光散射计数法颗粒群质量测量的数学模型

分析了计数法颗粒物质量测量的一般数学模型,结果表明颗粒群总质量能表示成各通道计数值的线性迭加.在此基础上以光散射球形颗粒群质量测量为例,以颗粒物的同质量子集Ni为出发点,依据统计理论推导出计数通道的散射光通量与颗粒群的平均体积之间存在分形关系φ=L(V)β,由此得出计数通道平均质量(m)j与计数通道特征参数φ的一般函数关系(m)(φj )≡ρ(V)j=ρL-ηφηj ,η为光散射等效截面分形维数,且0<η<3.并将其推广到非球形颗粒的测量之中,由此建立起光散射计数法颗粒群质量测量的完整的数学模型,为实现计数器在线测量颗粒群的质量浓度提供了一种可行途径.     

悬浮颗粒计数信号等效体积的分形测度

提出悬浮颗粒质量子集的概念,并将其推广为与计数测量信号幅度档对应的等效质量子集概念.根据统计学原理,进一步建立了悬浮颗粒质量子集颗粒平均体积的分形测度模型.基于悬浮颗粒群不同质量子集的几何形貌结构分布具有统计自相似性的特征,推导出计数法颗粒质量测量中与信号幅度档对应的颗粒等效质量计算公式,建立起计数法悬浮颗粒质量测量的基础理论模型. 关键词： 分形测度 形貌参数 质量测量 质量子集     

海洋混合悬浮颗粒对蓝绿激光的散射特性研究

激光在水下的传输很大程度上会受到海水中悬浮颗粒物的影响,而目前对于海洋中悬浮颗粒物光散射的理论研究大多是针对单一成分的悬浮粒子而进行的,但是在真实海洋中悬浮颗粒物都是以多种成分混合的颗粒群形式而存在的,因此研究真实海洋中混合悬浮颗粒物对蓝绿激光的散射特性具有重要意义。该研究选取了对蓝绿激光传输产生较大影响的浮游藻类植物、悬浮泥沙、碎屑、悬浮气泡和矿物质这五种常见的悬浮颗粒物作为研究对象,充分考虑真实海况中这五种悬浮颗粒物的不同混合情况,构建了海水中混合球形悬浮颗粒物对蓝绿激光的散射特性模型。数值计算了海水中五种物质混合的球形悬浮颗粒物对532 nm蓝绿激光的统计平均光散射参量和平均散射相函数,分析不同混合悬浮颗粒物的混合比对平均散射、吸收和消光系数以及单次反照率随着粒子有效半径和粒子数浓度变化的影响,同时分析了不同粒子尺寸下的不同混合比对混合悬浮颗粒物的平均散射相函数随着角度变化的影响。数值结果表明,当悬浮泥沙在整个混合模型中占比越大时,平均散射系数越大,而当悬浮藻类粒子在整个混合模型中占比增大时,平均吸收系数增大,由此可知海洋中对光造成主要影响的五种常见悬浮颗粒物中,悬浮泥沙对光散射作用影响最大,悬浮藻类粒子对光吸收作用影响最大。随着悬浮颗粒物浓度的增大,混合粒子的单次反照率保持不变,由此可知混合悬浮颗粒物的平均光散射参量随着粒子浓度的增长速率是一致的。海洋中混合悬浮颗粒物的平均散射相函数随着粒子的有效半径的增大而增大,散射作用最大的混合比下的悬浮颗粒物其平均散射相函数最大,悬浮颗粒物的前向散射较强。该工作对蓝绿激光在海水中传输、信道建模,水下无线光通信的研究以及激光探测都具有重要的理论指导意义。     

多波段激光雷达颗粒物质量浓度探测方法

为了获得大气颗粒物的质量浓度廓线,提出一种基于多波段激光雷达回波信号的大气气溶胶消光系数与颗粒物质量消光效率相结合的新型算法。该方法利用覆盖紫外到近红外波段的激光雷达作为遥感探测工具,获取气溶胶的消光与后向散射系数,反演得到气溶胶粒子谱分布;同时,根据米散射理论算出气溶胶消光效率,结合粒子谱分布,提出颗粒物质量消光效率模型,从而建立基于消光系数与质量消光效率相结合的反演颗粒物质量浓度的新型数学模型与算法。采用该算法对两组不同天气条件多波段激光雷达实测数据进行反演,并与地表采用的颗粒物浓度对比,证明该方法的可行性,为实现颗粒物质量浓度空间分布的探测提供科学依据和方法论。     

