测量的精度和可靠性明显提高。对测量光谱加入1%随机噪声时,单峰及多峰分布粒径反演均能得到满意的结果。     

非独立模式算法下粒径分布反演及分类的研究

在光全散射法颗粒粒径测量中,提出一种非独立模式算法下粒径分布反演及分类的方法。对被测颗粒系分别按照不同的粒径分布函数同时进行反演,并依据反演误差大小判断被测颗粒系符合哪种分布函数。仿真实验结果表明,在非独立模式下,完全可以利用已知的不同分布函数的反演误差作为分类依据,从而更准确地确定被测颗粒系的粒径分布。采用的遗传反演算法能够在3个可见光波长下得到较准确的粒径分布,反演结果稳定可靠,最大限度地减少了多个波长的使用,从而对光源有更大的选择余地。对透射消光测量结果加入5%随机噪声时,单峰分布颗粒系的反演误差小于5%,多峰分布颗粒系的反演误差小于10%。整个算法运行时间小于2 s。该方法具有原理简单,计算速度快等优点,能够满足颗粒粒径在线测量的要求。     

利用低相干光纤动态光散射法测量浓悬浮液中多分散颗粒粒径分布

本文针对高浓度散射介质,用低相干光纤动态光散射技术测量浓悬浮液中多分散颗粒系的粒径及其粒径分布。利用迭代CONTIN算法对实验数据进行反演运算,得到多分散颗粒系的粒径分布结果。结果表明,浓悬浮液中多分散颗粒系的峰值粒径测量值与给定的两种标准粒径值相吻合,其误差在4%之内,粒径分布曲线中各散射颗粒所反映的散射体光强分布与根据Mie散射计算得到的理论值相吻合。实验结果证明低相干光纤动态光散射实验系统能准确测量浓悬浮液中多分散颗粒粒径及粒径分布。     

基于一阶彩虹区域高斯光散射的液滴测量

为实现雾化过程中局域内单液滴的测量,采用德拜级数展开研究了高斯光照射下球形液滴一阶彩虹区域的散射光强分布,以及高斯光束腰大小对光强分布峰值角度的影响.根据德拜级数展开计算的散射光强分布反演液滴的折射率和粒径,证明了根据高斯光的彩虹散射反演液滴信息的可行性.基于广义洛伦兹-米氏理论计算一阶彩虹区域的总光强分布,根据总光强分布反演液滴折射率和粒径,讨论了高斯光束位置对反演液滴信息的影响.对于半径在200~1 000μm区间的液滴,高斯光束位于中心入射时,反演折射率的误差小于2.38×10-4,粒径的相对误差在-3.31%~3.31%之间.与采用平行光彩虹技术相比,采用高斯光束为入射光可以得到较高的光能聚集区,较好地定义测量区大小,既可以有效避免多个液滴同时出现在测量区的情况、减小颗粒之间复散射的影响,又可以提高信号强度.     

可见／红外光谱区烟尘浓度测量问题的研究

在透射法烟尘浓度测量中,采用非独立模式算法分别在可见、红外、可见/红外三个光谱区计算了烟尘浓度.通过对三个光谱区烟尘浓度反演结果的准确度,线性度以及灵敏度进行分析比较,确定了透射法烟尘浓度测量的最佳光谱区为可见/红外区.同时模拟了不同粒径分布,不同体积浓度的水滴分散系对烟尘浓度测量结果的影响.仿真计算结果表明,在可见/红外光谱区,烟尘浓度的反演结果与真值基本吻合.采用限定的消光比方法能够最大限度地克服水滴的影响,使测量的精度和可靠性明显提高.对测量的消光值加入2%随机噪声时,烟尘浓度的反演仍能得到满意的结果.     

