基于Mie散射的颗粒物质量浓度实时监测系统设计

为了检测可吸入颗粒物浓度这一大气环境监测中的重要指标,该文基于Mie散射理论,在粒子计数法检测原理的基础上,设计了一个颗粒物质量浓度实时监测系统,主要功能模块包括光路系统、信号处理电路、蓝牙模块、单片机系统和移动端蓝牙APP等。其中光路系统包括激光器和光电探测器;信号处理电路进行信号的转换、滤波和放大;单片机系统负责控制和数据处理,接收测量信号并进行数字滤波和差值运算,经过线性校正得到颗粒物质量浓度。此数据通过蓝牙模块发送给移动端APP显示。该系统相对于美国TSI传感器检测结果的平均相对误差约为7%,证实了该系统不仅成本低,且具有较高的精确度和稳定性。

Mie散射激光雷达回波信号小波去噪方法

针对强背景光下,Mie散射激光雷达回波信号所含噪声的特点,提出小波滤波消噪方法.该方法通过小波变换分离出背景光的直流部分,并利用小波软阈值消除来自背景光的白噪声和探测系统的电噪声.为了验证该方法的有效性,提取并反演了Mie散射激光雷达系统实际探测得到的大气回波信号.反演结果显示有效探测距离从2.5km提高到5km,表明该方法能够在白天背景下有效降低Mie散射激光雷达回波信号中的电噪声和背景光的噪声污染.

Mie散射物理量的数值计算

介绍Mie散射物理量，如振幅函数、强度函数、偏振度、散射系数、消光系数和吸收系数等的数值计算法。给出这一算法的计算公式和运行时间，并与其它Mie散射物理量计算算法进行比较。

利用小波变换消除颗粒物Mie散射对DOAS技术的影响

为消除烟气中颗粒物Mie散射对差分吸收光谱(DOAS)法反演气体浓度的影响,提出了多项式结合小波变换的滤波方法.数值研究结果表明:对不同的颗粒物浓度和不同的气体浓度,采用该滤波方法都能够大幅度降低气体浓度的反演误差,且小波变换的层数随颗粒物浓度的增加而增加.实验研究表明:基于该滤波方法的DOAS技术,对0～1377.2mg/m3范围内的SO2气体,其浓度反演误差大都在10%以内,零点漂移由50.96mg/m3降为9.96mg/m3,提高了DOAS技术的测量精度.

基于Mie散射理论的微球体颗粒半径分析

为高效、经济、准确地对微球体颗粒的半径进行测量,基于Mie散射理论设计了一种测量装置。本文应用Mie散射理论对微球体颗粒光散射的性质进行了理论分析与数值计算,得出了散射光分布与入射光波长、微球体颗粒半径以及微球体相对折射率之间的关系。结果表明:入射光波长越小,散射光能量越集中分布在散射角较小的范围内;相对折射率的变化对散射光分布的影响不大;不同半径颗粒的散射光强的分布差异较大,因此通过测量散射光的分布可以确定微球体颗粒的半径,从理论上证明了该设计方案的可行性。结合理论分析与计算结果设计了一种用于测量微球体颗粒半径的装置,该装置具有结构简单、成本低、效率高等优点,可以用于实际测量,具有一定的实用性。

Mie散射系数计算方法的研究

介绍一种计算Mie散射系数的新方法，给出计算实例。

Mie散射激光雷达研究成都地区大气边界层结构

基于Mie散射大气激光雷达,对成都地区大气边界层结构随时间变化的特性进行了研究。首先,应用Klett算法对大气激光雷达回波信号进行了反演,得到大气消光系数和后向散射系数。然后,通过对大气后向散射系数曲线进行拟合得到大气边界层混合层高度以及卷夹层厚度等特征参量。基于实测数据对成都地区大气回波信号进行了反演,结果表明,成都地区大气边界层混合层高度较低,卷夹层厚度较薄,且随时间变化的趋势较缓慢,这与成都地区特殊的地理状况有关。

简易Mie散射数值计算方法的研究

在回顾光散射理论发展史的基础上,分析了常规Mie散射计算实现过程中的问题,并论述一种改进的简易Mie散射数值计算方法。参照科学记数法定义了一种"EDecimal"类型的数据结构及其基本数学运算和三角函数运算。采用动态链表技术实现了高效的C++Mie散射计算程序。该程序不仅可以用来处理极端条件下的Mie散射计算,而且显著降低了算法的时间复杂度,提高了执行效率。与相同精度要求下采用Wiscombe编写的MIEV0程序的计算结果进行了比较,并指出此程序精确可靠。

基于Mie散射理论的云红外辐射传输研究

在 Mie 散射理论的基础上，计算了8～14μm 波段不同半径云粒子的散射特性，对散射相函数的特点进行了分析。根据积云、层云和卷云的粒子分布，对三种云的散射相函数、散射系数、吸收系数以及对辐射衰减90％的距离进行了计算，并根据辐射经过云层的传输方程，分析了云粒子前向散射对辐射传输的影响。结果表明：积云和层云对辐射衰减90％的距离分别在20 m、60 m 以内，而卷云的可达2km 以上。

1．06μm激光仿真测试中Mie散射影响分析

结合室内激光跟踪探测器仿真测试中脉冲激光目标指示信号的发射、传播和探测过程,探讨1.06μm波长脉冲激光大气传输中气溶胶米氏(Mie)散射对激光探测和跟踪的影响规律。通过建立室内气溶胶散射模型,进行激光指示散射信号传输的建模与仿真计算。数学仿真和实际测试数据的对比分析表明,该计算模型具有较高精度,为设计激光跟踪探测器探测和跟踪仿真测试布局和采取减小散射影响措施提供了参考。