利用T矩阵模型计算水体中非球形悬浮颗粒物光散射特性

水体中悬浮颗粒物的光散射特性是影响基于直接光谱法水质检测结果准确性的一个重要参数。依据T矩阵模型,研究了紫外-可见光照射下水体中非球形悬浮颗粒物的光散射强度特性。以藻类和泥沙类颗粒物为例,构造了椭球、圆柱和广义Chebyshev三种非球形粒子光散射模型,分析了入射光波长、悬浮颗粒物形状、复折射率与相对散射光强之间的关系,计算了不同悬浮颗粒物相对散射光强随波长、颗粒物尺寸以及旋转角变化的情况。数值仿真结果表明,不同种类非球形悬浮颗粒物的散射光强度均呈现出显著的变化。在200~800nm波长范围内,随入射波长的增大,粒子几何尺寸所带来影响逐渐减小,散射特性主要由复折射率决定。当粒子尺寸小于0.2μm或接近1μm时,在入射光波长位于紫外或红外的条件下,散射光强度较大且呈现强烈振荡;而当粒子尺寸r=0.3~0.9μm,散射强度较稳定,接近于0且受到入射光波长的干扰较小。这可为提高紫外-可见吸收光谱法的检测精度、抑制散射干扰提供一定依据。     

基于后向光散射的无组织排放颗粒物质量浓度远程测量方法

针对目前尚无有效测量建筑工地等无组织排放源排放的颗粒物质量浓度的方法的问题,提出基于后向光散射的无组织排放颗粒物质量浓度远程测量方法,其测量结果为柱形光束段的颗粒物质量浓度平均值。建立后向散射光能与颗粒物质量浓度、测量距离的理论模型,搭建以半导体激光器为光源和以互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器为探测器的便携式测量装置,开发了图像处理程序。通过标定实验验证了颗粒物质量浓度与系统输出值之间的线性关系,并得到了标定曲线。实验分析了较大颗粒的粒径及测量距离在100 m以内的变化对测量结果的影响。同时选取无组织排放源进行现场模拟测试。结果表明:基于新方法的实验测量装置可应用于开放场地无组织排放气团中颗粒物柱浓度的远程估测。     

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。     

高速摄影法测量圆盘状颗粒曳力系数的方法研究

曳力系数是表征气固相互作用的基础性参数之一。常规的曳力系数测量主要采用重力沉降法,只适用于重颗粒、且表面光滑密实的情况,并不适用于像生物质这类非球形、轻质颗粒的曳力系数的测量。本文介绍一种非球形、轻质颗粒曳力系数的高速摄像测量方法,基于颗粒视频、图像的处理方法,分析在测量区域内颗粒的受力大小和迎风截面的变化.应用该方法测量两种典型球形、圆盘状颗粒的曳力系数,实验结果表明球形颗粒的测量结果与标准曳力曲线预测的结果变化趋势一致;对于圆盘状颗粒,其测量结果与非球形颗粒曳力系数的Hoizer经验公式计算值相比,存在20%的平均误差。     

双角度光学粒子计数器标定研究

针对光学粒子计数器的标定对其测量精度的重要性,根据球形粒子的Mie散射理论对双角度光学粒子计数器的标定进行了研究,对标定过程中的一些现象进行了理论分析。通过对它们的研究以及对标定的分析可以对双角度光学粒子计数器测量数据的合理性进行判断,这对光学粒子计数器的研制和标定是很有意义的。     

基于生物光学算法的海洋悬浮粒子检测技术研究

 通过研究分析海水中几种主要物质的固有光学特性,提出了基于生物光学算法的机载蓝绿激光雷达检测海洋悬浮粒子的方法。针对海洋悬浮粒子的两类代表物质浮游植物和非色素悬浮粒子,采用生物光学算法,分别构建了基于机载蓝绿激光雷达的浮游植物叶绿素浓度检测模型和非色素悬浮粒子浓度的检测模型。仿真计算可以证明这两个检测模型能有效探测出浮游植物叶绿素浓度的大小和非色素悬浮粒子浓度,为实际海洋悬浮粒子的检测提供理论基础和技术支持。     

