New Receiving Mode of Extinction for Determining Particle Size and Density without Convex Lens

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｉｆａｌｉｇｈｔｂｅａｍ ｐａｓｓｅｓｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔｍｅｄｉｕｍ ,ｉｔｓｉｎｔｅｎｓｉｔｙｗｉｌｌｂｅｗｅａｋｅｎｅｄｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎｏｆｐａｒｔｉｃｌｅｓ[1] .Ｔｈｉｓｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｉｓｃａｕｓｅｄｂｙｔｈｅｓｃａｔｔｅｒｉｎｇａｎｄａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｏｆ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ.Ｔｈｅｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｗａｖｅｓａｒｅｄｉｆｆｕｓｅｄｉｎｓｐａｃｅａｌ…     

可见-红外波段光全散射法颗粒粒径测量范围的研究

在光全散射法颗粒粒径测量中,采用独立模式算法在可见-红外波段对粒径测量范围进行了深入的研究。通过对多种R-R分布函数反演结果进行分析,比较,以确定光全散射法颗粒粒径测量范围。同时在消光系数计算中,采用修正的消光系数代替原始的消光系数,以便得到更准确的粒径测量范围。仿真计算结果表明,在可见-红外光谱区,相对折射率m=1.235时的粒径测量范围为0.05～18 μm。在此区域内测量粒径分布,反演结果与真值基本吻合。随着颗粒相对折射率、波长范围的变化,粒径测量范围也随之发生改变。采用限制最小二乘算法能够最大限度地克服随机噪声对测量结果的影响,使测量的精度和可靠性明显提高。对测量的消光值加入±1%随机噪声时,颗粒粒径分布的反演均能得到满意的结果。     

水云增长过程中的云滴谱及散射特性分析

基于大气物理学研究了水云云滴增长过程中的粒谱及散射特性.研究结果表明,凝结增长使粒谱半高宽和有效半径不断增加,碰并增长使粒谱出现多峰分布,有效半径增加.在凝结增长和碰并增长共同作用下,有效半径的平均增长速率为8 nm/s.凝结增长和碰并增长单独作用下,消光系数和散射系数随时间呈线性变化.在二者共同作用下,除3.2 mm波长外,消光系数和散射系数随时间呈指数增长;1.064, 2.2, 3.7, 12和22μm波长的不对称因子逐渐趋于稳定,200μm的不对称因子呈指数增长,3.2 mm的不对称因子基本保持不变;1.064和2.2μm波长的雷达比在20 sr附近波动,3.7μm波长的雷达比呈大幅振荡.云滴增长过程中,水云在1.064, 2.2和3.7μm波长的单次散射反照率逐渐降低,在12μm, 22μm, 200μm和3.2 mm波长的单次散射反照率逐渐增加,波长指数的绝对值逐渐减小.研究结果可为天气预报、地气辐射平衡研究和遥感数据校正提供重要的参考.     

Inversion of visible optical extinction data for spheroid particle size distribution based on PCA

The problem of light scattering properties of spheroid particles is studied, and a general approach is presented for calculating the single particle light scattering of spheroids. In this approach, the extinction efficiency of spheroid particles can be calculated by combining the spline interpolation of T matrix method and ADA (anomalous diffraction approximation) theory. Furthermore, the retrieval of spheroid particle size distribution is performed in the dependent mode and a selection method about the optical extinction data is proposed based on PCA (principle component analysis) of first derivative corresponding to the raw optical extinction. By calculating the contribution rate of first derivative corresponding to the raw optical extinction, the optical extinction with more significant features can be selected as the inversion optical extinction data. In this way, the selected optical extinction has less information redundancy and higher capacity of resisting noise disturbance. Simulation experiments indicate that the spheroid particle size distributions obtained with the proposed method coincide fairly well with the given distributions, which provides a simple, reliable and efficient method to retrieve the spheroid particle size distribution using the optical extinction data.     

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。     

基于MATLAB与LabVIEW的 Mie散射参数分析系统

针对激光散射法测量0.1 m~10 m微小球形颗粒过程中,Mie散射理论各参数的分析、计算、最优化选取比较复杂和繁琐,通过收敛速度、折射率和尺度参数测量范围、叠加次数的比较,采用球形粒子Mie散射参量的MATLAB改进算法, 结合MATLAB较强的计算能力和LabVIEW良好的图形化界面,进行LabVIEW和MATLAB混合编程。设计了Mie散射理论参数分析系统,系统实现散射系数的计算,并分别对散射系数与颗粒直径关系曲线、散射强度分布曲线、入射光波长与散射光强关系曲线、颗粒直径与散射光强关系曲线、入射光偏振角与散射光强关系曲线进行分析。通过实验结果和结论对比验证系统可行,且散射系数、消光系数和散射光强的计算结果可精确到小数点后17位,从而达到减少大量计算和编程工作的目的。     

