大气颗粒物粒径分群统计和源解析的偏振光学方法研究

Atmospheric pollution has become a key factor restricting the sustainable development of social economy. The particle size analysis and corresponding source apportionment have important scientific significance for the pollution prevention and control. Non-polarization optical scattering cannot characterize the diversity features of particulate matters. However, the polarization evolution during polarized light interacting with particulate matters can provide important information sensitive to special shape, package structure, the refractive index and the absorptivity of particles. This project will employ a multi-angle scattering measurement device combined an liquid crystal polarization control system and our developed GRIN lens single-shot Stokes polarimeter, detect the polarization scattering of the multi-component atmospheric particulate matters. The project expects to establish a grouping statistic method of air pollutants by a single angle depolarization degree, and then study the particulates traceability based on polarization characteristic group. In addition, this project also will develop a polarization scattering model for describing the composition and state of atmospheric particulates, and apply the above polarization methods and simulation in real evaluation of atmospheric particulate samples.

大气环境污染问题已成为影响社会经济可持续发展的制约因素，大气颗粒物的粒径分析尤其是源解析技术，对污染防治决策的针对性有着重要的科学意义。仅基于光散射的颗粒物分析方法难以为颗粒物的多样性特征提供清晰解释，而偏振光与颗粒物相互作用时偏振态的矢量变化特征不仅能提供充分的附加信息，且对颗粒物特殊形态、内部结构、折射率和光吸收效应有着灵敏的反映。本课题将多角度散射测量装置结合电控液晶起偏技术和本实验室自主研发的双折射自聚焦透镜成像同步检偏技术，对多组分大气颗粒物的偏振散射过程进行探测，建立单角度退偏度指标对颗粒物粒径的分群统计，探索多角度退偏度、旋偏角、椭偏率综合偏振表征参数对颗粒物形态、包层、折射率、光吸收综合属性的表征规律，并建立和完善描述大气颗粒物组成和状态的偏振光学散射模型，实现以上偏振光学技术和模拟体系在大气颗粒物样本检测评估中的应用。

本基金项目针对大气颗粒物的粒径分析以及来源解析应用背景，在已有的大气颗粒物光散射测量技术基础上，引入颗粒物散射信号的偏振矢量变化同步测量与分析，据此提升颗粒物粒径和其他物理属性的识别能力，并初步探索基于偏振光散射的颗粒物在线监测和来源解析可行性。本项目执行过程中，实现了多角度光散射以及同步偏振态分析的实测装置，尤其是完善和优化了单角度下四通道偏振矢量同步分析探头的实用性和稳定性；结合偏振对颗粒物粒径属性下的测量结果进行了标定和验证；对复杂形态和多样化成分的颗粒物样本进行了理论和实测对照研究，尤其是发展了高各向异性和强吸收类型颗粒物的特异性光学在线提取机制。项目发展了新的颗粒物粒径/形态/成分/结构四个物理属性复合模型下的偏振散射理论计算平台，为单颗粒物多维偏振指标的分析和数据处理提供了仿真依据；项目对四种典型的污染源排放物进行了初步的实测探索，对其偏振光散射指标体系的规律和相应的分类数据算法进行了分析；项目同时发展了多种大气颗粒物仿真样本的制备和混合发生配套装置。总的来说，项目的以上进展从理论计算平台，外场实测装备、数据指标体系三部分为项目后续偏振光散射大气颗粒物在线监测体系的进一步科学研究奠定了基础。