Spams實測氣溶膠均勻球體顆粒光學參數非線性反演方法
2023-09-23 19:30:40 1
Spams實測氣溶膠均勻球體顆粒光學參數非線性反演方法
【專利摘要】本發明公開了一種SPAMS實測氣溶膠均勻球體顆粒光學參數非線性反演方法，包括：採用SPAMS檢測不同粒徑光學性質參數已知的PSL小球，然後通過取均值得出實測PSL小球的散射強度；同時，根據Mie散射理論的單顆粒均勻球體模型結合SPAMS的橢球反射鏡幾何參數得出PSL小球的光學散射理論響應；將光學散射理論響應和實測得到的散射強度進行線性擬合，得到實測散射數據與理論散射數據的線性關係；將得到的線性關係應用於SPAMS實測的大氣單顆粒散射數據，得到對應的Mie理論散射強度；對Mie理論散射強度進行非線性反演擬合，得到光學性質參數。本發明效率高、準確和適用於SPAMS，可廣泛應用於大氣環境科學領域。
【專利說明】SPAMS實測氣溶膠均勻球體顆粒光學參數非線性反演方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及大氣環境科學領域，尤其是一種SPAMS實測氣溶膠均勻球體顆粒光學 參數非線性反演方法。
【背景技術】
[0002] 名詞解釋：
[0003] SPAMS :單顆粒氣溶膠質譜儀。
[0004] Mie散射：當粒子直徑與光波長相近時，粒子對光的散射稱為Mie散射，Mie散射理 論是求解球形散射體與電磁波場相互作用解析解的經典算法。
[0005] PSL :polystyrene latex,聚苯乙烯膠乳標準小球顆粒。
[0006] 對於氣溶膠的研究一直是大氣環境科學中的前沿領域，在許多地球物理和地球化 學的全球變化過程中起著重要作用，其研究已成為大氣科學乃至地球環境科學研究的熱點 之一。
[0007] 傳統的質譜儀器主要針對所有的顆粒進行分析，而SPAMS主要是分析獲得單個顆 粒物的粒徑和化學組分信息，這對於更加深入地研究顆粒物的環境氣候效應具有重要意 義。國際上類似的儀器還有AT0FMS(aerosol time-〇f-flight mass spectrometer，氣溶膠 飛行時間質譜儀），ATOFMS也是一種單顆粒質譜分析技術。Prather等人對ATOFMS進行了功 能拓寬，通過一種基於線性規劃問題數值求解的單純性算法（simplex algorithm)來分析 得到顆粒的有效密度和折射率這兩個主要光學性質參數。然而該單純性算法是線性算法， 對初始值的依賴程度高，容易因給定計算的初值不準確而導致反演計算過程難以收斂或陷 入局部極值的情況，降低了分析的工作效率和參數準確率。同時，該算法主要是針對ATOFMS 的，並不適用於SPAMS (因 SPAMS的幾何參數有與ATOFMS的幾何參數有差異）。
[0008] 目前還沒未見對於基於SPAMS實測大氣氣溶膠顆粒物測量進行相關參數反演工 作的報導。
【發明內容】
[0009] 為了解決上述技術問題，本發明的目的是：提出一種效率高、準確和適用於SPAMS 的，SPAMS實測氣溶膠均勻球體顆粒光學參數非線性反演方法。
[0010] 本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：
[0011] SPAMS實測氣溶膠均勻球體顆粒光學參數非線性反演方法，包括：
[0012] A、採用SPAMS檢測不同粒徑光學性質參數已知的PSL小球，然後通過取均值得出 實測PSL小球的散射強度；同時，根據Mie散射理論的單顆粒均勻球體模型結合SPAMS的橢 球反射鏡幾何參數得出SPAMS所測PSL小球的光學散射理論響應；
[0013] B、將SPAMS所測PSL小球的光學散射理論響應和SPAMS實測得到的散射強度進行 線性擬合，從而得到實測散射數據與理論散射數據的線性關係；
[0014] C、將得到的線性關係應用於SPAMS實測的大氣單顆粒散射數據，從而得到對應大 氣單顆粒的Mie理論散射強度；
[0015] D、採用Mie理論的單顆粒均勻球體模型對實測大氣顆粒的Mie理論散射強度進行 非線性反演擬合，從而得到大氣顆粒物的光學性質參數。
[0016] 進一步，所述SPAMS所測PSL小球的光學散射理論響應RSPAMS的表達式為：
[0017]
【權利要求】
