全散射法PM2.5粒径分布检测技术研究

发布时间：2017-10-09 10:36

  本文关键词：全散射法PM2.5粒径分布检测技术研究

  更多相关文章： 光全散射 Mie理论 粒径分布 反演算法 Tikhonov平滑泛函

【摘要】：目前,PM2.5是我国大多城市所面临的首要环境问题,其直接影响到人类身体健康以及大气的能见度,因此研究PM2.5的浓度以及粒径分布情况对各类呼吸道疾病的预防和环境治理等方面都有积极作用。各种PM2.5检测方法中,光全散射法因其适用性广、精度高、测量装置简便且具有非接触性等特性而成为在线检测PM2.5的方法之一。本文根据光全散射法的原理,从数学模型推导计算、反演算法及实验分析三方面对PM2.5粒径分布进行了研究。主要完成以下几方面的研究工作:(1)介绍了Mie散射理论、比尔-朗伯消光定理及其数学模型,利用后向递推法求解消光系数,模拟仿真了同种颗粒在不同波长下的消光系数,并推导了基于Mie散射理论的光全散射法求解颗粒粒径分布的数学模型,分析了该数学模型的病态性。(2)在独立模式算法方面,根据直接法计算速度快,但精度低的特点;以及迭代法具有高精度、稳定性好,但对初值和噪声敏感的特点。提出了直接法与迭代法相结合的改进算法,从而实现了两种算法的优缺点相互弥补的效果,提高了反演精度和效率;在非独立模式方面,针对传统的目标函数反演所得的特征参数的精度和稳定性较差,引入了Tikhonov平滑泛函用于最小化问题的目标函数构建,其实质是通过调节平滑约束以获得待求函数准确性和稳定性的最佳折衷,然后利用遗传算法和人工鱼群算法对该目标函数进行反演计算。实验结果表明,在综合考虑重建精度和重建时间的条件下,基于Tikhonov平滑泛函的目标函数具有很好的稳定性和可靠性。(3)采用独立模式下改进的Chahine迭代算法对单峰R-R分布的颗粒系在紫外、紫外-可见和紫外-可见-近红外三个波段进行了反演,通过分析确定了在这三个波段内的最佳的颗粒粒径测量范围。(4)在理论分析和数值模拟的基础上,利用国家标准PM2.5聚苯乙烯颗粒将所提出的算法对实测数据进行了验证。实验结果表明,基于Tikhonov平滑泛函目标函数的遗传算法和人工鱼群算法反演所得的特征粒径D50的相对误差小于经NNPT直接法预处理的Chahine迭代法、LMS迭代法反演所得到的相对误差,更适合快速准确的颗粒粒径现场测量。
【关键词】：光全散射 Mie理论 粒径分布 反演算法 Tikhonov平滑泛函
【学位授予单位】：中国计量学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X513;X831
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• Abstract7-14
• 1 绪论14-23
• 1.1 课题研究的背景及意义14-15
• 1.1.1 PM2.5 的定义和来源14
• 1.1.2 PM2.5 的影响14-15
• 1.2 颗粒测量的主要方法15-19
• 1.3 全散射法颗粒粒径测量方法的研究现状19-21
• 1.3.1 国外发展状况19-20
• 1.3.2 国内发展状况20-21
• 1.4 论文研究的主要内容和意义21
• 1.5 本文的创新点21-23
• 2 基于Mie散射理论的光全散射法球形颗粒粒径检测原理23-31
• 2.1 Mie散射理论23-25
• 2.2 Mie散射理论相关计算25-27
• 2.2.1 Mie散射系数的计算25-26
• 2.2.2 散射系数与消光系数的计算26-27
• 2.3 光全散射法的测量原理27-30
• 2.4 本章小节30-31
• 3 独立模式算法的仿真与分析31-42
• 3.1 独立模式算法31-34
• 3.1.1 几种基本迭代算法的原理31-33
• 3.1.2 独立模式算法的改进33-34
• 3.2 数值模拟仿真与分析34-41
• 3.2.1 独立模式Chahine迭代算法的模拟仿真34-38
• 3.2.2 独立模式LMS迭代算法的模拟仿真38-41
• 3.3 本章小结41-42
• 4 非独立模式算法的仿真与分析42-58
• 4.1 非独立模式算法42-44
• 4.1.1 常见的几种颗粒粒度分布函数42-43
• 4.1.2 Tikhonov平滑泛函用于非独立模式算法的目标函数构建43-44
• 4.2 遗传群算法仿真及分析44-49
• 4.3 人工鱼群算法仿真及分析49-57
• 4.4 本章小结57-58
• 5 最佳颗粒粒径范围的研究58-68
• 5.1 影响消光系数矩阵的因素分析58-61
• 5.1.1 粒径划分方式分析58-59
• 5.1.2 波长选取方式及个数分析59-60
• 5.1.3 波长选取个数对反演算法的影响60-61
• 5.2 不同波长范围内的颗粒粒径测量范围61-66
• 5.3 本章小结66-68
• 6 光全散射法的实验研究68-79
• 6.1 实验系统的组成结构和原理68-70
• 6.2 标准颗粒的检测结果及分析70-78
• 6.2.1 独立模式算法的反演结果72-76
• 6.2.2 非独立模式算法的反演结果76-78
• 6.3 本章小结78-79
• 7 总结与展望79-81
• 7.1 本文研究总结79-80
• 7.2 展望80-81
• 参考文献81-86
• 作者简介86

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本文编号：999695