双峰分布颗粒体系的多角度动态光散射数据反演

采用多角度动态光散射和加权正则化反演方法,对4组模拟的双峰分布颗粒体系(100/600 nm,200/600 nm,300/600 nm和350/600 nm)分别选取1、3、6和10个散射角进行测量.粒度反演结果表明,采用加权正则化方法反演双峰颗粒体系的多角度动态光散射测量数据,可获得峰值位置比小于2∶1且含有大粒径(＞350 nm)颗粒的双峰颗粒粒度分布.采用标准聚苯乙烯乳胶颗粒进行实测的结果验证了这一结论.得到含大粒径颗粒的双峰粒度分布反演结果的原因在于,多角度动态光散射能提供更多的大粒径颗粒的粒度信息,加权正则化反演方法能减少测量数据中的噪声,因而多角度动态光散射测量数据的加权反演能实现峰值位置比小于2∶1且含有大粒径颗粒的双峰颗粒体系的测量.     

双峰分布颗粒体系的多角度动态光散射数据反演（英文）

采用多角度动态光散射和加权正则化反演方法,对4组模拟的双峰分布颗粒体系(100/600nm,200/600nm,300/600nm和350/600nm)分别选取1、3、6和10个散射角进行测量.粒度反演结果表明,采用加权正则化方法反演双峰颗粒体系的多角度动态光散射测量数据,可获得峰值位置比小于2∶1且含有大粒径(350nm)颗粒的双峰颗粒粒度分布.采用标准聚苯乙烯乳胶颗粒进行实测的结果验证了这一结论.得到含大粒径颗粒的双峰粒度分布反演结果的原因在于,多角度动态光散射能提供更多的大粒径颗粒的粒度信息,加权正则化反演方法能减少测量数据中的噪声,因而多角度动态光散射测量数据的加权反演能实现峰值位置比小于2∶1且含有大粒径颗粒的双峰颗粒体系的测量.     

基于散射光偏振分布差的颗粒尺寸及折射率测量

提出一种基于颗粒散射光强正交分布差的颗粒尺寸和折射率同时测量方法.该方法利用颗粒散射光的垂直/平行分量和预设折射率,通过改进的Chahine算法反演得到粒径分布.根据所得粒径分布,计算得到平行/垂直分量,并与测量的平行/垂直分量比对,计算其拟合残差.遍历可能的折射率,使拟合残差趋于无穷小时,所对应的折射率即为颗粒的折射率,对应的粒度分布即为样品粒度分布.对聚丙乙烯标准颗粒、碳化硅及石墨样品进行测量,测量结果显示:对无吸收颗粒,折射率测量准确,吸收性颗粒虚部测量准确,使用所得到折射率测量值可得到准确的粒度分布.     

基于角度散射法的气溶胶粒子粒径分布反演研究

本文基于人工蜂群-差分近似优化算法(Artificial Bee Colony and Differential Evolution algorithm, ABC-DE)和角度光散射法对气溶胶粒径分布进行了反演研究。此外,本文还提出了一种基于敏感度分析和主成分分析的角度散射测量信号筛选方法,用以提高粒径分布反演结果精度。研究表明:采用角度散射法反演颗粒粒径分布时,选择前向散射角度,如[0°,30°],更有利于提高反演结果精度;粒径分布反演精度与所选择测量角度信号的贡献率相关,高贡献率的测量信号更有利于确保反演结果精度和鲁棒性。     

