生物氣溶膠單粒子探測關鍵技術與性能評價方法研究.pdf

1、目的：
　　生物氣溶膠的存在時時刻刻都在影響著人類的生存環(huán)境、生產(chǎn)活動乃至生命質量。迅速而準確的生物氣溶膠探測可以實現(xiàn)對新發(fā)突發(fā)傳染病和生物戰(zhàn)劑攻擊的及時預警并實現(xiàn)有效防控，也可以對某些特定場所的環(huán)境質量進行評價。為了滿足上述探測需求，諸多國內外科研機構在此領域投入了大量的人力物力，生物氣溶膠探測技術也隨之不斷的發(fā)展。目前，對生物威脅預警響應最及時的檢測手段是生物氣溶膠單粒子探測方法，該方法可以在不改變被采集生物氣溶膠樣本物化特性

2、的前提下，對被測氣溶膠粒子的生物性進行判斷。但是該類技術在系統(tǒng)工程實現(xiàn)的具體方法上并不成熟，在探測過程中存在著大量的生物威脅漏報和誤報的現(xiàn)象。更重要的一點是，目前針對生物單粒子探測系統(tǒng)并未有規(guī)范科學的性能評價平臺和評價方法，導致缺乏對系統(tǒng)性能的了解途徑。綜上，本課題以單粒子探測光學理論為基礎，開展關于系統(tǒng)關鍵模塊的優(yōu)化設計方法以及系統(tǒng)性能評價方法的分析討論，以期提升該類裝置的應用性能。
　　研究方法和研究內容：
　　論文以對

3、單粒子光學模型的分析討論結果作為理論基礎，在生物氣溶膠單粒子探測總體技術路線下，首先通過理論推導、數(shù)值仿真和工程實驗相結合的方式，對單粒子生物氣溶膠探測系統(tǒng)中核心功能單元的性能優(yōu)化方法進行了分析討論；然后鑒于目前該領域性能評價平臺和相關評價方法的缺失，設計并實現(xiàn)了一種生物氣溶膠微環(huán)境發(fā)生裝置并對其相關參數(shù)進行了實驗優(yōu)化；最終建立了一種針對生物氣溶膠單粒子探測系統(tǒng)的性能實驗體系，依托生物氣溶膠微環(huán)境發(fā)生裝置完成相關實驗并基于實驗結果對單粒

4、子探測系統(tǒng)的性能評價方法進行歸納總結。具體研究方法和研究內容包括以下諸個方面。
　　單粒子探測光學模型的分析與討論：對單粒子彈性散射現(xiàn)象以 T矩陣理論及其簡化后的Mie散射理論作為分析基礎，提出關鍵參數(shù)數(shù)值解的求解方法，基于此計算方法，仿真了不同入射場波長、散射體粒徑和散射體折射率條件下空間散射場的變化情況。以熒光分子作為分析單元討論了生物氣溶膠的內源性熒光散射模型。通過分析易形成氣溶膠態(tài)的常見微生物和干擾物的三維熒光光譜分析生物

5、氣溶膠所具有的宏觀熒光特性。
　　生物氣溶膠單粒子探測系統(tǒng)中的關鍵技術研究：以生物氣溶膠單粒子探測系統(tǒng)的設計框架作為基礎，針對系統(tǒng)光路模塊，以光源為核心設計了恒流驅動源和TEC溫度控制系統(tǒng)，以實驗方法評價輸出功率的時間穩(wěn)定性；利用非球面鏡和柱鏡構建整形光路，在焦點處形成線性光斑，對焦點光斑的尺寸和均勻性等空間效能指標進行了定量評價；設計基于弧面反射聚焦原理的收集光路，并對基于該收集光路的熒光收集效率和散射粒徑分辨率進行了仿真。針對

6、樣本流進樣要求，設計了基于鞘氣聚焦原理的氣路結構，通過理論分析結合仿真驗證了氣路結構對樣本流約束聚焦的可行性；設計了基于壓差傳感的流量控制系統(tǒng)，優(yōu)化數(shù)字PID控制算法提升控制系統(tǒng)性能，通過實驗驗證控制系統(tǒng)的魯棒性。針對脈沖信號分析算法，比較了多個脈沖特征參數(shù)所代表的物理含義，并結合本系統(tǒng)的實際應用條件選取脈沖信號峰值作為脈沖特征值；基于變化趨勢判斷規(guī)則設計峰值提取算法，在保證算法實時高效的基礎上通過在Matlab和FPGA平臺的仿真結果

7、驗證了算法的有效性。
　　生物氣溶膠微環(huán)境發(fā)生裝置的設計與實現(xiàn)：為了滿足生物氣溶膠實時監(jiān)測系統(tǒng)的參數(shù)標定和性能評價等實驗實施的需要，設計并實現(xiàn)了一種能在全封閉微環(huán)境中發(fā)生種類單一、分散均勻、濃度可控、具有生命活性的生物氣溶膠樣本的生物氣溶膠微環(huán)境發(fā)生裝置，對該裝置的實現(xiàn)原理和工作形式給出了翔實的分析說明。建立數(shù)學模型分析該裝置自凈過程的工作效率，模擬仿真了氣溶膠混勻倉在混勻模式下的倉內壓強分布情況，并對相關參數(shù)給出了定量結論。通過

