CN111537425B - 生物气溶胶强消光特性颗粒形态的快速计算方法 - Google Patents

生物气溶胶强消光特性颗粒形态的快速计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种生物气溶胶强消光特性颗粒形态的快速计算方法，包括：获取生物气溶胶的目标透过率T和粒子群消光系数α；当所述生物气溶胶的目标透过率的最大值不小于设定阈值时，利用朗伯‑比尔定律推算生物气溶胶的实用化形态优选参数；小于设定阈值时，利用Monte Carlo概率仿真推算生物气溶胶的实用化形态优选参数;获取的生物气溶胶的实用化形态优选参数所对应的形态值，得到目标透过率条件下的生物气溶胶强消光的特性形态。本发明采用衰减物的最低质量作为形态实用化优选参数，可以对生物种质形态不同所带来的消光性能差异进行量化评判，指导生物气溶胶电磁衰减物的释放。

Description

生物气溶胶强消光特性颗粒形态的快速计算方法
技术领域
本发明属于光学技术领域，尤其涉及一种生物气溶胶强消光特性颗粒形态的快速计算方法。
背景技术
在大气中，生物气溶胶是其一个重要组成部分。生物气溶胶主要由微生物菌体、微生物孢子以及花粉等有机生物颗粒组成，由自然界或人类生产、生活产生，对人类的活动产生重要影响。生物气溶胶在自然界的大量存在以及其对光的衰减作用引起了越来越多人的关注和研究。实验观察和研究表明，大部分生物气溶胶粒子并不是单一的，有球形、有杆状、有丝状还有凝聚体等。研究强散射条件下生物气溶胶粒子形态确定的快速计算方法有助于加深对生物气溶胶强消光特性的理解，同时有助于对生物气溶胶的开发和利用。
当前对生物气溶胶消光特性的计算通常是正向的，即在确定形态下，采用适用的理论去计算生物气溶胶的消光性能。但是对于一定消光性能要求下，生物气溶胶最佳形态的确定方法和计算方法尚未发现相关文献资料。
因此，现有技术需要改进。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种生物气溶胶强消光特性颗粒形态的快速计算方法。
基于本发明实施例的一个方面，公开一种生物气溶胶强消光特性颗粒形态的快速计算方法，包括：
获取生物气溶胶的目标透过率T和粒子群消光系数α；
当所述生物气溶胶的目标透过率的最大值不小于设定阈值时，利用朗伯-比尔定律推算生物气溶胶的实用化形态优选参数mmin，所述实用化形态优选参数mmin中的mmin为生物气溶胶中干扰物的最低质量，用于对生物种质形态不同所带来的消光性能差异进行量化评判；
当所述生物气溶胶的目标透过率的最大值小于设定阈值时，利用Monte Carlo概率仿真推算生物气溶胶的实用化形态优选参数mmin；
根据所述实用化形态优选参数mmin获取生物气溶胶所对应的形态值，从而得到目标透过率条件下的生物气溶胶强消光的特性形态；
所述利用Monte Carlo概率仿真推算生物气溶胶的实用化形态优选参数mmin包括：
步骤S1，初始化光子，并计算光子的行进步长，更新光子的位置；
步骤S2，判断光子是否在微生物凝聚粒子群中；
步骤S3，如果光子不在微生物凝聚粒子群中，则更新目标透过率数据，并判断该光子是否为最后一个光子；
步骤S4，如果步骤S3中判断是最后一个光子，则算法结束，获取入射光通过生物气溶胶目标透过率，得到生物粒子的密度ρ；
如果步骤S3中判断不是最后一个光子，则跳转到步骤S1，重新对光子进行初始化，并计算光子的行进步长；
步骤S5，如果步骤S2中判断光子在微生物凝聚粒子群中，则更新该位置的光子的权重；步骤S6，判断光子的权重是否小于设定权重阈值；
如果步骤S6中光子的权重小于设定权重阈值，则执行步骤S3，更新目标透过率数据，判断该光子是否为最后一个光子；
如果是最后一个光子，则执行步骤S4，算法结束，获取入射光通过生物气溶胶目标透过率，得到生物粒子的密度ρ；
如果不是最后一个光子，则跳转到步骤S1，重新对光子进行初始化，并计算光子的行进步长；步骤S7，如果步骤中种光子权重大于设定权重阈值，则更新光子的行进方向，跳转到步骤S1，重新对光子进行初始化，并计算光子的行进步长；
通过仿真算法计算粒子群的浓度C，计算mmin＝C·ρv，式中，ρ为生物粒子的密度，v为生物粒子的体积。
