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高灵敏度气溶胶粒子谱仪研究

激光技术 2024年

作者：顾肖峰钟荣柯马星宇罗浚文徐国庆伍波成都信息工程大学光电工程学院中国气象局-成都信息工程大学人工影响天气联合研究中心

为了提升气溶胶粒子谱仪的探测灵敏度，采用了两个光电探测器分别探测小粒子散射的侧向散射光和大粒子散射的前向散射光的方法，设计并研制了基于光散射的小型化高灵敏度气溶胶粒子谱仪。采用聚苯乙烯标准微球测试了粒子谱仪的信号响应... 详细信息

为了提升气溶胶粒子谱仪的探测灵敏度，采用了两个光电探测器分别探测小粒子散射的侧向散射光和大粒子散射的前向散射光的方法，设计并研制了基于光散射的小型化高灵敏度气溶胶粒子谱仪。采用聚苯乙烯标准微球测试了粒子谱仪的信号响应。并与国外同类型产品进行了24小时对比观测，测试期间两者数浓度相关性好、变化趋势一致。结果表明，研制的气溶胶粒子谱仪最小分辨粒径间隔为20 nm，且体积小、重量轻。该研究为小型无人机气溶胶探测提供了重要参考。

关键词：激光技术气溶胶粒子无人机光学粒子计数器

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气溶胶粒子微观特性对后向散射回波的影响

中国激光 2019年第4期46卷 234-241页

作者：陈鹏赵继广宋一铄朱常明航天工程大学研究生院北京101416 航天工程大学电子与光学工程系北京101416

提出了一种从微观角度分析气溶胶粒子微观特性对后向散射回波影响的方法。基于Mie散射理论,建立了蒙特卡罗仿真模型,对收发同轴激光雷达的气溶胶后向散射回波特性进行仿真分析,得到了气溶胶粒径、复折射率实部及虚部对后向散射回波的峰... 详细信息

提出了一种从微观角度分析气溶胶粒子微观特性对后向散射回波影响的方法。基于Mie散射理论,建立了蒙特卡罗仿真模型,对收发同轴激光雷达的气溶胶后向散射回波特性进行仿真分析,得到了气溶胶粒径、复折射率实部及虚部对后向散射回波的峰值强度、信号延迟、波形展宽的影响规律,分析了由气溶胶粒子微观特性引起的多种宏观特性的同时作用对后向散射回波产生的影响。结果表明:后向散射回波强度主要取决于散射系数和不对称因子,回波延迟和脉宽与散射系数相关;随着复折射率实部的增大,后向散射回波强度增加,回波延迟和脉宽先减小后增大,但影响较小;随着复折射率虚部的增大,后向散射回波强度先减小后增大,虚部对回波延迟和脉宽无明显影响。

关键词：散射后向散射激光近距探测气溶胶粒子粒子微观特性 Mie散射

考虑聚并及热泳的微米级气溶胶粒子沉积数值模拟研究

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原子能科学技术 2019年第1期53卷 180-186页

作者：李钰顾卫国王德忠上海交通大学机械与动力工程学院上海200240

本文基于C++编写的程序对0.5～10μm气溶胶粒子沉积进行了数值模拟,研究了聚并和热泳对沉积的影响及其耦合作用。结果表明,气溶胶粒子数量浓度小于10^(12) m^(-3)时,聚并可忽略;气溶胶粒子数量浓度为10^(14) m^(-3)时,聚并不可忽略。考... 详细信息

本文基于C++编写的程序对0.5～10μm气溶胶粒子沉积进行了数值模拟,研究了聚并和热泳对沉积的影响及其耦合作用。结果表明,气溶胶粒子数量浓度小于10^(12) m^(-3)时,聚并可忽略;气溶胶粒子数量浓度为10^(14) m^(-3)时,聚并不可忽略。考虑聚并后,气溶胶粒子的沉积速度显著增加,如在温度梯度为3 000 K/m时,10μm气溶胶粒子的沉积速度较不考虑聚并时增大了37.2%。不考虑聚并、温度梯度为3 000 K/m时,由于热泳作用,0.5μm气溶胶粒子沉积速度增大到无温度梯度的5.96倍,考虑聚并后,减小为4.41倍(数量浓度为10^(14) m^(-3))。聚并和热泳会相互影响,但总体上聚并和热泳均会增强气溶胶粒子的沉积,从而加快气溶胶粒子的损失。

关键词：气溶胶粒子聚并热泳沉积浓度损失

基于角度散射法的气溶胶粒子粒径分布反演研究

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工程热物理学报 2018年第11期39卷 2503-2506页

