利用消光谱反演气溶胶复折射率的一种新方法及其应用

在仅有消光信息可利用的大气气溶胶观测资料处理过程中，需要寻找一种合理的反演复折射指数的方法。通过理论分析认为，Ｆｙｍａｔ消光比方法有潜在的反演不稳定性，经多种粒度谱的数值试验分析，认为消光比方法反演大气气溶胶复折射率，仅对特殊粒子谱型较为有效，而消光差方法却表现出适用谱分布广和具有良好精度的特点。用此方法反演出了中国科学院长春净月潭遥惑试验场１９９０年和１９９１年不同能见度下大气气溶胶的复折射率。对大气辐射传输计算，地物遥感大气订正，气溶胶的气候效应研究方面有参考价值。

混合颗粒系蒙特卡罗消光模型及反演方法

在单一颗粒系中,消光光谱法颗粒粒径测量模型通常基于Mie散射理论和Lambert-Beer(LB)定律。但多种颗粒物构成的混合颗粒系的消光特性更为复杂,颗粒粒径与混合比均会影响消光谱,需要发展新的理论模型。作者设计一种蒙特卡罗(Monte Carlo,MC)原理的混合颗粒系消光模型,将入射光束离散化成光子,通过追踪其从发射至接收/逃逸过程中所有事件,统计光子去向并研究混合颗粒系的消光特性。为了验证蒙特卡罗模型的准确性,分别对聚苯乙烯和玻璃微珠单一颗粒系中消光谱进行数值计算,结果与Lambert-Beer定律预测误差小于2%。进一步将模型扩展至由聚苯乙烯和玻璃微珠构成的混合颗粒系,其消光谱随玻璃微珠占比(混合比)增大而依次递增,直至混合比为1时退化为单一颗粒系,而波长减小时,消光随混合比变化趋势由线性向非线性转变,两种颗粒自身消光特性差异越大则非线性趋势越明显,说明混合系消光值由颗粒类型、混合比、颗粒粒径和光波长共同决定且相互耦合。根据预测消光谱,采用三种全局最优算法对混合颗粒粒径和混合比参数反演。结果表明:混合比单参数反演结果的误差最小,均在1.5%以内;对两种颗粒粒径进行双参数反演时,误差均在3%以内;对两种粒径和混合比进行三参数同步反演时,误差增大,但均在10%以内。综合分析三种反演算法,PSO算法耗费时间最长,是其他算法的数倍,IGA算法效果较好且更加稳定。初步验证了设计的蒙特卡罗模型可应用于混合颗粒系的消光谱预测,实现了两种颗粒粒径与颗粒系混合比的同步反演。

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。

光谱消光法测量高压湿蒸汽的研究

在前人工作的基础上发展了光谱消光法在线测量技术,并将其应用于高压湿蒸汽两相流湿度和水滴尺寸分布的测量.在数据处理上,提出了改进的optimized regularization反演算法,该算法比以往的Phillip-Twomey-NNLS算法有更大的抗噪性、准确性和稳定性.还进行了标准颗粒测量实验和高压湿蒸汽在线测量实验.结果表明:通过增大测量区与接收光纤间距和减小接收光纤面积,可大大降低颗粒前向散射光(包括低浓度时的不相关单散射光和高浓度时的复散射光)对消光光谱的影响,从而保证了在高浓度情况下湿蒸汽测量的准确性.湿蒸汽实验结果表明:在高压状态下湿蒸汽中的水滴尺寸比低压汽轮机内湿蒸汽中的水滴小,并且分布也较窄,这也是核电高压汽轮机水蚀较少的原因之一.

基于模式搜索的光谱消光粒径分布反演算法的研究

发展快速有效的反演算法用于粒径分布的重建是颗粒测量领域重要的研究课题之一。在光谱消光法粒径测量中,提出将模式搜索算法用于独立模式下粒径分布的重建,同时引入Tikhonov平滑泛函构建算法的目标函数,为保证搜索过程的快速性和准确性,设计了关于初始点的优选策略。利用该算法测量国家标准颗粒体积平均直径的相对误差为3.14%,不超过国家标准物质局给出的±8%的范围,且粒径分布宽度合理,没有明显展宽和伪峰现象。与Phillips-Twomey方法和遗传算法的对比结果表明,在综合考虑反演精度和反演时间条件下,该算法具有明显优势,更适合于快速准确的现场测量,具有较好的应用前景。

时间域内的消光起伏光谱法

利用层模型得到消光起伏光谱及其数学表达式,光谱转折点的位置给出了颗粒的粒径信息,而光谱的深度则与颗粒系统的浓度有关.所得结果考虑了颗粒浓度对消光起伏光谱的影响.

