CN111537472B - 人工制备生物材料在外部环境下的遮蔽效能获取方法 - Google Patents

人工制备生物材料在外部环境下的遮蔽效能获取方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种人工制备生物材料在外部环境下的遮蔽效能获取方法包括：步骤一、获取人工制备生物材料的第一平均颗粒粒径和第一复折射率；步骤二、获取外部环境的相对湿度、风速和大气稳定度；步骤三、计算人工制备生物材料在相对湿度下的第二平均颗粒粒径和第二复折射率；步骤四、计算人工制备生物材料在外部环境下的电磁衰减能力；步骤五、根据外部环境的风速和大气稳定度，得到释放源连续释放后扩散至稳态时人工制备生物材料的质量浓度分布函数；步骤六、得到人工制备生物材料在外部环境下的漂浮能力；步骤七、得到人工制备生物材料在外部环境下的遮蔽效能。本发明可以确定在外部环境下人工制备生物材料的遮蔽效能。

Description

人工制备生物材料在外部环境下的遮蔽效能获取方法
技术领域
本发明属于电磁衰减技术领域，具体涉及一种人工制备生物材料在外部环境下的遮蔽效能获取方法。
背景技术
电磁衰减技术，是指通过释放电磁衰减材料形成某种介质，利用介质对电磁波产生衰减作用的一种技术。具有电磁衰减效能的衰减材料广泛应用于航天、医药、食品等各大领域。近年来，探索遮蔽性能优良的高效电磁衰减材料已成为国内外学者的研究热点。
人工制备生物材料作为电磁衰减材料研究和发展的一个新方向，具有良好的电磁效能、较轻的质量和良好的漂浮能力，形成的介质可以在电磁波传播路径持续存在，对电磁波具有优良的遮蔽效能。但在实际应用中，由于作用环境多样，电磁衰减材料的电磁衰减效能随着环境变化展现出一定的波动性，材料的漂浮能力也会随着环境的变化而变化。因此，为了更好地掌握人工制备生物材料在各种环境下的遮蔽效能，使材料可以在各种外部环境下均可展现出电磁波的遮蔽效果，需要一套完整的人工制备生物材料受外部环境影响下的遮蔽效能计算方法。
现有技术通过测量生物材料在240 nm~14μm波段内的反射光谱，结合Kramers-Kronig算法，得到不同生物材料的复折射率谱，并通过离散偶极子近似法，得到生物材料在该波段的质量消光系数表征其电磁衰减能力，但该结果只能表征生物材料本身的电磁衰减能力，无法计算实际应用中在外部环境下生物材料的电磁衰减能力，另外，在实际应用中，生物材料的电磁衰减能力和漂浮能力均会受外部环境影响，从而影响其在实际应用中的遮蔽效能，现有技术无法确定在外部环境下生物材料的遮蔽效能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种人工制备生物材料在外部环境下的遮蔽效能获取方法，该方法可以确定在外部环境下人工制备生物材料的遮蔽效能，为实际应用中，不同环境下实现预期遮蔽效果所需的材料选择、投放量计算等提供手段。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案实现：
一种人工制备生物材料在外部环境下的遮蔽效能获取方法，所述获取方法包括如下步骤：
步骤一、获取人工制备生物材料的第一平均颗粒粒径和第一复折射率；
步骤二、获取外部环境的相对湿度、风速和大气稳定度；
步骤三、计算人工制备生物材料在相对湿度下的第二平均颗粒粒径和第二复折射率；
步骤四、根据人工制备生物材料在相对湿度下的第二平均颗粒粒径和第二复折射率，计算人工制备生物材料在所述外部环境下的电磁衰减能力；
步骤五、根据所述外部环境的风速和大气稳定度，得到释放源连续释放后扩散至稳态时人工制备生物材料的质量浓度分布函数；
步骤六、根据释放源连续释放后扩散至稳态时人工制备生物材料的质量浓度分布函数，采用阈值-采样点计数法，得到人工制备生物材料在所述外部环境下的漂浮能力；
步骤七、根据人工制备生物材料在所述外部环境下的电磁衰减能力和漂浮能力，得到人工制备生物材料在外部环境下的遮蔽效能。
进一步的，步骤一的具体实现过程为：
步骤11、采用光学粒子计数器，测定人工制备生物材料的第一平均颗粒粒径；
步骤12、采用傅里叶红外光谱仪，对人工制备生物材料的反射谱进行测量；
步骤13、根据人工制备生物材料的反射谱，采用Kramers-Kronig关系，得到人工制备生物材料的第一复折射率。
进一步的，步骤三中，所述第二平均颗粒粒径和第二复折射率按照如下公式计算：
Figure 614605DEST_PATH_IMAGE001