作者：贺振宗伍祥瑞王昊毛军逵韩省思南京航空航天大学能源与动力学院江苏省航空动力系统重点实验室南京210016

本文基于人工蜂群-差分近似优化算法(Artificial Bee Colony and Differential Evolution algorithm, ABC-DE)和角度光散射法对气溶胶粒径分布进行了反演研究。此外,本文还提出了一种基于敏感度分析和主成分分析的角度散射测量信号筛选... 详细信息

本文基于人工蜂群-差分近似优化算法(Artificial Bee Colony and Differential Evolution algorithm, ABC-DE)和角度光散射法对气溶胶粒径分布进行了反演研究。此外,本文还提出了一种基于敏感度分析和主成分分析的角度散射测量信号筛选方法,用以提高粒径分布反演结果精度。研究表明:采用角度散射法反演颗粒粒径分布时,选择前向散射角度,如[0°,30°],更有利于提高反演结果精度;粒径分布反演精度与所选择测量角度信号的贡献率相关,高贡献率的测量信号更有利于确保反演结果精度和鲁棒性。

关键词：光散射法粒径分布气溶胶粒子敏感度分析主成分分析

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不同波长激光在典型气溶胶粒子中的传输特性

兵工学报 2020年第S02期41卷 249-256页

作者：马超陈慧敏齐斌郭鹏宇杨尚贤高丽娟北京理工大学机电动态控制重点实验室北京100081

战场环境下脉冲激光引信的探测性能容易受到气溶胶粒子的干扰,引起虚警和漏警。为研究脉冲激光引信在气溶胶环境下的传输特性,基于Mie散射理论,对沙尘性、水溶性、海洋性和煤烟性气溶胶粒子的消光特性和散射特性进行建模仿真分析。选取... 详细信息

战场环境下脉冲激光引信的探测性能容易受到气溶胶粒子的干扰,引起虚警和漏警。为研究脉冲激光引信在气溶胶环境下的传输特性,基于Mie散射理论,对沙尘性、水溶性、海洋性和煤烟性气溶胶粒子的消光特性和散射特性进行建模仿真分析。选取波长分别为0.905μm、4.7μm和6.8μm激光,通过改变气溶胶粒子粒径,得到不同参数对4种典型气溶胶粒子的效率因子与散射相函数的影响规律。仿真结果表明:激光粒径和波长影响气溶胶粒子的效率因子和散射相函数,粒径越大,其效率因子越趋于稳定,气溶胶粒子的后向散射能力越弱;波长越长,不同气溶胶效率因子峰值的变化不同,但峰值对应的粒径越大。

关键词：激光 Mie散射理论气溶胶粒子效率因子散射相函数

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大气气溶胶粒子粒径分布激光遥测研究进展

激光杂志 2023年第2期44卷 1-7页

作者：史亚龙张永科陈涌董吉辉杨泽后杨荣李晓锋周鼎富西南技术物理研究所成都610041

激光雷达具有探测距离远、灵敏度高、精度高、响应时间快、实时监测等优点,已成为大气气溶胶遥测的重要技术手段,对于改善人类生活质量、预防疾病、环境保护、气象研究、军事等领域有着极其重要的作用。对气溶胶粒子基本特性和激光遥测... 详细信息

激光雷达具有探测距离远、灵敏度高、精度高、响应时间快、实时监测等优点,已成为大气气溶胶遥测的重要技术手段,对于改善人类生活质量、预防疾病、环境保护、气象研究、军事等领域有着极其重要的作用。对气溶胶粒子基本特性和激光遥测气溶胶粒子粒径分布反演的基本原理进行阐述。重点介绍了国内外利用激光雷达遥测气溶胶粒子最新进展,并对气溶胶粒子粒径分布激光遥测的发展趋势进行简要总结。

关键词：激光技术粒子粒径分布激光遥测气溶胶粒子

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气溶胶粒子对涡旋波束的散射特性研究

气溶胶粒子对涡旋波束的散射特性研究

作者：黄青青西安电子科技大学

学位级别：硕士

大气气溶胶对自由空间激光通信、微波通信以及遥感等技术的发展有着重要影响。如何提高激光雷达对大气气溶胶的实时监测及测量的效率和精确度成为当前研究热点之一。现有激光雷达系统通常采用平面波或高斯波束作为光源。涡旋波束是具有... 详细信息