基于本发明的生物气溶胶强消光特性颗粒形态的快速计算方法的另一个实施例中，还包括：优化计算生物气溶胶的形态；
所述优化计算生物气溶胶的形态包括：
获取生物气溶胶电磁衰减应用背景下的种质及其对应的形态；
计算生物气溶胶各种质的形态在其透光率小于设定阈值时的种质衰减物的最低质量；
获取种质衰减物的质量最低的生物气溶胶的种质，则该生物气溶胶的种质结构即为该电磁衰减应用背景下的最优形态。
基于本发明的生物气溶胶强消光特性颗粒形态的快速计算方法的另一个实施例中，所述生物气溶胶的目标透过率的设定阈值为36.78％。
基于本发明的生物气溶胶强消光特性颗粒形态的快速计算方法的另一个实施例中，所述朗伯-比尔定律推算生物气溶胶的实用化形态优选参数的条件包括：
生物气溶胶粒子群的光学厚度f(λ)小于1或目标透过率T(λ)大于20％；
当所述生物气溶胶粒子群的光学厚度f(λ)小于1时，所述目标透过率T(λ)大于36.78％；所述朗伯-比尔定律推算生物气溶胶的实用化形态优选参数的条件为目标透过率T(λ)≥36.78％。
基于本发明的生物气溶胶强消光特性颗粒形态的快速计算方法的另一个实施例中，所述利用朗伯-比尔定律推算生物气溶胶的实用化形态优选参数mmin包括：
朗伯-比尔定律的算法公式为：
T(λ)＝exp[-α(λ)cL]；
式中，T(λ)为目标透过率，α为粒子群消光系数，单位是m2/g，c为粒子群的质量浓度，单位为g/m3；L为光程，单位为m；
在利用朗伯-比尔定律推算生物气溶胶的实用化形态优选参数mmin时，T(λ)、α、L均为已知参数，根据公式反推c，c为粒子群的质量浓度，单位为g/m3，由于实际计算的空间体积V也是确定的，因此，可以得到mmin＝cV。
基于本发明的生物气溶胶强消光特性颗粒形态的快速计算方法的另一个实施例中，所述获取种质衰减物的质量最低的生物气溶胶的种质，则该生物气溶胶的种质结构即为该电磁衰减应用背景下的最优形态包括：
已知某生物气溶胶种质W具有n种形态，为了达到T≤Tmax，Tmax为最大设定目标透过率，所需抛洒的1、2、3、……、n种形态的W种质衰减物的最低质量分别记为m1,min，m2,min，m3,min，……，mn,min；
mmin＝min(mi,min)(i＝1，2，3，……，n)；
式中，i形态即为种质W在该电磁衰减应用背景下的最优形态，mmin为实用化形态优选参数。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
采用本发明的生物气溶胶强消光特性颗粒形态的快速计算方法,采用衰减物的最低质量mmin作为形态实用化优选参数，可以对生物种质形态不同所带来的消光性能差异进行量化评判，并且mmin可以作为工程应用中很有用的一个参数，用来指导生物气溶胶电磁衰减物的释放，本发明有广阔的应用范围，能够快速确定电磁衰减背景下生物气溶胶衰减物的最优形态，指导生物衰减物制备过程中结构参数的设定。
附图说明
图1为本发明提出的生物气溶胶强消光特性颗粒形态的快速计算方法的一个实施例的流程图；
图2为本发明提出的生物气溶胶强消光特性颗粒形态的快速计算方法的一个实施例的利用Monte Carlo概率仿真推算生物气溶胶的实用化形态优选参数的流程图；
图3为本发明提出的生物气溶胶强消光特性颗粒形态的快速计算方法的一个实施例的生物气溶胶的粒子群消光系数。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例只是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图和实施例对本发明提供的一种生物气溶胶强消光特性颗粒形态的快速计算方法进行更详细地说明。
图1为本发明提出的生物气溶胶强消光特性颗粒形态的快速计算方法的一个实施例的流程图，如图1所示，所述生物气溶胶强消光特性颗粒形态的快速计算方法包括：
10，获取生物气溶胶的目标透过率T和粒子群消光系数α；
20，当所述生物气溶胶的目标透过率的最大值不小于设定阈值时，利用朗伯-比尔定律推算生物气溶胶的实用化形态优选参数mmin；
30，当所述生物气溶胶的目标透过率的最大值小于设定阈值时，利用Monte Carlo概率仿真推算生物气溶胶的实用化形态优选参数mmin；