；
Figure 506645DEST_PATH_IMAGE002
；
其中，m为第二复折射率；RH为外部环境的相对湿度；m w 为纯水的复折射率；m 0 为第一复折射率，r 0 为第一平均颗粒粒径；r RH 为第二平均颗粒粒径；u为常系数。
进一步的，步骤四中，所述人工制备生物材料在所述外部环境下的电磁衰减能力按照如下公式计算：
Figure 224065DEST_PATH_IMAGE003
；
Figure 9487DEST_PATH_IMAGE004
；
Figure 558280DEST_PATH_IMAGE005
；
Figure 567694DEST_PATH_IMAGE006
；
其中，C ext 为人工制备生物材料在外部环境下的电磁衰减能力； 为人工制备生物材料的入射电场的振幅；E i 为第i个偶极子的总电场强度；E inc,i 为第i个偶极子的入射场电场的强度；E sca,i 为除第i个偶极子外其他偶极子所产生的散射场强度；E * inc,i 为第i个偶极子的入射场电场的强度的共轭；P i 为第i个偶极子的偶极矩；α i 为第i个偶极子极化率；i=1,2,...,M，M为偶极子数；k=2π/λ，λ为入射电磁波的波长。
进一步的，所述大气稳定度包括强不稳定A、不稳定B、弱不稳定C、中性D、较稳定E和稳定F。
进一步的，步骤五中，所述释放源连续释放后扩散至稳态时人工制备生物材料的质量浓度分布函数为：
Figure 772410DEST_PATH_IMAGE007
；
其中，C(x,y,z,H)为释放源连续释放后扩散至稳态时人工制备生物材料的质量浓度分布函数；(x,y,z)为释放源位置坐标；H为释放源高度；Q为人工制备生物材料释放速率；v为人工制备生物材料所处环境中的风速；σ y 和σ z 分别为沿Y和Z两个坐标轴方向上的扩散方差，取决于大气稳定度的等级。
进一步的，步骤六的具体过程为：
步骤61、设被人工制备生物材料衰减的电磁波传播方向为Y轴方向；
步骤62、设有效漂浮点计数值Count的初始值为0；
步骤63、计算y=0平面上第j个采样点的质量浓度c(x j ,0,z j ,H)；
步骤64、判断c(x j ,0,z j ,H)是否大于阈值，如是，则令Count=Count+1，进入步骤65；如否，则直接进入步骤65；
步骤65、判断j是否小于N，如是，则令j=j+1，返回步骤63；如否，则输出计数值Count，并计算人工制备生物材料在外部环境下的漂浮能力 ，结束；
其中，(x j ,z j )为y=0平面上第j个采样点的位置坐标；N为y=0平面上单位长度上的采样点数。
进一步的，步骤七中，所述人工制备生物材料在外部环境下的遮蔽效能为：
K=C ext S ；
其中，K为人工制备生物材料在外部环境下的遮蔽效能；C ext 为人工制备生物材料在外部环境下的电磁衰减能力；S为人工制备生物材料在外部环境下的漂浮能力。
本发明的有益效果：
本发明通过确定人工制备生物材料属性（第一平均颗粒粒径和第一复折射率）以及外部环境的相对湿度，得到吸水后人工制备生物材料属性（第二平均颗粒粒径和第二复折射率）；并通过吸水后人工制备生物材料属性，得到人工制备生物材料在外部环境下的电磁衰减能力；同时利用外部环境的风速和大气稳定度，获取释放源连续释放后扩散至稳态时人工制备生物材料的质量浓度分布函数，并采用阈值-采样点计数法，得到人工制备生物材料在外部环境下的漂浮能力；最后结合人工制备生物材料在外部环境下的电磁衰减能力和漂浮能力两个因素，给出遮蔽效能计算公式，计算得到人工制备生物材料在外部环境下的遮蔽效能，该遮蔽效能不仅考虑人工制备生物材料本身属性对人工制备生物材料的电磁衰减能力和漂浮能力的影响，还考虑了外部环境对人工制备生物材料的电磁衰减能力和漂浮能力的影响，所得结果更接近于实际应用情况；本发明可以为实际应用中确保良好遮蔽效果选取合适材料、合适的投放量提供指示参考。
附图说明
图1为本方面的人工制备生物材料在外部环境下的遮蔽效能获取方法流程示意图；
图2a为本实施例的AN0913孢子特性和AO0907孢子特性的第一复折射率的实部谱示意图；
图2b为本实施例的AN0913孢子特性和AO0907孢子特性的第一复折射率的虚部谱示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作出详细说明。
