气溶胶光学散射特性及其多参数分布式测量研究

The study on physical and chemical characteristics of aerosol and the research on methods for precise measuring aerosol parameters are of far-researching significance in the fields such as environmental monitoring, air quality supervision, human health, biomedicine and national defense. Taking aerosol as the research object, this project will study its optical scattering properties in-depth, using Mie theory, Debye series scattering model and Stokes scattering matrix method to reveal the relationship between scattering light intensity and spatial distribution and aerosol's size, shape, complex refractive index. The scheme is presented innovatively which generate multi-beam parallel light (MBPL) source applying interference or diffraction method. The research on characteristics of the scattering light emitted by single aerosol particle in the field of MBPL can help detecting more information about scatter light from several directions simultaneously, and finally realize simultaneous measurement of aerosol parameters including aerodynamic size, geometric size, concentration and complex refractive index. By making full use of the relationship between complex refractive index and material compounds of aerosol, the species of aerosol can be discriminated indirectly with complex refractive index knowledge. Under the foundation of theoretical research, the project will design and fabricate the sensor module for the experiment of aerosol parameters monitoring on line, after that will setup a distributed measurement system using the sensor modules based on optical fiber transmission to real-time supervise aerosol time and spacial distribution in relative enclosed public places such as aircraft cabin, train carriage, hospital waiting hall and classroom, etc.

对气溶胶进行物理化学特性研究和物理化学参数准确测量在环境监测、空气质量监控、人类健康、生物医学及国防领域具有重要研究价值和意义。本项目以气溶胶为研究对象，深入研究气溶胶的光学散射特性，基于Mie散射理论和Debye级数散射模型，以及Stokes散射矩阵方法进行散射特性分析，研究气溶胶粒度、形状、复折射率等参数与散射光强度、空间分布的理论关系。创新性提出采用干涉或衍射形成的多平行光束作为散射光源照射气溶胶，研究气溶胶在多光束光场中的散射特性，目的是能够多方位同时获取更多的散射信息，实现气溶胶的空气动力学粒径、几何粒径、浓度、复折射率等参数的同时测量，并进一步通过复折射率与气溶胶材料化学组分的关系，估计出气溶胶的种类。在理论研究的基础上，研制能够在线测量多参数的传感器模块，并建立可在相对封闭的公共场所（如飞机机舱、火车车厢、医院候诊大厅、教室等）实时监控的基于光纤传输的分布式测量系统。

气溶胶的物理化学特性研究和物理化学参数准确测量在环境监测、空气质量监控、人类健康、生物医学及国防领域具有重要价值和意义，本项目围绕气溶胶颗粒的光学散射特性和参数测量进行了深入研究，在基于Mie散射理论、Debye 级数散射模型和夫琅禾费衍射理论对颗粒散射特性模拟分析的基础上，深入研究了球形颗粒散射光斑的反常变化及其规律，以及反常粒度区间对激光衍射法测量的不确定性影响，为提高静态光散射测量精度奠定了理论基础；考虑衍射误差，引入振幅和波前相位因子对GOA理论进行了改进，并基于改进GOA理论研究分析了颗粒的0、1、2、3阶散射光谱特性，得到了颗粒折射率实部与0、1阶散射光谱谱点距离关系，以及折射率虚部与1、0阶谱点相对强度的关系，为基于散射方法测量复折射率提供了理论依据；提出了基于测量相对误差的平均值来评价折射率对OPS测量影响的评价标准，为确定最佳光学结构提供了定量分析方法；基于双光束干涉产生了条纹数和间距可变的多光束照明光源，并研究了多光束照明下的颗粒飞行时间测量方法，为颗粒空气动力粒径的测量奠定了基础。搭建了4通道的基于光纤传输的气溶胶浓度分布式测量实验系统，可实现封闭大空间的空气质量实时监测；研制了基于气溶胶发生器与鞘流喷嘴结合的单颗粒发生装置，以及基于压电喷射原理的多折射率单液滴产生装置，为颗粒散射特性研究及粒径、浓度、折射率等参数测量提供了研究对象和标准颗粒，对气溶胶参数测试仪器的校准和精度验证具有重要价值。