40，根据所述实用化形态优选参数mmin获取生物气溶胶所对应的形态值，从而得到目标透过率条件下的生物气溶胶强消光的特性形态；
50，优化计算生物气溶胶的形态；
所述优化计算生物气溶胶的形态包括：
获取生物气溶胶电磁衰减应用背景下的种质及其对应的形态；
计算生物气溶胶各种质的形态在其透光率小于设定阈值时的种质衰减物的最低质量；
获取种质衰减物的质量最低的生物气溶胶的种质，则该生物气溶胶的种质结构即为该电磁衰减应用背景下的最优形态。
所述朗伯-比尔定律推算生物气溶胶的实用化形态优选参数的条件包括：
生物气溶胶粒子群的光学厚度f(λ)小于1或目标透过率T(λ)大于20％；
当所述生物气溶胶粒子群的光学厚度f(λ)小于1时，所述目标透过率T(λ)大于36.78％；
所述朗伯-比尔定律推算生物气溶胶的实用化形态优选参数的条件为目标透过率T(λ)≥36.78％。
所述利用朗伯-比尔定律推算生物气溶胶的实用化形态优选参数mmin包括：
朗伯-比尔定律的算法公式为：
朗伯-比尔定律的算法公式为：
T(λ)＝exp[-α(λ)cL]；
式中，T(λ)为目标透过率，α为粒子群消光系数，单位是m2/g，c为粒子群的质量浓度，单位为g/m3；L为光程，单位为m；
在利用朗伯-比尔定律推算生物气溶胶的实用化形态优选参数mmin时，T(λ)、α、L均为已知参数，根据公式反推c，c为粒子群的质量浓度，单位为g/m3，由于实际计算的空间体积V也是确定的，因此，可以得到mmin＝cV。
如图2所示，当所述生物气溶胶的目标透过率的最大值小于设定阈值Tmax<36.78％时，利用Monte Carlo概率仿真推算生物气溶胶的实用化形态优选参数mmin包括：
步骤S1，初始化光子，并计算光子的行进步长，更新光子的位置；
步骤S2，判断光子是否在微生物凝聚粒子群中；
步骤S3，如果光子不在微生物凝聚粒子群中，则更新目标透过率数据，并判断该光子是否为最后一个光子；
步骤S4，如果步骤S3中判断是最后一个光子，则算法结束，获取入射光通过生物气溶胶目标透过率，得到生物粒子的密度ρ；
如果步骤S3中判断不是最后一个光子，则跳转到步骤S1，重新对光子进行初始化，并计算光子的行进步长；
步骤S5，如果步骤S2中判断光子在微生物凝聚粒子群中，则更新该位置的光子的权重；
步骤S6，判断光子的权重是否小于设定权重阈值；
如果步骤S6中光子的权重小于设定权重阈值，则执行步骤S3，更新目标透过率数据，判断该光子是否为最后一个光子；
如果是最后一个光子，则执行步骤S4，算法结束，获取入射光通过生物气溶胶目标透过率，得到生物粒子的密度ρ；
如果不是最后一个光子，则跳转到步骤S1，重新对光子进行初始化，并计算光子的行进步长；步骤S7，如果步骤中种光子权重大于设定权重阈值，则更新光子的行进方向，跳转到步骤S1，重新对光子进行初始化，并计算光子的行进步长；
通过仿真算法计算粒子群的浓度C，计算mmin＝C·ρv，式中，ρ为生物粒子的密度，v为生物粒子的体积。
所述获取种质衰减物的质量最低的生物气溶胶的种质，则该生物气溶胶的种质结构即为该电磁衰减应用背景下的最优形态包括：
已知某生物气溶胶种质W具有n种形态，为了达到T≤Tmax，Tmax为最大设定目标透过率，所需抛洒的1、2、3、……、n种形态的W种质衰减物的最低质量分别记为m1,min，m2,min，m3,min，……，mn,min；
mmin＝min(mi,min)(i＝1，2，3，……，n)；
式中，i形态即为种质W在该电磁衰减应用背景下的最优形态，mmin为实用化形态优选参数。
具体的，本发明中强消光一般指气溶胶透过率低于10％，但不同应用场景指标会有所不同。不论“强消光”的指标是多少，专利里的计算方法都是通用的。
实施例1：
针对某生物气溶胶电磁衰减应用背景，达到“衰减有效”的最低标准是电磁波在体积为V的生物气溶胶粒子群中衰减，当入射电磁波行进光程L后，目标透过率不能超过Tmax。假设某生物气溶胶种质W具有以下形态：a球形；b球形凝聚粒子；c菌丝。那么，为了达到T≤Tmax，所需抛洒的a、b、c三种形态的W种质衰减物的最低质量分别记为ma,min，mb,min，mc,min；mmin＝min(mi,min)(i＝a,b,c)