Mass concentration calculation with the pulse height distribution of aerosols and system calibration

The pulse height distribution of aerosols, which was measured by an optical particle counter, was applied to inverse aerosol mass concentration. Using the conceptions of equivalent diameters, the feasibility that the pulse height distribution was used to inverse mass concentration was verified theoretically, and then the definition of average mass was introduced. According to the Mie scattering theory, considering particle shape and non-uniformity of intensity distribution in the optical sensing volume, a novel algorithm for mass concentration was proposed based on the theoretical analysis. In this algorithm, we only need to calibrate two coefficients. The Gauss-Newton and the two-step calibration methods were presented. The former method revealed that calibration coefficients calculated with nonlinear regression are related to the range of mass concentration, leading to the instability of the calibration coefficients. Furthermore, though detailed analysis of the problem, the latter method was put forward. The experimental results indicate mass concentrations inversed by the algorithm have high precision.     

利用T-matrix计算非球形粒子散射特性的研究

本文用T-matrix方法计算了非球形气溶胶粒子的光学特性,得到了气溶胶粒子的消光截面、散射截面、吸收截面与气溶胶粒子形状的关系,不同形状气溶胶粒子的有着相同的散射相函数和不同的偏振度,非球形气溶胶粒子的散射相函数对其复折射指数的实部和虚部都不太敏感,而偏振相函数对其实部和虚部都比较敏感.此结论为研究大气辐射传输提供了较好的方法,尤其是偏振度与偏振相函数的提出为用偏振的方法进一步的反演气溶胶的光学参数提供了理论基础.     

A model for aerosol mass concentration using an optical particle counter

A model for measuring aerosol mass concentration by an optical particle counter is presented using the conception of the average mass. In this model, to understand the meaning of the pulse height distribution of particles which is used to inverse mass concentration, the relationship among intensity distribution in the optical sensing volume, particle shape, and the pulse height distribution is discussed. To solve the instability of the equivalent factor, a novel two-step calibration method is proposed. The experimental results demonstrate that mass concentrations calculated by the model are in good agreement with those measured by a norm-referenced instrument. For samples of soot and air, the slopes of fitting lines of data points are 0.9582 and 0.9220, and the correlation coefficients are 0.9991 and 0.9965, respectively.     

基于模糊聚类算法的苯系物二次有机气溶胶质谱数据分析

OH自由基启动苯系物光氧化形成的二次有机气溶胶能够影响气候变化,降低大气能见度,危害人类健康。我们实验室自行研制的气溶胶飞行时间质谱仪能够用于二次有机气溶胶的实时检测研究。该仪器在检测过程中产生大量的实验数据,对这些数据快速、自动处理并提取有价值的信息是整机系统的关键之一。本文介绍模糊聚类算法在苯系物二次有机气溶胶单粒子聚类分析中的成功运用。利用该算法对OH自由基启动1,3,5-三甲苯光氧化形成的二次有机气溶胶单粒子质谱数据进行了聚类分析,在得到的五个聚类中包含了芳香醛、酚类化合物、硝基酚和羧酸等重要的光氧化产物,为研究苯系物光氧化机理提供了新的信息。     

Determination of Particle Mass Density Distribution

A new method for the determination of two characteristics of a sample of particles, the correlation of particle mass density with particle size and the distribution of particle mass density, is presented. The new method to meet these requirements is based on the combination of two optical particle sizing techniques where the measured particle characteristics have a different dependence on particle mass density. Photosedimentation and laser diffraction were chosen as suitable techniques for this goal. The determination of particle mass density by photosedimentation and laser diffraction is based on the fact that for each particle size class of the sample to be analysed the mass density can be calculated by an application of the Lambert-Beer law. The particle size distribution of the sample has to be known for the determination of particle mass density, and it is measured by laser diffraction. From this, two particle characteristics, the relationship of particle mass density and particle size and the distribution of particle mass density, are obtained. The capacity of the algorithm and its limitations are demonstrated by computational simulations including an error propagation analysis. Experimental results are shown for homogeneous and heterogeneous materials.     