本实施例所涉及的技术术语如下：电磁衰减：电磁波沿传播路径减弱的现象，衰减作用常是吸收和散射两种作用的总和；散射截面：是指入射光照度与粒子散射的光通量之比，或者说，粒子散射的能量等于照射在散射界面上的能量，是抽象面积；吸收截面：是指吸收通量与入射光照度之比。散射截面和吸收截面并不是散射粒子的实际截面，当吸收为零时，散射截面就是消光截面；消光截面：反射截面和吸收截面的加和。
本实施例给出了一种人工制备生物材料在外部环境下的遮蔽效能获取方法，参考图1，该获取方法包括如下步骤：
步骤一、获取人工制备生物材料的第一平均颗粒粒径和第一复折射率；
本实施例中，人工制备生物材料的特性包括第一平均颗粒粒径和第一复折射率，具体实现过程为：
步骤11、采用光学粒子计数器，测定人工制备生物材料（如AN孢子）的第一平均颗粒粒径r 0 ；
步骤12、采用傅里叶红外光谱仪，对人工制备生物材料（如AN孢子）的反射谱进行测量；
步骤13、根据人工制备生物材料的反射谱，采用Kramers-Kronig关系，得到人工制备生物材料的第一复折射率。
如利用光学粒子计数器，测定AN0913孢子和AO0907孢子的第一平均颗粒粒径均为r 0 =1.5μm。利用傅里叶红外光谱仪对AN0913孢子和AO0907孢子的反射谱R(λ)进行测量，根据Kramers-Kronig关系，进而推出两种孢子的第一复折射率谱m 0 (λ)=n(λ)+ik(λ)，其中，第一复折射率的实部谱n(λ)和虚部谱k(λ)，λ为测量时的入射波长，计算结果如图2a和2b所示。
步骤二、获取外部环境的相对湿度、风速和大气稳定度；
本实施例用相对湿度值RH（单位：%）量化环境中的湿度条件；用地面水平风速值（单位：米/秒）量化环境中的风速条件；用大气稳定度（分为强不稳定A、不稳定B、弱不稳定C、中性D、较稳定E和稳定F六个级别）量化环境中与地面垂直方向的空气运动情况。如环境条件为相对湿度RH为70%，主风向风速v=1m/s；大气稳定度为D。
步骤三、计算人工制备生物材料在相对湿度下的第二平均颗粒粒径和第二复折射率；
本实施例中，第二平均颗粒粒径和第二复折射率按照如下公式计算：
Figure 361523DEST_PATH_IMAGE001
；
Figure 764823DEST_PATH_IMAGE002
；
其中，m为第二复折射率；RH为外部环境的相对湿度；m w 为纯水的复折射率；m 0 为第一复折射率，r 0 为第一平均颗粒粒径；r RH 为第二平均颗粒粒径；u为常系数。
步骤四、根据人工制备生物材料在相对湿度下的第二平均颗粒粒径和第二复折射率，计算人工制备生物材料在所述外部环境下的电磁衰减能力。
本实施例的人工制备生物材料在外部环境下的电磁衰减能力的方法包括离散偶极子近似法、Mie散射理论、时域有限差分法和T矩阵算法。本实施例采用离散偶极子近似法，具体按照如下公式计算人工制备生物材料在外部环境下的电磁衰减能力：
Figure 948067DEST_PATH_IMAGE003
；
Figure 640079DEST_PATH_IMAGE004
；
Figure 767304DEST_PATH_IMAGE005
；
Figure 25110DEST_PATH_IMAGE006
；
其中，C ext 为人工制备生物材料在外部环境下的电磁衰减能力；
Figure 845168DEST_PATH_IMAGE008
为人工制备生 物材料的入射电场的振幅；E i 为第i个偶极子的总电场强度；E inc,i 为第i个偶极子的入射场 电场的强度；E sca,i 为除第i个偶极子外其他偶极子所产生的散射场强度；E * inc,i 为第i个偶极 子的入射场电场的强度的共轭；P i 为第i个偶极子的偶极矩；α i 为第i个偶极子极化率；i=1, 2,...,M，M为偶极子数；k=2π/λ，λ为入射电磁波的波长。
如实际环境的相对湿度RH为70%，目标电磁波波长为2.5μm，AN0913孢子和AO0907孢子的消光截面（即用消光截面表征电磁衰减能力）分别为6.42x10-4m2和4.37x10-4m2。
步骤五、根据外部环境的风速和大气稳定度，得到释放源连续释放后扩散至稳态时人工制备生物材料的质量浓度分布函数。
本实施例中，用两个量化后的环境变量地面水平风速v、大气稳定度等级来表征外部环境条件，则释放源连续释放后扩散至稳态时人工制备生物材料的质量浓度分布函数为：
Figure 24476DEST_PATH_IMAGE009
；
