[发明专利]SPAMS实测气溶胶核壳结构颗粒光学参数非线性反演方法

说明书

技术领域

本发明涉及大气环境科学领域，尤其是一种SPAMS实测气溶胶核壳结构球体颗粒光学参数非线性反演方法。

背景技术

名词解释：

SPAMS：单颗粒气溶胶质谱仪。

Mie散射：当粒子直径与光波长相近时，粒子对光的散射称为Mie散射，Mie散射理论是求解球形散射体与电磁波场相互作用解析解的经典算法。

PSL：polystyrene latex，聚苯乙烯胶乳标准小球颗粒。

对于气溶胶的研究一直是大气环境科学中的前沿领域，在许多地球物理和地球化学的全球变化过程中起着重要作用，其研究已成为大气科学乃至地球环境科学研究的热点之一。

传统的质谱仪器主要针对所有的颗粒进行分析，而SPAMS主要是分析获得单个颗粒物的粒径和化学组分信息，这对于更加深入地研究颗粒物的环境气候效应具有重要意义。国际上类似的仪器还有ATOFMS(aerosol time-of-flight mass spectrometer，气溶胶飞行时间质谱仪)，ATOFMS也是一种单颗粒质谱分析技术。Prather等人对ATOFMS进行了功能拓宽，通过一种基于线性规划问题数值求解的单纯性算法(simplex algorithm)来分析得到颗粒的有效密度和折射率这两个主要光学性质参数。然而该单纯性算法是线性算法，对初始值的依赖程度高，容易因给定计算的初值不准确而导致反演计算过程难以收敛或陷入局部极值的情况，降低了分析的工作效率和参数准确率。同时，该算法主要是针对ATOFMS的，并不适用于SPAMS(因SPAMS的几何参数有与ATOFMS的几何参数有差异)。

目前还没未见对于基于SPAMS实测大气气溶胶核壳结构球体单颗粒测量进行相关参数非线性反演工作的报道。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是：提出一种效率高、准确和适用于SPAMS的，SPAMS实测气溶胶核壳结构球体颗粒的光学参数非线性反演方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

SPAMS实测气溶胶核壳结构球体单颗粒的光学参数非线性反演方法，包括：

A、采用SPAMS检测不同粒径光学性质参数已知的PSL小球，然后通过取均值得出实测PSL小球的散射强度；同时，根据Mie散射理论的核壳结构球体单颗粒模型，结合SPAMS的椭球反射镜几何参数得出SPAMS所测PSL小球的光学散射理论响应；

B、将SPAMS所测PSL小球的光学散射理论响应和SPAMS实测得到的散射强度进行线性拟合，从而得到实测散射数据与理论散射数据的线性关系；

C、将得到的线性关系应用于SPAMS实测的大气单颗粒散射数据，从而得到对应大气单颗粒的Mie理论散射强度；

D、采用Mie理论和核壳结构球体单颗粒模型,对实测大气颗粒的Mie理论散射强度进行非线性反演拟合，从而得到大气颗粒物的光学性质参数。

进一步，所述进入SPAMS的PSL小球光学散射理论响应R_SPAMS的表达式为：

其中，R_AS是轴对称的散射响应，R_OA是偏轴的散射响应，S₁和S₂是由Mie理论计算得到的散射振幅矩阵的元素，φ是偏振面的方位角，θ是极角，φ_hi和φ_lo分别对角度φ积分的上下限数值，θ_hi和θ_lo分别对角度θ积分的上下限数值，χ是椭球反射镜孔径与偏振面的夹角，β和η分别是未被椭球体收集到的那部分散射光的最大极角和方位角，n为自然数，表示第n步时函数表达式，π₀＝0，π₁＝1，π₂＝3cosθ，τ₀＝0，τ₁＝1，τ₂＝3cos(2θ)，m_c和m_s分别是为颗粒物的核和壳部分复折射率，x＝ka和y＝kb分别是为颗粒物的核和壳部分大小参数，a和b分别是为颗粒物的核和壳部分球体半径，k＝2π/λ是波数，λ是环境介质波长，ψ_n和ξ_n是第n步的黎卡提-贝塞尔函数，是第n步的球汉克尔函数，j_n(x)和y_n(x)是第n步的球贝塞尔函数。