1. SPAMS實測氣溶膠均勻球體顆粒光學參數非線性反演方法，其特徵在於：包括： A、 採用SPAMS檢測不同粒徑光學性質參數已知的PSL小球，然後通過取均值得出實測 PSL小球的散射強度；同時，根據Mie散射理論的單顆粒均勻球體模型結合SPAMS的橢球反 射鏡幾何參數得出SPAMS所測PSL小球的光學散射理論響應； B、 將SPAMS所測PSL小球的光學散射理論響應和SPAMS實測得到的散射強度進行線性 擬合，從而得到實測散射數據與理論散射數據的線性關係； C、 將得到的線性關係應用於SPAMS實測的大氣單顆粒散射數據，從而得到對應大氣單 顆粒的Mie理論散射強度； D、 採用Mie理論的單顆粒均勻球體模型對實測大氣顆粒的Mie理論散射強度進行非線 性反演擬合，從而得到大氣顆粒物的光學性質參數。
2. 根據權利要求1所述的SPAMS實測氣溶膠均勻球體顆粒光學參數非線性反演方法， 其特徵在於：所述SPAMS所測PSL小球的光學散射理論響應Rspams的表達式為：
其中，Ras是軸對稱的散射響應，Rm是偏軸的散射響應，S1和S2是由Mie理論計算得到 的散射振幅矩陣的元素，小是偏振面的方位角，0是極角，和Ct1。分別對角度小積分 的上下限數值，0!^和Q1。分別對角度0積分的上下限數值，X是橢球反射鏡孔徑與偏振 面的夾角，0和n分別是未被橢球體收集到的那部分散射光的最大極角和方位角，n為自 然數，H(i= 〇，H1=LH2= 3cos0，TQ= 0，T1=I,T2= 3cos(2 0)，m是復折射率， x=ka是顆粒大小參數，a是球體顆粒半徑，k=2/X是波數，:V是環境介質波長，]i是 環境介質磁導率，Ui是球體顆粒磁導率，是第n步的球漢克爾函數，jn(x)和yn(x)是第n步的球貝塞爾函數。
3. 根據權利要求2所述的SPAMS實測氣溶膠均勻球體顆粒光學參數非線性反演方法， 其特徵在於：所述步驟B得到的實測散射數據與理論散射數據的線性關係的表達式為：
其中，G和Rtl分別是線性擬合曲線的斜率和截距，Rnreans為SPAMS實測散射響應的平均 值，RSMis，m_s為SPAMS所測PSL小球的光學散射理論響應的平均值。
4. 根據權利要求3所述的SPAMS實測氣溶膠均勻球體顆粒光學參數非線性反演方法， 其特徵在於：所述顆粒物的光學性質參數包括折射率和密度參數。
5. 根據權利要求4所述的SPAMS實測氣溶膠均勻球體顆粒光學參數非線性反演方法， 其特徵在於：所述步驟D，其包括： Dl、初始化折射率m的實部和有效密度參數，並根據Mie理論和SPAMS的幾何參數計算SPAMS的光學散射理論響應Rspams ; D2、採用非線性最優法將單顆粒空氣動力學直徑對應的分波散射截面數據與計算的光 學散射理論響應進行參數反演擬合，從而獲得最優的折射率和有效密度參數。
6. 根據權利要求5所述的SPAMS實測氣溶膠均勻球體顆粒光學參數非線性反演方法， 其特徵在於：所述步驟D2,其具體為： 將單顆粒空氣動力學直徑對應的分波散射截面數據與計算的光學散射理論響應進行 參數反演擬合，並不斷調整折射率m的實部和有效密度參數，直到在實測下的散射截面數 據RSPAMS，tost與理論計算的數據RSPAMS，_ns的誤差最小為止，從而獲得最優的折射率和有效密 度參數。
7. 根據權利要求6所述的SPAMS實測氣溶膠均勻球體顆粒光學參數非線性反演方 法，其特徵在於：所述步驟D2在採用非線性最優法進行參數反演擬合時所採用的目標函數 SqErr的表達式為：
其中，N為採集數據的長度，a,是N條採集數據記錄的光散射信號的標準差，Dp是顆 粒物直徑，m為復折射率。
8. 根據權利要求7所述的SPAMS實測氣溶膠均勻球體顆粒光學參數非線性反演方法， 其特徵在於：所述非線性最優法為遺傳學算法，所述遺傳學算法的實現過程包括： 51、 根據模型參數集進行參數編碼； 52、 根據編碼的結果生成初始群體； 53、 從初始群體中選出舊群體； 54、 對舊群體的適應度進行評估檢測； 55、 根據評估檢測的結果進行優良個體選擇、個體交叉和個體變異，從而產生新群體； 56、 判斷新群體是否滿足預設的收斂條件，若是，則流程結束，反之，則以新群體代替舊 群體，然後返回步驟S4。
【文檔編號】G01N15/02GK104266943SQ201410520568
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月30日 優先權日:2014年9月30日
【發明者】邱寧, 畢新慧, 張國華 申請人:中國科學院廣州地球化學研究所, 中國科學院南海海洋研究所