多分散Au-Ag合金纳米球的光谱消光法反演

贵金属纳米颗粒具有局域表面等离子体共振特性而引起了广泛的关注,其中Au-Ag合金纳米颗粒具有良好的结构稳定性、光热性能以及潜在的抗癌功效而得到普遍研究。在众多应用中的特性与其粒径和浓度密切相关,然而目前常用的电子显微镜观察法和动态光散射法不能同时获得粒径和浓度信息,因此采取有效手段测量颗粒粒径和浓度信息至关重要。基于光谱消光法,利用非负的Tikhonov正则化方法解决反演问题,并根据Mie理论计算消光矩阵。针对噪声问题,采取两种情况研究多分散Au-Ag合金纳米球粒径分布与浓度的反演问题。未添加噪声情况下,颗粒系Ⅰ的反演相对误差小于颗粒系Ⅱ,在波长范围300～500 nm之间的反演相对误差最小,对应平均粒径、粒径标准差和颗粒数浓度的反演相对误差分别为0%,-0.03%和0%。添加随机噪声情况下,将0.5%和1.0%的随机噪声添加进颗粒系Ⅰ中的消光谱,经过数据比较发现在波长范围200～600 nm之间的反演相对误差最小。当添加0.5%的随机噪声时,粒径分布、粒径标准差和颗粒数浓度的变化范围分别为79.76～80.15 nm, 5.60～6.61 nm和0.995 8×1010～1.005 9×1010个·cm-3;当添加1.0%的随机噪声时,粒径分布、粒径标准差和颗粒数浓度的变化范围分别为78.87～80.27 nm, 5.36～9.00 nm和0.992 4×1010～1.027 7×1010个·cm-3。反演结果随着随机噪声的增大,变化范围也明显增大即反演相对误差增大,并且每次添加相同随机噪声后的反演结果不同。为了减少随机噪声导致的不稳定性,对100次反演结果进行平均得到平均粒径、粒径标准差和颗粒数浓度。当随机噪声从0.5%增大至1.0%时,其反演结果的相对误差均增大,但是反演得到的粒径分布、粒径标准差和颗粒数浓度相对误差均小于6%,这说明通过反演算法得到的反演结果具有较好的稳定性。研究表明,光谱消光法为反演多分散Au-Ag合金纳米球粒径分布与浓度提供了一种简单、快速的表征手段,也对研究非球形纳米颗粒有启示作用。     

相对湿度对大气气溶胶消光系数的影响

消光系数是气溶胶颗粒物光学性质的关键参数之一。基于Mie散射理论和气溶胶颗粒粒径及折射率的湿度增长模型,本文详细研究了气溶胶吸湿性对其消光系数的影响。计算结果表明:当入射光波长为808nm、相对湿度在60%~95%之间增加时,因颗粒粒径的增长及折射率的减小,导致颗粒物消光系数曲线右移且其波动性更加明显;而对于同一球形颗粒,小粒径颗粒的消光系数随相对湿度的增加呈指数规律增大,较大粒径颗粒的则表现为波动减小趋势。此外,在不同入射光条件下,小颗粒消光系数与相对湿度之间的关系保持不变。本文的计算结果对气溶胶光学性质与大气环境质量的研究具有一定的参考价值。     

基于PCA-BP神经网络的光谱消光法颗粒粒径反演算法研究

光谱消光法广泛应用于颗粒粒径测量领域,在利用光谱消光法对颗粒粒径进行反演的过程中,由于颗粒的消光系数存在理论复杂、计算繁琐、收敛速度慢以及求解不稳定等问题,很大程度上影响了整个反演过程的快速性和准确性。且在众多波长的消光数据中,存在较多重复冗余的信息,也很大程度上增加了反演算法的时间。针对光谱消光法粒径反演算法计算繁琐、反演效率低的问题,提出了基于主成分分析（PCA）和BP神经网络的光谱消光颗粒粒径分析方法。基于Mie散射理论对不同粒径、不同波长下的光谱消光值进行了仿真计算,通过对光谱消光数据集的主成分分析及各个波长综合载荷系数的计算,实现了最优特征波长的选取,利用降维后的光谱消光数据训练了PCA-BP神经网络模型,并利用该网络模型计算了粒径颗粒分布。通过仿真计算,比较了PCA-BP神经网络模型与传统的BP神经网络模型的预测精度,并分析了波长数目对两种神经网络模型预测结果的影响。针对训练得到的PCA-BP神经网络模型开展光谱消光法粒径参数反演算法的验证实验,搭建了光谱消光法颗粒粒径参数测量实验系统,测量了粒径范围在0.5～9.7 μm内的6种不同粒径参数的聚苯乙烯标准颗粒。仿真和实验结果表明：基于主成分分析方法可确定各个波长向量之间的相关性,利用综合载荷系数选取最优特征波长对应的消光值对整体的光谱数据具有较好的代表性,可实现光谱数据的降维。相比传统的BP神经网络模型,基于PCA-BP神经网络模型的颗粒粒径分布的分析方法预测精度更高,对于较分散颗粒系的分布参数的预测有更加明显的优势。而且,被选取的波长数较少时,PCA-BP神经网络模型依然有较高的预测精度。利用训练好的PCA-BP神经网络模型对颗粒粒径参数进行实验验证,预测结果可瞬时输出,颗粒粒径分布误差在5%以内,验证了该算法的可行性。     

