基于蒙特卡罗模拟的散射介质中后向光散射模型及分析应用

构建了内光源模型探讨散射介质中的光散射现象,利用蒙特卡罗方法研究了逃逸出组织的后向散射光子数随光子在组织内部发生的散射次数的分布关系,探讨了光源照明方式、辐射强度、接收方式、调制等参数的变化对后向散射的影响,结果表明后向散射光子的数量随散射次数的分布并非简单的单调递增或递减,而是一条先增大后减小出现峰值的曲线. 峰值位置、峰值大小及曲线形状与光源、探测方式、组织光学特性参数等有关. 关键词： 医用光学与生物技术 散射介质 后向散射 蒙特卡罗模拟     

颗粒物与气体浓度同步测量方法研究

针对燃煤电厂颗粒物超低浓度排放在线检测的需求,在激光散射法的基础上提出了利用光强调制技术的颗粒物浓度在线测量方法。结合波长调制技术提出了气体与颗粒物浓度同步测量的方法,同时建立了波长调制下散射光信号的数学模型。理论分析及仿真结果表明:气体浓度与归一化二次谐波幅值的峰值成正比,颗粒物浓度与消除气体吸收后的散射光信号的一次谐波幅值成正比。利用1392 nm的近红外激光器对蚊香燃烧时产生的颗粒物与水蒸气浓度进行同步测量。实验结果表明:测量的水蒸气浓度值与温湿度传感器测量值之间的偏差小于3%,颗粒物浓度的特征值与粉尘仪测量值具有高度线性关系,拟合因子为0.9973,实现了基于波长调制技术的颗粒物与气体浓度的同步测量。     

前向光散射颗粒测量技术中遗传算法的应用

在前向光散射颗粒测试技术中,反演算法是影响测量结果的主要因素之一.遗传算法作为一种较新的自适应全局优化算法,其参数优化和目标函数的设计决定了颗粒粒径分布的反演效果.本文对遗传算法中相关参数的设置进行讨论,通过数值模拟验证了该算法对多分散颗粒系统粒径分布的反演效果,并对聚苯乙烯标准颗粒进行实测和反演计算.结果表明:遗传代...     

基于CCD后向散射激光信号的PM2.5测量研究

根据米散射理论和激光传播方程,建立PM 2.5颗粒物浓度与后向散射光强的关系模型,并提出了基于电荷耦合器件(CCD)后向散射激光雷达的实时PM 2.5颗粒物浓度的监测方法。设计了以532 nm波长的激光器为光源、CCD为接收器的后向散射激光雷达实验装置。根据获得的实时大气颗粒物后向散射图像,提取灰度值矩阵并分析了散射图像的光强分布;对比赛默飞世尔科技公司的PM 2.5监测仪(SHARP)的实验结果,拟合了PM 2.5颗粒物浓度与散射光强的5个关系式,拟合度均在0.95以上。这种成本较低、操作便利的实时PM 2.5颗粒物浓度监测装置的推广,有助于建立PM 2.5污染物的分布和运动模型并绘制污染地图,具有重要意义。     

光后向散射法测烟尘浓度的实验研究

设计了一套具有高灵敏度的利用光后向散射法测烟尘浓度的装置,不仅具有实时、在线、连续测量等优点,而且价格低廉、便于安装.通过理论分析获得散射光强与烟尘浓度的关系,并通过自行设计的测量装置测量了不同烟尘浓度下的散射光强,验证了理论的正确性并获得了描述后向散射光强的电信号强度与烟尘质量浓度关系的曲线.实验结果证明在烟尘浓度较低时,后向散射光强与烟尘浓度有很好的线性关系.     

开放光程扬尘颗粒物浓度测量方法及系统

利用单波长激光通过扬尘空间发生散射消光衰减的特性,设计了开放光程的颗粒物浓度检测方法及系统。该方法利用双峰正态分布模型模拟颗粒物粒径分布,实时计算一定空间范围内的扬尘颗粒物浓度,具有响应速度快、测量动态范围宽的优点,适合浓度高、变化快、空间范围大的扬尘颗粒物浓度测量。通过水溶胶模拟实验与烟尘实验验证了该方法的可行性。实验数据表明,系统量程可达0~400mg/m3,分辨率为0.05mg/m3,响应时间小于1s。     

基于光学闭合原理的太湖水体颗粒物后向散射特性模拟

后向散射系数是遥感传感器获取水体信息的来源,也是生物光学模型的重要输入参数。利用太湖春季和秋季实测数据,在生物光学模型的基础上结合光学闭合原理模拟了太湖春、秋季节水体颗粒物后向散射系数,进而分析了其光谱特性及颗粒物后向散射概率的时空变化。结果表明,太湖春、秋季节水体颗粒物后向散射系数与总悬浮物、无机悬浮物浓度均具有较高的相关性,而与有机悬浮物浓度的相关性则相对较低,颗粒物后向散射系数随波长变化指数n在太湖春季水体中的变化范围为0.66～1.84,平均值为1.29±0.25,而在太湖秋季水体中的变化范围为0.67～2.40,平均值为1.24±0.34;太湖春季水体颗粒物平均后向散射概率为0.030,而太湖秋季水体颗粒物平均后向散射概率为0.031,且无论是太湖春季水体还是太湖秋季水体,其颗粒物后向散射概率的波长依赖性均较弱。模拟吸收系数与实测吸收系数吻合较好,总体的平均相对误差均在18%以内。     

