光散射信号统计规律及在尘埃粒子计数中的应用

论文摘要

随着雾霾天气的增多,公众越来越关注空气中悬浮颗粒的污染,同时,科技的发展对洁净度的要求也越来越高,因此,对于悬浮颗粒的测量研究和尘埃粒子测量仪器的改进显得尤为重要。本文通过对典型光散射法颗粒粒径测量过程的分析,建立了光散射颗粒随机测量过程统计模型,结合随机脉冲信号的双参数分析方法,研究光散射信号特征量统计规律和统计自相似性,为光散射颗粒测量仪器的设计与优化提供理论指导。根据本文光散射随机脉冲信号测量系统的特殊性,采用以幅度和宽度为基础参量的双参数法,并且从理论分析和数值模拟的角度研究了传感器的光场分布。通过分析光散射信号测量过程中各种独立随机因素,建立了光散射颗粒随机测量过程统计模型,推导得到光散射随机信号测量中对统计分布函数的约束关系,而以自然数为自变量的对数正态分布函数很好的满足该约束关系要求,为实验研究提供了理论指导。基于实验测量,研究了同一光散射颗粒测量系统中的不同测量对象,如标准颗粒、空气中随机悬浮颗粒、本底噪声以及本底噪声不同性质特征量的统计分布规律。实验数据表明,在大样本和高精度条件下,光散射随机信号群的幅度、宽度、信号子集以及不同性质特征量的统计分布均能很稳定地服从以自然数为白变量的对数正态分布。通过卡方分布拟合检验和相关系数定量比较发现,在对测量结果的解释和评价方面,对数正态分布比正态分布更加精确,置信度更高,相关系数达到0.95以上,可接受显著水平高达0.995,实验结果与理论分析很好的吻合。在研究不同测量对象统计规律的基础上,运用统计分形理论,推导得出不同物理量统计分布之间的非线性变换公式。从光散射信号统计分布的角度,发现了一种简单准确计算不同粒径范围随机颗粒分形维数的新方法。最后,结合理论分析和实验研究,分别从照明系统、光敏区、背景噪声、探测系统和气路系统等方面对粒子计数器传感器进行了优化设计并获得发明专利授权。将对数正态分布应用到测量仪器计数通道优化中,节省了计数通道,可将传感器的测量范围扩大1/3；同时也应用到粒径分辨率优化中,相对于正态分布拟合粒径分辨率提高了9%。改进后的传感器在大流量的基础上计数效率和粒径分辨率等性能均达到国际水平,而且具有体积小,价格低和性能稳定等优点。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 注释表一符号定义
• 图表目录
• 1. 绪论
• 1.1. 研究背景及研究意义
• 1.2. 悬浮颗粒物与空气洁净度简介
• 1.3. 国内外光散射尘埃粒子计数技术的研究现状
• 1.3.1. 光散射颗粒计数理论研究现状
• 1.3.2. 光散射颗粒测量仪器研究现状
• 1.3.3. 颗粒测量与分形理论
• 1.4. 本文主要研究工作
• 2. 光散射信号分析方法和统计模型建立
• 2.1. 随机脉冲信号研究方法
• 2.1.1. 时域分析方法
• 2.1.2. 频域分析方法
• 2.1.3. 双参数统计分析模型
• 2.2. 典型随机量统计分布函数
• 2.3. 对数正态分布应用于光散射信号测量分析
• 2.3.1. 对数正态分布在科学上的应用
• 2.3.2. 光散射信号统计分布函数特征分析
• 2.3.3. 对数正态分布的单峰形式与正态分布和脉冲函数关系研究
• 2.3.4. 对数正态分布的单调形式与分形幂函数的关系研究
• 2.3.5. 对数正态分布函数两种基本形式的意义
• 2.4. 光散射颗粒随机测量过程统计模型建立
• 2.5. 本章小结
• 3. 光散射颗粒测量过程基本特征分析
• 3.1. 光散射粒子计数器基本工作原理
• 3.2. 光散射颗粒测量过程
• 3.3. 尘埃粒子计数传感器理论分析和数值模拟
• 3.3.1. 粒子计数器的光路计算和模拟
• 3.3.2. 粒子计数器的性能评价参数
• 3.4. 光散射随机颗粒测量过程的统计分析
• 3.5. 本章小结
• 4. 光散射信号随机特征参数统计规律的实验研究
• 4.1. 标准粒子光散射信号统计规律研究
• 4.1.1. 标准颗粒简介
• 4.1.2. 标准颗粒光散射信号实验结果与分析
• 4.2. 空气中悬浮颗粒光散射随机信号统计规律研究
• 4.2.1. 空气悬浮颗粒测量意义
• 4.2.2. 空气悬浮颗粒光散射信号实验结果与分析
• 4.2.3. 空气中随机悬浮颗粒子集统计规律实验研究
• 4.3. 测量仪器本底噪声随机信号统计规律研究
• 4.3.1. 本底噪声测量意义
• 4.3.2. 本底噪声信号统计规律实验测量与分析
• 4.3.3. 本底噪声子集统计规律实验研究与分析
• 4.4. 噪声信号不同随机特征量统计规律研究
• 4.4.1. 随机噪声信号序列分析
• 4.4.2. 噪声信号不同性质特征量分析
• 4.4.3. 噪声信号不同性质特征参量统计规律实验研究与分析
• 4.5. 光散射随机信号特征参数统计规律分析
• 4.5.1. 测量过程中对数正态分布的归一化系数
• 4.5.2. 光散射信号随机特征量统计分形特征
• 4.6. 本章小结
• 5. 光散射颗粒测量传感器系统优化与实现
• 5.1. 气路系统优化与实现
• 5.2. 光路系统优化与实现
• 5.2.1. 照明光源优化
• 5.2.2. 光敏区优化
• 5.2.3. 背景噪声优化
• 5.2.4. 探测系统优化
• 5.3. 对数正态分布应用于计数通道优化
• 5.4. 对数正态分布应用于粒径分辨率优化
• 5.5. 分形在光散射颗粒测量中的应用
• 5.6. 改进的尘埃粒子计数器性能分析
• 5.7. 本章小结
• 6. 总结与展望
• 6.1. 论文总结
• 6.2. 创新点总结
• 6.3. 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录