8、對純水和微生物懸濁液的發(fā)生加熱摸索加熱干燥過程中的最優(yōu)參數(shù)條件。
　　生物溶膠單粒子探測系統(tǒng)性能評價方法研究：鑒于以生物氣溶膠作為被測對象所具有的特殊性，建立了一種針對生物氣溶膠單粒子探測系統(tǒng)的性能實驗體系，包括探測系統(tǒng)對單粒子響應能力的評價及其對生物氣溶膠甄別性能的評價。其中針對前者設計了以標準粒徑微球和熒光微球作為標準樣本的系列實驗，定量評價了系統(tǒng)的硬件性能和信號提取算法的性能；針對后者利用真實的微生物樣本和常見的探測干擾物樣

9、本進行信號采集實驗，以實驗數(shù)據(jù)為基礎提出了基于體積熒光效率的甄別算法，通過分析算法準確性評價了系統(tǒng)對于真實生物氣溶膠的甄別能力。
　　結果：
　　單粒子彈性散射仿真結果：入射場波長與散射場空間分布離散程度呈正相關（R=0.964）；散射體粒徑與散射場空間分布離散程度呈負相關(R=-0.805)；散射體折射率與散射場空間分布離散程度無明顯相關性(R=0.21)。
　　三維熒光光譜實驗結果：依據(jù)三維熒光光譜實驗結果并基于工

10、程化目的對最優(yōu)的熒光激發(fā)光源進行了討論，最終給出了405nm半導體激光器是最優(yōu)的光源選擇這一結論。
　　生物氣溶膠單粒子探測系統(tǒng)光源優(yōu)化相關實驗結果：在恒流源穩(wěn)定工作前提下，TEC溫度控制系統(tǒng)在環(huán)境溫度低于30℃時，30s內即可收斂；當環(huán)境溫度高于目標溫度時，收斂時間大約需要1min30s。光斑經(jīng)整形后核心光斑的尺寸約為5000*20μm，光斑邊緣的光強約是中心位置光強的70％。根據(jù)仿真結果，弧面發(fā)射收集條件下雙側收集效率為56.

11、8%。
　　生物氣溶膠單粒子探測系統(tǒng)氣路優(yōu)化相關實驗結果：對于不含鞘氣的氣路，其出口處樣本氣流的最大徑向速度為0.563m/s；而包含鞘氣的氣路樣本流最大徑向速度為0.0741m/s。氣流穩(wěn)態(tài)控制系統(tǒng)的魯棒性可以保證在0-200mbar的氣壓干擾條件下控制系統(tǒng)可以快速穩(wěn)定收斂。
　　生物氣溶膠單粒子探測系統(tǒng)中脈沖信號分析算法相關實驗結果：以數(shù)字信號的變化趨勢所設計的分析算法對單個數(shù)據(jù)處理花費的時間開銷為1個晶振周期；算法可以

12、在復雜的信號噪聲中提取出符合要求的信號峰，并且對于粘連信號和基線震蕩等特殊條件都有較好的適應性。
　　生物氣溶膠微環(huán)境發(fā)生裝置相關參數(shù)實驗：為滿足理想的自凈時間要求，根據(jù)混勻倉自凈過程的數(shù)學模型計算得到的過濾風機流量應大于0.23m3/s，該參數(shù)條件可以在10s的自凈時間保證90%以上的凈化率，而當自凈時間延長到100s，粒子的殘留率甚至會小于百億分之一。根據(jù)氣溶膠混勻倉的倉內速度矢量仿真結果可知，在氣溶膠混勻倉中各中心剖面中絕大

13、多數(shù)單元體的速度矢量范圍在0.507-2.53m/s的范圍內，無明顯氣流死角。根據(jù)微生物干燥效果實驗結果給出了不同微生物隨干燥溫度變化的存活率曲線，根據(jù)每種微生物實際存活率在60~100℃之間選擇干燥溫度。
　　生物氣溶膠單粒子探測系統(tǒng)性能評價實驗：探測系統(tǒng)彈性散射通道對于0.5μm粒徑的標準微球特征電壓響應值為249mv，電壓信噪比為23dB。探測系統(tǒng)彈性散射信號通道的粒徑響應范圍涵蓋生物氣溶膠的常規(guī)粒徑，能夠對生物氣溶膠的粒徑

14、生成正相關的電壓峰值響應。探測系統(tǒng)熒光通道對于B3和B4兩種熒光量接近真實生物氣溶膠的標準樣本具有良好的信號脈沖響應幅值，信噪比分別為16dB和19dB?；隗w積熒光效率算法模型和特征閾值參數(shù)最優(yōu)解的甄別算法對于實驗中微生物樣本形成的生物氣溶膠識別的總體準確率為96.27%；而對于單粒子干擾物形成的氣溶膠噪聲假陽性識別的概率為19.54%。
　　結論：
　　課題的研究成果不僅為生物氣溶膠單粒子探測系統(tǒng)的研制提供了可實施的設計