Anomalous diffraction approximation method for retrieval of spherical and spheroidal particle size distributions in total light scattering

Using total light scattering technique to measure the particle size distribution has advantages of simplicity in measurement principle and convenience in the optical arrangement. However, the calculation of extinction efficiency based on Mie theory for a spherical particle is expensive in both time and resources. Thus, a simple but accurate approximation formula for the exact extinction efficiency may be very desirable. The accuracy and limitations of using the anomalous diffraction approximation (ADA) method for calculating the extinction efficiency of a spherical particle are investigated. Meanwhile, the monomodal and bimodal particle size distributions of spherical particles are retrieved using the genetic algorithm in the dependent model. Furthermore, the spheroidal model in the retrieval of non-spherical particle size distribution is also discussed, which verifies the non-sphericity has a significant effect on the retrieval of particle size distribution compared with the assumed homogeneous isotropic sphere. Both numerical computer simulations and experimental results illustrate that the ADA can be successfully applied to retrieve the particle size distributions for spherical and spheroidal particles with high stability even in the presence of random noise. The method has advantages of simplicity, rapidity, and suitability for in-line particle size measurement.     

飞尘气溶胶粒子散射特性分析:对比实验和米散射方法

采用Mie散射理论计算了可见光波段等效球飞尘气溶胶粒子的Stokes散射矩阵,并与实验得到的空间随机取向的非球形飞尘气溶胶粒子结果进行了对比分析;由理论与实验方法得到的散射相函数,采用离散坐标法计算了两者的双向反射函数(BRDF),并对此结果进行了分析研究。结果表明:实验测量的非球形飞尘气溶胶粒子群的散射矩阵和基于球形粒子假设的Mie散射理论计算结果在大多数散射角上都不相同,但是不对称因子却大致相同;球形-非球形粒子群的BRDF随反射角的变化趋势基本一致,但是球形粒子群的BRDF曲线分布具有更大的波动趋势;随着光学厚度的增加,球形-非球形粒子群的BRDF曲线分布均趋于平坦,计算结果趋于一致。因此在飞尘气溶胶粒子散射特性研究中,当光学厚度较小时,用球形假设的方法会造成一定的误差,BRDF相对误差最大可以达到60%,需考虑粒子非球形特性造成的影响;而当光学厚度较大时,BRDF相对误差一般不会超过10%,采用球形假设的方法具有一定的适用性。     

基于自适应共振神经网络的单粒子激光电离质谱数据分析

气溶胶激光飞行时间质谱仪(ALUOFMS)可以在线地对气溶胶单粒子进行物理和化学特性分析,利用双束连续激光对单个粒子的空气动力学粒径进行测量,并通过飞行时间完成单粒子化学成分的检测。该仪器在运行过程中将产生海量的实验数据,对这些数据快速、自动处理并提取有价值的信息是整机系统的关键之一。文章介绍了基于神经网络的自适应共振算法(ART-2a)在随机混和的氯化钠、氯化钙、邻苯二甲酸二正辛酯(DOP)和2,5二羟基苯甲酸(DHB)气溶胶单粒子聚类分析中的成功运用。同以往的质谱分析方法相比,ART-2a可以实现对任意多和任意复杂的输入模式进行自组织,自适应和自稳定的快速识别,更有利于质谱数据的分析。实验结果表明,当警戒值为0.40,学习速率为0.05以及迭代次数为6时,ART-2a可以成功地对这四种物质进行分类,同时得到4类物质的聚类中心,每类的聚类中心都能很好的代表该类物质的特征。     

用激光解吸附电离飞行时间质谱法检测悬浮土壤颗粒物

在自行研制的气溶胶飞行时间激光质谱仪(ATOFLMS)上实时探测单个悬浮土壤颗粒的粒径和化学成分。利用双束连续激光对单个粒子的空气动力学粒径进行测量,并用266 nm的Nd∶YAG激光器对气溶胶单粒子进行解吸附电离作用,产物离子通过飞行时间质谱仪的无场漂移区后完成单粒子化学成分的检测。本实验中使用了4个不同地区的土壤样本,在实验室内对分析的样本进行预处理和再悬浮,通过导管引入ATOFLMS进行测量,得到大量单粒子的粒径和质谱数据。发现在众多的单粒子的阳离子质谱中,金属成分以地壳元素(Fe, K, Al, Ca)为主,在其他阳离子质谱中包含了Mg和Na等。对悬浮土壤粒子的粒径进行实时检测的结果表明这些粒子多以粗粒子为主, 粒径主要集中在1～2 μm。实验结果表明该仪器在大气气溶胶环境监测及相关研究领域具有重要的实用价值。