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。     

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。     

Raman-Mie方法反演气溶胶后向散射系数

传统的Klett和Fernald反演气溶胶法依赖于消光系数和后向散射系数的假设关系,给反演结果带来误差。根据纯转动拉曼后向散射系数仅是大气温度和压强的函数,设计的Raman-Mie方法用米散射和纯转动拉曼回波信号结合探空温度和大气压强共同反演气溶胶后向散射系数。不仅消除了Klett和Fernald方法引入假设带来的误差,还可避免因几何因子修正带来的影响。最后将该方法用于实验室自行研制的拉曼-米散射激光雷达,反演出了大气气溶胶后向散射系数廓线,实验结果与Klett(Fernald)方法分别进行了比较。     

Theory of scattering of electromagnetic waves of the microwave range in a turbid medium

The coefficient of extinction of electromagnetic waves of the microwave range due to their scattering from clusters suspended in an amorphous medium and responsible for turbidity is calculated. Turbidity resembles the case when butter clusters transform water into milk. In the case under investigation, the clusters are conductors (metallic or semiconducting). The extinction coefficient is connected in a familiar way with the cross section of light scattering from an individual cluster. A new formula is derived for the light scattering cross section in the case when damping of oscillations of an electron is due only to spontaneous emission of light quanta. In this case, the resonant scattering cross section for light can be very large. It is shown that this can be observed only in a whisker nanocluster. In addition, the phonon energy on a whisker segment must be higher than the photon energy, which is close to the spacing between the electron energy levels in the cluster.     

Linearized T-matrix and Mie scattering computations

We present a new linearization of T-Matrix and Mie computations for light scattering by non-spherical and spherical particles, respectively. In addition to the usual extinction and scattering cross-sections and the scattering matrix outputs, the linearized models will generate analytical derivatives of these optical properties with respect to the real and imaginary parts of the particle refractive index, and (for non-spherical scatterers) with respect to the “shape” parameter (the spheroid aspect ratio, cylinder diameter/height ratio, Chebyshev particle deformation factor). These derivatives are based on the essential linearity of Maxwell's theory. Analytical derivatives are also available for polydisperse particle size distribution parameters such as the mode radius. The T-matrix formulation is based on the NASA Goddard Institute for Space Studies FORTRAN 77 code developed in the 1990s. The linearized scattering codes presented here are in FORTRAN 90 and will be made publicly available.     

用多波长消光法测量大颗粒的尺寸分布

基于Mie光散射理论,提出一种用多波长消光原理(light extinction)测量大颗粒的尺寸分布的方法.理论分析及计算机数值模拟表明,采用可见光波段的多波长消光法可将测粒上限扩展至300μm以上.文中给出了数值模拟结果和对几种大尺寸标准颗粒的实测结果.     

大气气溶胶粒子数密度谱和折射率虚部的测量

介绍一种综合利用光学粒子计数器和能见度仪测量大气气溶胶折射率虚部的新方法。首先，使用光学粒子计数器测量出大气气溶胶粒子的数密度谱(待订正)，用能见度仪同步测量出水平能见度。然后，根据球形粒子的米氏(Mie)散射理论，通过分析气溶胶粒子的折射率虚部、分档半径、粒子数密度谱、消光系数和能见度之间的关系，对分档半径进行订正，得到折射率虚部和能见度之间的对应关系。结合同步测量的能见度，反演出大气气溶胶粒子的折射率虚部。最后，利用折射率虚部对光学粒子计数器数据进行订正，得到大气气溶胶粒子的数密度谱。     

多角度动态光散射加权贝叶斯反演算法

研究加权贝叶斯算法在多角度动态光散射法测量单峰分布颗粒体系的颗粒粒度分布中的应用.采用颗粒粒度信息分布为底数、调节参数为指数的权重系数给各个角度下的光强自相关函数曲线加入不同的权重系数，再利用传统的贝叶斯算法反演.模拟与实验结果表明，加权后的贝叶斯算法能获得分布误差更小的反演结果，有效地抑制了数据噪声的影响，提高颗粒粒度分布反演的准确性.     