上式成立，则i形态即为种质W在该电磁衰减应用背景下的最优形态，mmin称为实用化形态优选参数。
生物气溶胶粒子均匀弥散在一定空间内形成的粒子群，会对入射电磁波造成衰减。当生物气溶胶的密度比较低，或形成的粒子群较薄的情况下，只考虑光源的一次散射时，这种衰减符合朗伯-比尔定律：
T(λ)＝exp[-α(λ)cL]；
式中，T(λ)为目标透过率，α为粒子群消光系数，单位是m2/g，c为粒子群的质量浓度，单位为g/m3；L为光程，单位为m；
对于朗伯-比尔定律来说，粒子群的光学厚度f(λ)是十分重要的一个参数：
f(λ)＝α(λ)c；
T(λ)＝exp[-f(λ)]；
图3为本发明提出的生物气溶胶强消光特性颗粒形态的快速计算方法的一个实施例的生物气溶胶的粒子群消光系数，如图2所示，以某曲霉种质为例，设现在有某曲霉种质的三种结构：a孢子、b凝聚粒子、c菌丝；在0.24-14μm波段某曲霉三种形态的粒子群消光系数见附图3。对本实施例有影响的波段有：紫外波段0.24-0.4μm、可见光波段0.39-0.76μm、中红外波段3-5μm、远红外波段8-14μm。根据附图3中数据，求某曲霉三种气溶胶形态在紫外、可见光、中红外和远红外波段的平均粒子群消光系数αλ1～λ2，如下表所示；
Figure GDA0002700512810000071
假设现在需要对紫外、可见光、中红外和远红外波段进行衰减，要求某曲霉种质的生物气溶胶在V＝30m3的空间内，在L＝4m的光程范围，对入射电磁波衰减后透过率不超过40％，则各形态生物气溶胶衰减物最少用量如下表；
Figure GDA0002700512810000072
若要求某曲霉种质的生物气溶胶对入射电磁波衰减后，透过率不超过10％，则各形态生物气溶胶衰减物最少用量如下表；
Figure GDA0002700512810000073
因此，在30m3的空间内，4m的光程范围，电磁辐射穿过某曲霉气溶胶目标透过率小于40％，紫外和可见光波段某曲霉的最优衰减形态是单个孢子，最少需要释放某曲霉孢子的质量分别是6.8909g和6.2860g；中红外和远红外波段某曲霉的最优衰减形态是菌丝体，最少需要释放某曲霉菌丝体的质量分别是4.1457g和12.0978g。若要求电磁辐射穿过某曲霉气溶胶目标透过率小于10％，紫外和可见光波段某曲霉的最优衰减形态是单个孢子，最少需要释放某曲霉孢子的质量分别是8.6583g和7.8983g；中红外和远红外波段某曲霉的最优衰减形态是菌丝体，最少需要释放某曲霉菌丝体的质量分别是5.2090g和15.2007g。
对于本领域技术人员而言，显然本发明实施例不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明实施例的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明实施例。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明实施例的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明实施例内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。系统、装置或终端权利要求中陈述的多个单元、模块或装置也可以由同一个单元、模块或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。
最后应说明的是，以上实施方式仅用以说明本发明实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明实施例的技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种生物气溶胶强消光特性颗粒形态的快速计算方法，其特征在于，包括：
获取生物气溶胶的目标透过率T和粒子群消光系数α；
当所述生物气溶胶的目标透过率的最大值不小于设定阈值时，利用朗伯-比尔定律推算生物气溶胶的实用化形态优选参数mmin，所述实用化形态优选参数mmin中的mmin为生物气溶胶中干扰物的最低质量，用于对生物种质形态不同所带来的消光性能差异进行量化评判；