关于大颗粒Mie散射与Fraunhofer衍射问题的分析比较

利用Ｍｉｅ散射与Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ衍射理论的数值计算，对球形颗粒的Ｍｉｅ散射和Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ衍射做了大量的计算和分析比较，提出了大颗粒的Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ衍射近似替代Ｍｉｅ散射的判据。

非球形气溶胶粒子散射特性及其等效Mie散射误差分析

为分析形状对气溶胶粒子散射特性的影响,采用T矩阵法计算了0.633μm波段(自然光)不同种类、形状的气溶胶单粒子与体散射的散射相函数,并讨论了气溶胶粒子形状畸变与等效Mie散射误差的变化规律。结果表明:粒子形状畸变对气溶胶粒子散射能量空间分布影响较大。对于单粒子,各散射角上的等效Mie散射误差并不随粒子形状畸变程度单调变化。从相对误差量级上看,形状畸变对180°散射的影响强于0°,对35°的散射影响相对较弱。对于两种非球形粒子等效方法,等表面积法优于等体积法。不同类型的非球形气溶胶粒子体散射存在显著差异,沙尘性与海洋性的等效Mie散射误差明显大于煤烟性与可溶性粒子;对于同一种气溶胶,形状的改变对侧向与后向散射影响显著,对前向散射影响不大。

偏振状态下微粒的Mie散射特性研究

为了研究偏振状态下球形微粒的Mie散射规律,采用一种连分式向前递推的高精度算法,通过matlab编程计算,对单个微粒和微粒群进行研究,主要分析了小尺度范围内球形微粒的吸收性、粒径分布对散射光分布规律的影响,直观的表示出Mie散射分布规律,有助于Mie散射理论基础的研究和应用。

离轴Mie散射激光雷达系统及其信号校准

介绍了离轴Mie散射激光雷达系统回波信号校准的实验方法。在该校准工作的基础上对回波信号进行处理分析的结果与同期的气象资料具有较高的吻合度,表明该校准过程正确、稳定、有效。

单泡声致发光中气泡运动特性的Mie散射测量

运用光学Mie散射测量,实验研究了声致发光单泡的运动状态和发光光强受激励声场频率f及声压Pa变化的影响,结合动力学R-P方程拟合得到不同声压Pa下气泡半径随时间变化的动力学特征曲线——R(t)曲线,定量确定了气泡平衡半径Ro和压缩比Rmax/Ro,并通过气泡振子模型给出的势能方程估算了气泡塌缩阶段的能量损耗。结果表明:适当控制谐振频率(△f/fo-10-4,fo=21 kHz)和声压(1.2 atm-1.5 atm)可实现稳定的单泡声致发光;并且随着Pa的增大,气泡压缩比增大,回弹势能占总能量的比值逐渐减小(10-1-10-3),气泡在膨胀相聚集的大部分声能很可能以激波和热能形式释放。

基于Mie散射理论的铌酸锂晶粒散射特性

基于Mie散射理论,对铌酸锂晶粒光散射特性进行了理论分析与数值计算,得到了散射强度分布、偏振度与散射角、散射强度与粒子尺寸参数,以及光学截面与粒子半径的关系。研究表明:前向散射占优势,并随粒子半径的增大而增强;当粒子半径为0.1μm左右,散射截面和吸收截面达到最大值。

由Mie散射光强反演颗粒粒度分布的一种改进正则化法

基于Mie散射的激光粒度仪广泛地应用在颗粒粒度测量中,其中由光强分布演算出粒度分布的计算方法一直是关注的热点。此反演问题属于第一类Fredholm算子方程,具有不适定性,难以得出准确的稳定解,需要用高效的数值算法。本文提出一种应用于该类仪器颗粒粒度分布反演问题的改进正则化法,采用广义交叉验证法(GCV)来选择正则参数,并引入松弛技术,将迭代值加工成一种松弛值以改善精度,得出了稳定的正则拟解(近似解)。经标准颗粒的验证和计算机模拟证实,此算法是可行和有效的。

Mie散射理论测量粒子系复折射率的透射方法

粒子的光学常数并不等同于构成粒子材料的光学常数,而通过粒子光谱复折射率数据,研究粒子及聚集粒子系的辐射特性,不仅对辐射物性的研究具有较高的理论意义,而且具有广泛的实际应用价值。粒子的复折射率不能直接通过实验测量(没有直接测量的仪器),须由实验测定其他量,然后结合相应的理论模型反求,属反问题研究。用简化的Mie散射理论及Kramers-Kronig关系式,利用傅里叶红外光谱仪对Al2O3粒子及煤灰粒子进行透射率实验测量,结合相应的理论模型,反演Al2O3粒子及煤灰粒子的复折射率。并对透射率实验误差对反演结果的影响进行了分析。

TiO_2颗粒紫外区Mie散射特性

应用Mie散射理论对紫外光下TiO2微粒光散射特性进行了理论分析与数值计算,得到了散射强度分布、偏振度与散射角、散射强度与参数X以及光学截面与粒子半径的关系。结果表明,前向散射强度随着粒子半径的增大而增强;当粒子半径为50nm左右,散射截面和吸收截面达到最大值。

改进算法研究1064nm激光大气Mie散射特性

为了研究1064nm激光大气气溶胶粒子的散射特性,利用Mie散射累积相乘算法,对函数迭代式进行简化,减少存储数组,对无穷迭代进行有效截断,减少迭代次数。通过模拟得到单分系和多分系的散射分布特征,得出散射强度主要集中在前向小角度散射的结论,并讨论了散射光的偏振特性,得出散射光存在完全偏振光的结论。结果表明,改进算法具有收敛速度快、精度高的优点。