生物组织的可见光与近红外光散射模型

对生物组织光学模型尤其是光散射特性进行了研究, 发现可以利用等效粒子数密度的粒度分布更精确地了解生物组织的光散射性质。在夫琅和费衍射近似下, 散射系数和散射相函数可以由等效粒子数密度的粒度分布得到。基于粒子粒度光散射测量技术, 所得结果可给出一种新的可行的测量生物组织光学性质参数的方法。     

红外辐射在水雾中衰减计算的修正方法研究

水雾系统对红外光谱有着强烈的衰减作用,因此在军事目标的各种制导对抗中被予以高度的关注。以Mie散射理论为基础,分析了粒子对红外光谱前向散射的聚集特性,定义了近前向散射比,并确定了在应用朗伯比尔定律时需修正的粒子尺度和散射半角的范围。通过大量计算发现,单独将粒子尺度和散射半角的乘积作为独立变量计算的视消光系数不够精确。在中远红外波段,前向散射附近的小角度内散射强度积分与粒子尺度和散射角都成正比,若红外波长为定值,则与粒子半径成正比。最后根据前向散射规律给出了两个不单独以x.θ为变量的经验计算公式,使得对水雾消光的修正计算更加简便精确。     

基于Mie散射的可吸入颗粒检测仪的设计

可吸入颗粒物浓度是大气环境监测中的一项重要指标。在Mie散射消光原理的基础上,采用三波长方法并结合了分布式函数算法设计了可精确测量大气中可吸入颗粒物浓度的检测仪器,计算了Mie散射效应中消光因子的光谱依赖关系,在数据处理中对光谱时域信号进行积分从而消除了光谱多峰效应所产生的误差。此检测仪气路部分可实现可吸入颗粒物(PM2.5和PM10)的双通道采集。利用激光光纤将三种不同波长的激光通过耦合器(3合1)耦合进一个光纤后通过样品池,衰减光进行分离后进入光电探测器,由电路模块对探测到的光信号进行转换、数据处理、显示和存储, 并通过3G无线网络实现数据的远程传输和共享。该仪器可以实现可吸入颗粒平均粒径和浓度测量。通过实验验证了检测仪的各项性能指标,数据表明该检测仪的灵敏度为0.01 μg·m-3,响应时间约为90 s,适用于大气中可吸入颗粒物浓度的实时检测。     

基于偏振门的动态光散射颗粒测量法的研究

为了解决动态光散射纳米颗粒测量技术无法测量高浓度颗粒粒径的难题,提出了一种基于偏振门的动态光散射测量法。从动态光散射和Mie理论出发,理论分析了在高浓度溶液下多重散射效应对散射光偏振态和颗粒粒度测量结果的影响。根据散射光偏振特点,结合偏振门检测技术,改进了传统的动态光散射光学系统。实验研究了在低浓度和高浓度溶液时,不同偏振角度下的散射光强和粒度测量值,完善了散射光的偏振理论。采用90°偏振门检偏,通过各种浓度下的实验,证明了方法的可行性。该方法较之目前同类方法具有原理和结构简单,系统易于维护的特点。     

Investigations on the Capability of the Statistical Extinction Method for the Determination of Mean Particle Sizes in Concentrated Particle Systems

Due to the fast growing number of processes involving particulate systems, simple and robust measurement techniques which enable an inline monitoring of the particle size and their concentration are urgently required, since this ensures control but also process optimization. In this work, an inline measurement technique based on the statistical extinction method is developed that provides a process monitoring for a wide range of particulate processes, such as dispersion processes and spray processes. The method allows the determination of the mean size and concentration for particle systems with the size larger than 1 µm. For this purpose, a light beam illuminates the particle system, whereby the fluctuating light intensity due to the particle movement through the light beam is detected. The statistical fluctuation of the signal can be related to a mean particle size and a particle concentration. Since concentrated particle systems cause effects that additionally influence the signal, such as multiple scattering, approaches are needed to reduce or eliminate these effects. In this work, an approach using a spatial frequency filter is applied. The experimental investigations reveal that the effects can be significantly reduced with the spatial frequency filter.     

基于前向近红外散射光谱测量雾和雨天大气消光的应用研究

在可见和近红外区,由于大气的吸收作用忽略不计,大气消光由散射决定,主要贡献来自于雾滴、雨滴、其他形式降水和小粒子。基于前向近红外散射光谱的前向散射式能见度仪(FVM)采用近红外的LED光源照射到约100 mL的空气体积上,并测量前向30°～36°范围内的粒子的散射光强。由于该前向角范围内,雾滴和霾粒子的散射相函数不受粒子尺寸分布的影响,经过波长校正后,散射强度与大气消光系数成正比,该散射消光比通过对比标准人工观测值获得。然而,在把雾和霾的散射消光比应用到雨天测量时,会产生难以接受的误差。要得到雨天消光的准确测量,就需要找到适合雨滴的散射消光比。基于Mie散射理论计算了不同尺寸分布下的雾滴和雨滴的散射相函数,并对雾天和雨天下FVM的测量值与人工实际观测值进行了对比分析,发现FVM在雨天的消光要比人工观测值高出约20%～60%。根据测量结果,可以定出FVM在雨天测量的校准系数,因此,基于前向近红外散射光谱的FVM不仅能够测量雾天的大气消光,还能对雨天的消光进行较准确的估算