大气气溶胶消光特性和折射率的测量

 介绍了一种综合利用能见度仪、微脉冲激光雷达和光学粒子计数器测量大气气溶胶折射率的新方法。首先使用能见度仪和激光雷达测量出大气气溶胶的消光系数和消光后向散射比，然后使用粒子计数器测量出粒子谱分布，结合气溶胶粒子折射率，根据球形粒子的米（Mie）散射理论，可以得到气溶胶消光系数和消光后向散射比。通过分析消光系数、消光后向散射比、粒子谱分布和折射率之间的关系，结合已知的消光系数和消光后向散射比，反演出大气气溶胶粒子的折射率。     

基于偏振特性对石英玻璃和绿漆涂层的反演

物质的偏振特性与其复折射率、表面粗糙度以及观测几何条件有关,为了应用偏振探测技术实现对目标的定量反演,本文首先对两种典型目标(绿漆涂层和石英玻璃)的偏振特性进行了实验测定,并对偏振度与探测天顶角的关系进行了分析。利用实验数据并基于描述目标偏振特性的PG模型首次在考虑了粗糙度的影响下,对目标的折射率、消光系数进行了定量反演,最后将反演结果与参考结果进行比较。结果表明,石英玻璃的折射率相对误差为4.944 9%,绿漆涂层的折射率与消光系数的相对误差分别为11%和21.558 9%。该方法在考虑表面粗糙度的条件下能够更精确地测定物质的复折射率,同时也为偏振技术应用于目标定量反演提供了依据。     

Retrieval of spheroidal particle size distribution using the approximate method in spectral extinction technique

Retrieval of spheroidal particle size distribution using an approximate method in spectral extinction technique is proposed. The combined approximate method, which is the combination of Mie method and generalized eikonal approximation (GEA) method, is used as an alternative to the rigorous solutions to calculate the averaging extinction efficiency of spheroid. Based on the averaging extinction efficiency, the accuracy and limitations of the retrieval are then investigated. Moreover, the validity range and effect of the refractive index are also examined. The Johnson's S_B function in this paper is used as a versatile function to fit the commonly used particle size distribution functions in the dependent model. Simulations and experimental results show that the combined approximate method can be successfully applied to retrieval of spheroidal particle size distribution. In certain constraint conditions, the retrieval results demonstrate the high reliability and stability of the method. By using the combined approximate method, the complexity and computation time of the retrieval are significantly reduced, which is more suitable for quick and easy measurement. The method can also be used as a replacement when the rigorous solutions suffer computationally intractable difficulties.     

Thickness dependence of optical parameters for ZnTe thin films deposited by electron beam gun evaporation technique

Zinc telluride thin films with different thicknesses have been deposited by electron beam gun evaporation system onto glass substrates at room temperature. X-ray and electron diffraction techniques have been employed to determine the crystal structure and the particle size of the deposited films. The stoichiometry of the deposited films was confirmed by means of energy-dispersive X-ray spectrometry. The optical transmission and reflection spectrum of the deposited films have been recorded in the wavelength optical range 450-2500 nm. The variation of the optical parameters, i.e. refractive index, n, extinction coefficient, k, with thickness of the deposited films has been investigated. The refractive index dispersion in the transmission and low absorption region is adequately described by the single-oscillator model, whereby the values of the oscillator strength, oscillator position, dispersion parameter as well as the high-frequency dielectric constant were calculated for different film thickness. Graphical representations of the surface and volume energy loss function were also presented.