气溶胶消光系数与质量浓度的相关性研究

为了利用激光雷达探测的消光系数垂直分布来反演气溶胶质量浓度的垂直分布,研究气溶胶消光系数与质量浓度之间的关系就显得十分重要.根据Mie散射理论,分析了气溶胶的质量消光系数、消光系数和质量浓度之间的关系,引进了等效参数,分析了Junge指数对等效参数的影响.用实际测量的粒子谱分布、能见度、相对湿度和气溶胶质量浓度验证了气溶胶消光系数和质晕浓度之间的关系.这对利用激光雷达测量的气溶胶消光系数垂直分布来反演气溶胶质量浓度的垂直分布是很有实用价值和指导意义的.     

排放源颗粒物浓度及粒径连续监测技术的研究

１前言我国实施了“主要污染物排放总量控制”的环境控制战略，把污染排放总量逐级下达到每一个排放源。为此，亟需解决排放源颗粒物浓度的测量技术。取样法（ＳａｍＰｌｉｎｇ）不能连续测量，测量周期也长，操作繁杂，劳动强度大，使得对排放源的复检率很低，测量误差也较高【‘］。浊度法（ＯＰａｃｉｔｙ）及近期发展的杂散光法（ＳｔｒａｙＬｉｇｈｔ）【’］，虽易于实现连续测量，但其测量结果为浊度或散射光强，烟尘浓度值则需通过标定的方法才能得到。实际上，浊度和散射光强不仅与烟尘的浓度相关，还要受到烟尘颗粒的粒径及折射率…     

基于前向光散射的水体悬浮颗粒物粒度双CMOS测量技术研究

基于CMOS探测器的静态光散射法能够实现水体悬浮颗粒物粒度分布的快速检测,受探测器工作特性和面幅大小的限制,前向光散射的CMOS粒度测量范围和精度难以提高。提出了颗粒前向光散射的双CMOS测量技术,重点研究双CMOS散射信号拼接测量方法,设计消除背景干扰的CMOS探测器分环方式,实现宽粒径范围颗粒粒度的准确测量。实验结果表明：基于CMOS探测器的颗粒粒度测量上限提高到了1000μm, 1000μm、500μm标样的D₅₀测量相对误差分别为0.7%、0.1%,大粒径颗粒粒度测量准确度高;同时双CMOS探测的方式将单CMOS的粒度测量下限由5μm提高到了2μm, 5μm、2μm标样D₅₀相对误差分别由单CMOS的15.0%、51.1%下降至双CMOS的1.4%、2.6%。     

基于后向散射法测量蒸汽湿度反演算法的优化

为了精准测量汽轮机末级蒸汽湿度，提出在激光后向异轴角散射法的基础上建立蒸汽湿度测量模型和湿蒸汽参数反演优化模型。根据该优化模型采用粒子群算法对加入高斯白噪声的仿真数据和模拟汽缸的实验数据进行反演寻优，并将得到的反演结果与人工鱼群算法和传统的均匀搜索方法进行了对比。采用粒子群算法时r_0.5、K、N的反演结果误差为0.05、0.66和0.51%，反演时间为306.41 s；采用鱼群算法时r_0.5、K、N的反演结果误差为2.96、19.98和4.68%，反演时间为411.05 s；采用均匀搜索算法时r_0.5、K、N的反演结果误差为5.00、27.14和7.95%，反演时间为246.42 s。结果表明:粒子群算法能够克服人工鱼群算法和均匀搜索方法两者的不足，可以在较短时间内获得精度高且稳定可靠的反演结果，为湿蒸汽参数测量提供了更加准确的数据，并对其他颗粒物参数测量反演提供了理论依据。     

气泡浓度对海洋激光雷达后向散射特性的影响

对不同浓度气泡幕水下激光雷达的后向散射特性进行了理论分析和实验研究。实验结果表明：由于水中气泡群后向散射的原因,在水下激光雷达整体后向散射信号的回波曲线上,除了水体后向散射导致的信号峰以外,还出现因气泡散射而导致的散射峰,该散射峰叠加在水体的后向散射信号峰上,其位置与水中气泡幕的位置直接相关,而其幅值则受气泡幕的浓度影响。随着气泡幕浓度的增大,其后向散射峰幅值相应增大,这一点与理论分析结果一致,而回波峰值的变化趋势则主要受水体质量的影响。     