消光起伏光谱的时间相关处理

消光起伏光谱法(TFS)是一种新的颗粒测量方法,可同时测量两相流中颗粒的粒径分布和体积浓度。由于在测量原理和结构上非常简单,这种方法可用来实现在线、实时测量。然而在实际测量中,消光起伏光谱法对颗粒粒径分布的分辨率还比较低且对高浓度颗粒系的测量须考虑颗粒相互作用效应。本文提出一种新的数据处理方法-消光起伏相关光谱法(TFCS),通过对消光起伏信号在不同相关时间参数下进行相关计算来得到消光起伏光谱以提高消光起伏法对颗粒粒径分布的分辨率。

消光光谱颗粒粒径测量方法影响因素实验研究

为了研究消光光谱颗粒粒径测量方法影响因素,搭建了消光光谱颗粒粒径测量实验系统,建立了非线性最小二乘颗粒粒径反演算法,并选用900 nm、2.1 m与5.1 m三种标准颗粒作为待测颗粒样品,开展了不同波段范围、波长选取数及颗粒浓度下消光光谱颗粒粒径测量实验研究。结果表明:消光光谱颗粒粒径测量过程中,光谱波长范围、波长数以及颗粒浓度等参数的选取均会对反演精度造成较大影响;光谱信噪比是光谱波长范围选取的重要指标;存在光谱波长选取数精度阈值,采用该阈值进行颗粒粒径反演,既可以保证测量精度,又可以避免光谱数据冗长导致反演计算速度降低;颗粒粒径反演选取待测颗粒系消光值约0.75时达到最佳。

银纳米粒子的消光光谱与粒子形状的关系

先利用离散偶极子近似(Discrete Dipole Approximation,DDA)的方法,分别计算置于空气中的球形、不同长径比的椭球形和棒形银纳米粒子的消光光谱.计算结果表明:球形纳米粒子仅存在单个等离子体共振尖峰;而椭球状和棒状粒子则存在横向和纵向两个等离子体共振峰;并且横向峰的变化不甚明显,而纵向峰会随粒子长径比的增大而线性地红移.再结合Gans的解析理论,分析等离子体共振的机理,并研究纵向等离子体共振峰随着粒子长径比的增大而红移的现象.

金属材料介电特性对其纳米粒子消光光谱的影响

本文采用离散偶极子近似理论,研究金、银两种金属的球形和棒状纳米粒子的消光光谱.计算结果表明:金、银两种材料的纳米粒子,其消光光谱的强度和峰位存在一定的差异.该研究将为纳米粒子在光电器件、化学传感元件等领域中的应用提供有益的理论参考.

银纳米颗粒半径对其消光光谱影响的研究

采用Mie理论计算球形银纳米粒子在不同半径下的消光光谱.数值计算结果表明,随半径增大,粒子消光光谱的高阶峰依次出现,峰位逐渐红移.银纳米粒子偶级共振峰峰位随半径变化可用一组简单函数表示.

宽光谱消光比智能化测试系统的实验研究

基于相干检测原理设计了一套由单色仪、数字锁相放大器和计算机联合使用的透射式偏光镜消光比智能化测试实验系统,采用双频双光路分光单探测器接收锁相放大器分离信号比对法进行源补偿测量,克服了光源光强漂移所带来的影响;实现了可见光区消光比的精确自动测量,而且可以测得近似的消光光谱.

基于PCA-BP神经网络的光谱消光法颗粒粒径反演算法研究(英文)

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0.5~9.7μm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。

基于二极管激光消光光谱的高温气体与颗粒物同时探测研究

化石燃料燃烧过程中产生的碳烟颗粒物是大气细粒子(PM2.5)的主要来源,这些大量产生的碳烟颗粒物也是影响燃烧效率的重要因素;乙炔(C_(2)H_(2))作为碳烟生成的重要前驱体,在碳烟生成过程中起到关键作用;因此,发展能够同时对碳烟颗粒物及C_(2)H_(2)浓度进行在线测量的方法,对于碳烟生成机理的研究具有重要意义.本文选择中心波长1540 nm的可调谐二极管激光器作为光源,利用多通吸收方式搭建探测系统,在自行设计的气固两相高温静态池中使用C_(2)H_(2)-N_(2)混合气体载带石英砂颗粒模拟颗粒物环境,通过获取6490.02 cm^(-1)处C_(2)H_(2)目标谱线附近的一段消光光谱信号,并从中分别提取出与颗粒物有关的消光信号和与C_(2)H_(2)有关的吸收信号,从而实现了对颗粒物质量浓度和气体体积浓度的同时测量.测量结果表明,在500-1000 K温度范围内颗粒物质量浓度和气体体积浓度的测量值与参考值之间的平均偏差分别为2.73%和5.17%,说明了本技术对于气体与颗粒物同时测量的良好性能.