当所述生物气溶胶的目标透过率的最大值小于设定阈值时，利用Monte Carlo概率仿真推算生物气溶胶的实用化形态优选参数mmin；
根据所述实用化形态优选参数mmin获取生物气溶胶所对应的形态值，从而得到目标透过率条件下的生物气溶胶强消光的特性形态；
所述利用Monte Carlo概率仿真推算生物气溶胶的实用化形态优选参数mmin包括：
步骤S1，初始化光子，并计算光子的行进步长，更新光子的位置；
步骤S2，判断光子是否在微生物凝聚粒子群中；
步骤S3，如果光子不在微生物凝聚粒子群中，则更新目标透过率数据，并判断该光子是否为最后一个光子；
步骤S4，如果步骤S3中判断是最后一个光子，则算法结束，获取入射光通过生物气溶胶目标透过率，得到生物粒子的密度ρ；
如果步骤S3中判断不是最后一个光子，则跳转到步骤S1，重新对光子进行初始化，并计算光子的行进步长；
步骤S5，如果步骤S2中判断光子在微生物凝聚粒子群中，则更新该位置的光子的权重；
步骤S6，判断光子的权重是否小于设定权重阈值；
如果步骤S6中光子的权重小于设定权重阈值，则执行步骤S3，更新目标透过率数据，判断该光子是否为最后一个光子；
如果是最后一个光子，则执行步骤S4，算法结束，获取入射光通过生物气溶胶目标透过率，得到生物粒子的密度ρ；
如果不是最后一个光子，则跳转到步骤S1，重新对光子进行初始化，并计算光子的行进步长；
步骤S7，如果步骤中种光子权重大于设定权重阈值，则更新光子的行进方向，跳转到步骤S1，重新对光子进行初始化，并计算光子的行进步长；
通过仿真算法计算粒子群的浓度C，计算mmin＝Cρv，式中，ρ为生物粒子的密度，v为生物粒子的体积。
2.根据权利要求1所述的生物气溶胶强消光特性颗粒形态的快速计算方法，其特征在于，还包括：优化计算生物气溶胶的形态；
所述优化计算生物气溶胶的形态包括：
获取生物气溶胶电磁衰减应用背景下的种质及其对应的形态；
计算生物气溶胶各种质的形态在其透光率小于设定阈值时的种质衰减物的最低质量；
获取种质衰减物的质量最低的生物气溶胶的种质，则该生物气溶胶的种质结构即为该电磁衰减应用背景下的最优形态。
3.根据权利要求1所述的生物气溶胶强消光特性颗粒形态的快速计算方法，其特征在于，所述生物气溶胶的目标透过率的设定阈值为36.78％。
4.根据权利要求3所述的生物气溶胶强消光特性颗粒形态的快速计算方法，其特征在于，所述朗伯-比尔定律推算生物气溶胶的实用化形态优选参数的条件包括：
生物气溶胶粒子群的光学厚度f(λ)小于1或目标透过率T(λ)大于20％；
当所述生物气溶胶粒子群的光学厚度f(λ)小于1时，所述目标透过率T(λ)大于36.78％；
所述朗伯-比尔定律推算生物气溶胶的实用化形态优选参数的条件为目标透过率T(λ)≥36.78％。
5.根据权利要求3所述的生物气溶胶强消光特性颗粒形态的快速计算方法，其特征在于，所述利用朗伯-比尔定律推算生物气溶胶的实用化形态优选参数mmin包括：
朗伯-比尔定律的算法公式为：
T(λ)＝exp[-α(λ)cL]；
式中，T(λ)为目标透过率，α为粒子群消光系数，单位是m2/g，c为粒子群的质量浓度，单位为g/m3；L为光程，单位为m；
在利用朗伯-比尔定律推算生物气溶胶的实用化形态优选参数mmin时，T(λ)、α、L均为已知参数，根据公式反推c，c为粒子群的质量浓度，单位为g/m3，由于实际计算的空间体积V也是确定的，因此，可以得到mmin＝cV。
6.根据权利要求2所述的生物气溶胶强消光特性颗粒形态的快速计算方法，其特征在于，所述获取种质衰减物的质量最低的生物气溶胶的种质，则该生物气溶胶的种质结构即为该电磁衰减应用背景下的最优形态包括：
已知某生物气溶胶种质W具有n种形态，为了达到T≤Tmax，Tmax为最大设定目标透过率，所需抛洒的1、2、3、……、n种形态的W种质衰减物的最低质量分别记为m1,min，m2,min，m3,min，……，mn,min；
mmin＝min(mi,min)(i＝1，2，3，……，n)；
式中，i形态即为种质W在该电磁衰减应用背景下的最优形态，mmin为实用化形态优选参数。
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