大气气溶胶对自由空间激光通信、微波通信以及遥感等技术的发展有着重要影响。如何提高激光雷达对大气气溶胶的实时监测及测量的效率和精确度成为当前研究热点之一。现有激光雷达系统通常采用平面波或高斯波束作为光源。涡旋波束是具有螺旋型相位波前和空心环状强度分布的特殊光场,它携带有轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)在自由空间激光通信和激光雷达遥感领域存在重要潜在应用。为了推广涡旋波束在上述两种领域的应用,我们需要熟悉大气气溶胶与涡旋波束之间的相互作用机理。本文主要围绕典型大气气溶胶,包括单球气溶胶粒子、含核气溶胶粒子和气溶胶粒子群对涡旋波束的散射作用的展开理论仿真研究。本文的主要研究工作如下:首先,介绍典型大气气溶胶模型和广义Lorenz-Mie散射理论。基于广义Lorenz-Mie散射理论,研究了平面波、高斯波束入射情况下典型气溶胶单球粒子的散射特性,分析了大气中相对湿度变化对气溶胶粒子散射特性的影响。其次,基于拉盖尔-高斯(Laguerre-Gaussian,LG)模和厄米-高斯(Hermite-Gaussain,HG)模之间的数学转换关系,建立大气气溶胶单球粒子对LG涡旋波束的散射模型。通过求解LG涡旋波束的单球粒子散射系数,数值计算了典型气溶胶粒子对LG涡旋波束的雷达散射截面(Radar Cross Section,RCS),分析了不同相对湿度对大气气溶胶与LG涡旋波束相互作用的影响,并与平面波、高斯波束入射情况下的结果进行对比。结果表明:LG涡旋波束对大气中相对湿度的变化较平面波、高斯波束入射情况更为敏感。此外,随着大气中相对湿度的增大,大气气溶胶会吸附水汽并冷凝形成了气溶胶粒子包覆着一层水的双层球型结构。在LG涡旋波束的单球散射模型基础上,研究了气溶胶含核粒子对LG涡旋波束的散射作用。数值计算了LG涡旋波束正入射气溶胶含核粒子RCS的双站结果,分析了不同径向模阶数、拓扑荷、粒子尺寸、折射率等参数对散射特性的影响。结果表明:气溶胶单球与双层球结构的RCS有明显区别,说明了在相对湿度较大的情况下,双层球结构更为符合实际。最后,基于LG涡旋波束气溶胶单球粒子的散射模型,研究了满足一定空间分布的典型气溶胶粒子群对LG涡旋波束的散射作用。讨论了相对湿度变化对服从对数正态分布规律和物理特性的气溶胶粒子群对涡旋波束的散射及偏振特性影响。

关键词：气溶胶粒子拉盖尔—高斯涡旋波束广义Lorenz-Mie散射理论雷达散射截面相对湿度

不同相对湿度下大气气溶胶粒子/粒子系的辐射特性

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不同相对湿度下大气气溶胶粒子/粒子系的辐射特性

作者：王莉武汉科技大学

学位级别：硕士

随着经济社会的发展,大量废气和烟尘颗粒排入大气导致严重的空气污染,当环境相对湿度增大时气溶胶会吸湿增长,对大气环境和人类健康造成诸多影响。为探究不同相对湿度下气溶胶的辐射特性,本文基于MIE散射理论和多球T矩阵方法并结合亲水... 详细信息

随着经济社会的发展,大量废气和烟尘颗粒排入大气导致严重的空气污染,当环境相对湿度增大时气溶胶会吸湿增长,对大气环境和人类健康造成诸多影响。为探究不同相对湿度下气溶胶的辐射特性,本文基于MIE散射理论和多球T矩阵方法并结合亲水性/疏水性气溶胶吸湿增长规律,建立单粒子/粒子系的散射吸湿计算模型,并采用FORTRAN语言完成数值计算代码编写且进行验证。研究结果表明:单气溶胶粒子在60～80%的低相对湿度和0.6～1.0μm的大粒径区间内散射吸湿增长缓慢,在80～95%的高相对湿度和0.02～0.6μm的小粒径区间内呈指数增长。亲水性气溶胶粒子（如硫酸、硫酸铵和硝酸铵）的散射吸湿增长变化显著,散射吸湿增长因子可高达33.43;而疏水性气溶胶粒子（如沙尘和黑炭）则有明显的抑制作用,散射吸湿增长因子可低至0.559。环境相对湿度和气溶胶粒子的成分对其辐射特性的影响随粒径和波长增大而减小。同时研究结果也表明:Log-Normal分布下的气溶胶单质粒子团簇散射吸湿增长趋势与其单粒子一致,但是增长幅度远低于单粒子。由于团簇粒子间的多次反射与遮挡效应,散射吸湿增长因子曲线会随相对湿度增大出现波动现象,而且随着团簇体积分数增大曲线波动加剧,幅度变大。黑炭和硫酸铵混合粒子团簇中均匀混合和核壳模型散射吸湿增长特性一致,说明粒子空间分布对团簇散射吸湿影响较小。但是黑炭和硫酸铵含量比对团簇散射吸湿增长特性的影响显著,且随波长增大越发明显,尤其在远红外波段,当黑炭含量为10%,散射吸湿增长因子出现最大峰值为14.269。本文研究结果可为太阳能的高效利用、大气污染治理以及大气环境的高精度监测等领域提供一定的理论支撑和借鉴。