十字星形金属纳米粒子的消光性质

单纳米粒子的LSPR光学生物传感器具有空间分辨率高,可植入生物的细胞和组织里,检测所需要的剂量少等优势。本文提出一种十字星形的纳米粒子结构以进一步提高单纳米粒子LSPR光学生物传感器的信号强度。模拟和分析表明,十字星形纳米粒子的消光效率远远高于相同结构尺寸的菱形或三角形纳米粒子的消光效率,为发展新型结构单或阵列式的金属纳米粒子LSPR光学生物传感器提供了参考依据。

舰船水雾红外消光的性能优化

利用细水雾的红外消光作用,将舰船目标笼罩在一层水雾之中,能够有效减弱目标与背景的辐射能量差异,降低红外探测设备对目标的发现或识别概率。首先,从辐射传递方程出发,对传递方程进行了一定的简化,得出比布格尔定律更为通用的辐射衰减公式。然后,将水雾粒子视为满足对数正态分布的稀疏粒子群,利用Mie氏理论对水雾层的散射系数、衰减系数、吸收系数进行了计算,并分析了水雾参数(浓度、平均粒子半径以及对数粒子半径偏差)对光谱消光性能的影响。最后,经过合理的优化,得出具有最佳光谱消光性能的水雾参数。计算结果表明:当水雾浓度为7g/m^3,平均粒径为4μm,对数粒径偏差为0.9时,水雾对舰船目标具有最佳的消光性能。

化合物/银核壳结构纳米复合颗粒的消光性能研究

利用离散偶极近似(Discrete Dipole Approximation,DDA)方法系统研究ITO/Ag、CdS/Ag、和ZnS/Ag纳米核壳结构的消光特性。研究结果表明,银纳米核壳的表面等离子体共振吸收峰位置随周围介质折射率和颗粒核壳比的增大逐渐红移;且当核壳比相同时,较大球径纳米核壳的消光峰位置处在长波长处。研究亦发现,银壳与化合物之间存在显著的电子迁移现象,相同球径的银表面电子密度降低程度由高到低为CdS/Ag、ZnS/Ag、ITO/Ag。

提高选择调幅干涉光谱仪分辨率的希尔伯特-史密特方法

本文根据希尔伯特-史密特理论,首次得到了在选择调幅干涉光谱仪的接收面上辐照度分布与待研究光谱相联系的积分方程的精确解,从而再现了输入的真实光谱,提高了光谱分辨率。

单金纳米棒远场散射光谱技术

单金纳米棒(gold nanorod AuNR)的远场光学技术在近几年引起了相当大的关注。由于金纳米棒(AuNRs)独特的局部表面等离子体共振(localized surface plasmon resonance LSPR)特性,金纳米棒颗粒非常适合高度传导定域在表面的化学或物理刺激产生的光信号。根据该课题组的研究经验,对AuNR的光学探测和光谱学方法的原理、应用、进展和纳米系统表现出新奇的光学特性进行了综述。较为全面地介绍了:(1)AuNR散射光谱相关的各类技术,包括:暗场技术,零差和外差技术,光子晶体技术,空间调制和偏振调制技术等;(2)AuNR散射光谱特性,包括:光谱线形函数,线宽,衬底对光谱的影响以及理论和实验光谱的对比等;(3)相关光谱技术近年来的发展。重点研究了基于LSPR的远场光学散射方法。主要是基于AuNR线性的方法,如直接和间接的散射检测方法。注重强调了介质环境(如底物,表面结合的分子或其他纳米材料等)的重要性以及对散射光谱和消光幅度的影响。特别注重的是AuNR表面及形貌的定量方法及其相关性研究,无论是直接的还是间接的散射的方法,大都给出实验与理论模型精确的比较。这些实验和理论工具的结合可以详细解释单金纳米棒的光学性质。

金属纳米颗粒的消光特性的研究

纳米技术发展迅速,而金属在纳米级别展现出了特殊的光学特性。本文通过基于有限元法的Comsol Multiphysics软件研究了基于局域表面等离子体共振的球状金纳米颗粒的消光光谱,分析了其波峰随纳米颗粒尺寸及外部介质折射率的变化情况。