渤海近岸水体悬浮颗粒物对后向散射特性的影响研究

进行海洋水体悬浮颗粒物的空间分布及粒径构成对后向散射特性变化影响,研究对于加深水体散射性质的认识、提高水色遥感反演参数的精度及海洋环境监测等具有重要意义。结合渤海海域2017年6月、9月的现场数据,获得了夏季、秋季各站位总悬浮颗粒物浓度(SPM)、颗粒粒径以及后向散射系数等参数并进行研究。结果表明,后向散射系数b_bp在可见光波段随波长的增加而减小;同时,夏季和秋季,大多数站位b_bp(550)的变化趋势与SPM的变化趋势基本一致;在进行两者之间的相关性研究时发现,相关系数R2并不高,仅为0.24。该研究还建立了平均粒径(D_A)、中值粒径(D₅₀)与b_bp的关系,得出D_A与b_bp呈线性关系,受季节及水体颗粒构成的影响,夏季,水体颗粒物以小颗粒为主,两者之间的相关性高于秋季,两个季节的R2分别为0.7和0.3;同时得出当水体以小颗粒为主时,b_bp随D_A增大而增大,以大颗粒为主的时,b_bp随D_A增大而减小。D₅₀与b_bp的关系则不同,两者之间呈现非常好的幂指数关系,在同一季节里,b_bp均随着D₅₀的增大而减小,即水体中颗粒物粒径越小,其后向散射系数越大,夏季和秋季两者之间的相关系数分别为0.66和0.5;并且发现如果不分季节差异,现场水体颗粒物的粒径构成对b_bp的影响很难确定。     

应用CCD对浓度场的全场瞬时测量

基于数字图像处理技术和光学粒子散射理论 ,应用CCD研究设计了具有非接触不干扰、全场测量、测量区域大和低成本等特征的湍流瞬时浓度场的光学测量系统 ,并进行了实际测量 .与文献对比分析结果表明 ,该方法是可行的和有效的 .     

基于后向散射的高浓度纳米颗粒粒度分布测量方法研究

传统的动态光散射法通常采集侧向散射进行纳米颗粒粒度分布的测量,由于多次散射的影响,利用侧向散射不能准确测量高浓度样品的颗粒粒度分布。针对该问题,对后向散射测量方法进行了研究,在实验基础上提出了后向散射最佳光程的判断准则。在不同样品浓度下,用侧向散射和后向散射方法对标称粒径分别为110 nm、220 nm的聚苯乙烯乳胶球颗粒进行了测量。实验结果表明,对于高浓度的待测样品,后向散射测量方法通过自适应调整光程,在最优光程处进行测量,能够有效得到高浓度纳米颗粒的粒径及粒度分布,测量结果相对误差为2.72%。     

基于布里渊散射信号检测的大气探测模型

以激光信号在传输介质中的布里渊散射频移量模型为基础,依据相关大气数据建立基于布里渊散射信号检测的大气探测模型。该模型中布里渊频移量只与大气高度相关,详细描述了低空大气范围内布里渊频移量的连续分布状态。结果表明在086 km的海拔高度范围内,大气的布里渊散射频移量分布在1.01.3 GHz之间。与有关数据相比,该模型与实际情况非常符合,同时具有很好的连续性和普适性。     

基于布里渊后向散射的海水温度与盐度同步测量研究

基于布里渊散射信号的检测可实现对海水温度等参量的监测.由于海水的布里渊频移量是关于温度和盐度的二元函数,故无法仅通过布里渊散射频移量的检测实现对海水温度和盐度两个独立变量的精确测定.研究表明布里渊信号的功率也是关于温度和盐度的二元函数,所以文章提出通过测量布里渊频移量和接收布里渊信号功率大小,通过两个二元函数反演出海水的温度与盐度数值,实现对海水温度和盐度两个独立变量的同步测量.     

大气后向散射比对风速测量的影响

采用同时测量Rayleigh散射和Mie散射混合信号的多普勒频移的单边缘技术,探测低空中（b值的变化,导致测量结果有很大的误差。详细分析了Rb值的变化对风速测量灵敏度及测量结果的影响,并做出了在不同Rb值情况下的风速测量校正曲线。结果表明：随着Rb值的增大,风速测量灵敏度有升高的趋势;随着Rb值偏差的增大,测量的风速误差有增大的趋势;同时,在相同的Rb值偏差情况下,随着径向风速的增大,测量的风速误差也有相应的增大。     

大气后向散射比对风速测量的影响

 采用同时测量Rayleigh散射和Mie散射混合信号的多普勒频移的单边缘技术,探测低空中（<12 km）的大气风速。由于大气后向散射比R_b值的变化,导致测量结果有很大的误差。详细分析了Rb值的变化对风速测量灵敏度及测量结果的影响,并做出了在不同Rb值情况下的风速测量校正曲线。结果表明：随着R_b值的增大,风速测量灵敏度有升高的趋势;随着Rb值偏差的增大,测量的风速误差有增大的趋势;同时,在相同的R_b值偏差情况下,随着径向风速的增大,测量的风速误差也有相应的增大。     

一种扩大动态光散射颗粒法可测溶液浓度的改进方法

针对传统动态光散射颗粒测量法测量溶液浓度范围较小的问题，通过模型和实验研究了传统DLS系统双孔结构中测量区大小对测量结果的影响，发现可通过改变测量区大小控制散射体体积，从而扩大测量溶液浓度的范围。并基于传统DLS系统双孔结构光路，通过使用可调狭缝，并增加透镜，扩大了DLS测量溶液浓度范围，实验结果表明了该方法的有效性。