关键词：气溶胶粒子团簇散射理论多球T矩阵吸湿增长

液相气溶胶粒子的结构和吸湿增长的分子模拟研究

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液相气溶胶粒子的结构和吸湿增长的分子模拟研究

作者：陈龙北京化工大学

学位级别：硕士

气溶胶粒子的相态、形态和微观结构会影响粒子的表面张力、体相和界面的传质速率、光散射和吸收能力等性质,也会影响粒子的蒸发、吸湿和非均相反应等过程;新粒子生成过程包括的成核和增长也与气溶胶粒子的吸湿增长和碰撞过程密不可分。... 详细信息

气溶胶粒子的相态、形态和微观结构会影响粒子的表面张力、体相和界面的传质速率、光散射和吸收能力等性质,也会影响粒子的蒸发、吸湿和非均相反应等过程;新粒子生成过程包括的成核和增长也与气溶胶粒子的吸湿增长和碰撞过程密不可分。目前,科学家们已经通过实验进行了许多关于气溶胶粒子的形态、结构、吸湿增长和碰撞过程的研究,但新粒子生成过程的初期涉及的是纳米级的分子和粒子,由于技术限制,实验上对纳米级气溶胶粒子的形态、结构、吸湿增长和碰撞过程的了解还不是很全面,因此,本文借助分子动力学模拟方法对上述内容进行研究,有助于加深对纳米级气溶胶粒子本身及新粒子生成过程的了解,为科学防治气溶胶污染等提供理论支撑。本文的主要研究内容及结论如下:第一,在接近真实大气环境下,用硫酸根、铵根、水、有机物模拟得到了纳米级气溶胶粒子,观测了其形态和结构。对粒子中的离子、水、有机物的分布进行了研究,发现当无机相连续时,大部分离子会分布在粒子的核心和中间环区域,大部分水分子和有机物会分布在粒子的中间环和外表面区域。对于只含一种有机物的粒子,用控制变量法对粒子中有机物的种类、有机物的数目、水的数目对粒子的形态和结构的影响进行了研究,发现有机物的种类不同,其参与形成的气溶胶粒子的形态和结构不同。粒子中水的数目基本不变而CPA或甲苯的数目增加时,粒子趋向于核-壳结构;粒子中水的数目基本不变而正三十烷的数目增加时,无机相会由连续变得不连续。粒子中CPA的数目不变而水的数目增加时,不会对CPA的孤岛型分布或粒子的核-壳型结构产生影响;粒子中正三十烷的数目不变而水的数目增加时,会影响正三十烷在无机相表面的堆叠状态。对含多种有机物的粒子的结构和形态进行了研究,发现其无机相可能连续,也可能不连续,粒子中CPA、甲苯、正三十烷的分布有其自身的特点和层次。这些研究结果有助于加深对纳米级气溶胶粒子的形态和结构的了解,也有助于更好地了解与气溶胶粒子表面相关的非均相化学反应、吸湿等过程。第二,在接近真实大气环境下,用硫酸根、铵根、钠离子、氯离子、水模拟得到了纳米级氯化钠气溶胶液滴和硫酸铵气溶胶液滴,并使液滴吸湿增长,得到了描述氯化钠气溶胶液滴和硫酸铵气溶胶液滴吸湿增长的K(?)hler曲线。通过对氯化钠气溶胶液滴和硫酸铵气溶胶液滴吸湿增长过程的比较,发现硫酸铵气溶胶液滴的吸水性强于氯化钠气溶胶液滴,即大气中硫酸铵气溶胶吸湿增长的能力优于氯化钠气溶胶,进一步佐证了硫酸铵气溶胶在大气气溶胶中的主导作用,因此防治气溶胶污染的途径之一是减少二氧化硫及氨气排放。第三,对纳米级带电气溶胶液滴的碰撞过程进行了研究,比较不同半径液滴对之间的阈值水平距离r和碰撞效率E,发现两液滴都不带电荷或其中一个液滴带一个正电荷时,r随着液滴对半径的增大而增大;两液滴分别带一个异号电荷,液滴对半径增大时,r先减小,后增大;液滴对半径越小,E越大。比较同组液滴对不同带电情况之间的阈值水平距离r和碰撞效率E,发现r和E的大小顺序均为:两液滴分别带一个异号电荷>小液滴带一个正电荷>大液滴带一个正电荷≈两液滴都不带电荷。这些研究结果有助于加深对新粒子碰并增长过程的了解。

关键词：分子动力学模拟气溶胶粒子形态结构吸湿增长碰撞