其中，C(x,y,z,H)为释放源连续释放后扩散至稳态时人工制备生物材料的质量浓度分布函数；(x,y,z)为释放源位置坐标；H为释放源高度；Q为人工制备生物材料释放速率；v为人工制备生物材料所处环境中的风速；σ y 和σ z 分别为沿Y和Z两个坐标轴方向上的扩散方差，其取值与大气稳定度存在对应关系，如表1所示：
表1 高斯烟羽模型扩散方差系数
Figure 486550DEST_PATH_IMAGE010
步骤六、根据释放源连续释放后扩散至稳态时人工制备生物材料的质量浓度分布函数，采用阈值-采样点计数法，得到人工制备生物材料在外部环境下的漂浮能力。
本实施例采用人工制备生物材料达到稳态时的有效衰减面积S来表征材料的漂浮能力，具体实现过程为：
步骤61、设被人工制备生物材料衰减的电磁波传播方向为Y轴方向；
步骤62、设有效漂浮点计数值Count的初始值为0；
步骤63、计算y=0平面上第j个采样点的质量浓度c(x j ,0,z j ,H)；
步骤64、判断c(x j ,0,z j ,H)是否大于阈值，如是，则令Count=Count+1，进入步骤65；如否，则直接进入步骤65；
步骤65、判断j是否小于N，如是，则令j=j+1，返回步骤63；如否，则输出计数值 Count，并计算人工制备生物材料在外部环境下的漂浮能力
Figure 67704DEST_PATH_IMAGE011
，结束；
其中，(x j ,z j )为y=0平面上第j个采样点的位置坐标；N为y=0平面上单位长度上的采样点数。
如连续释放源的释放速率Q=100g/s；有效高度H=5m；主风向风速v=1m/s；大气稳定度为D，则AN0913孢子和AO0907孢子释放达稳态时的有效消光面积为143.1228m2。
步骤七、根据人工制备生物材料在所述外部环境下的电磁衰减能力和漂浮能力，得到人工制备生物材料在外部环境下的遮蔽效能。
本步骤的人工制备生物材料在外部环境下的遮蔽效能为：
K=C ext S ；
其中，K为人工制备生物材料在外部环境下的遮蔽效能；C ext 为人工制备生物材料在外部环境下的电磁衰减能力；S为人工制备生物材料在外部环境下的漂浮能力。
如AN0913孢子和AO0907孢子两种材料在上述环境条件下的遮蔽效能分别为9.188x10-2和6.254x10-2。
本实施例通过确定人工制备生物材料属性（第一平均颗粒粒径和第一复折射率）以及外部环境的相对湿度，得到吸水后人工制备生物材料属性（第二平均颗粒粒径和第二复折射率）；并通过吸水后人工制备生物材料属性，得到人工制备生物材料在外部环境下的电磁衰减能力；同时利用外部环境的风速和大气稳定度，获取释放源连续释放后扩散至稳态时人工制备生物材料的质量浓度分布函数，并采用阈值-采样点计数法，得到人工制备生物材料在外部环境下的漂浮能力；最后结合人工制备生物材料在外部环境下的电磁衰减能力和漂浮能力两个因素，给出遮蔽效能计算公式，计算得到人工制备生物材料在外部环境下的遮蔽效能，该遮蔽效能不仅考虑人工制备生物材料本身属性对人工制备生物材料的电磁衰减能力和漂浮能力的影响，还考虑了外部环境对人工制备生物材料的电磁衰减能力和漂浮能力的影响，所得结果更接近于实际应用情况；本实施例可以为实际应用中确保良好遮蔽效果选取合适材料、合适的投放量提供指示参考。
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 (7)

1.一种人工制备生物材料在外部环境下的遮蔽效能获取方法，其特征在于，所述获取方法包括如下步骤：
步骤一、获取人工制备生物材料的第一平均颗粒粒径和第一复折射率；
步骤二、获取外部环境的相对湿度、风速和大气稳定度；
步骤三、计算人工制备生物材料在相对湿度下的第二平均颗粒粒径和第二复折射率；
步骤四、根据人工制备生物材料在相对湿度下的第二平均颗粒粒径和第二复折射率，计算人工制备生物材料在所述外部环境下的电磁衰减能力；
步骤五、根据所述外部环境的风速和大气稳定度，得到释放源连续释放后扩散至稳态时人工制备生物材料的质量浓度分布函数；
步骤六、根据释放源连续释放后扩散至稳态时人工制备生物材料的质量浓度分布函数，采用阈值-采样点计数法，得到人工制备生物材料在所述外部环境下的漂浮能力；
步骤七、根据人工制备生物材料在所述外部环境下的电磁衰减能力和漂浮能力，得到人工制备生物材料在外部环境下的遮蔽效能；
所述人工制备生物材料在外部环境下的遮蔽效能为：
K＝CextS；
其中，K为人工制备生物材料在外部环境下的遮蔽效能；Cext为人工制备生物材料在外部环境下的电磁衰减能力；S为人工制备生物材料在外部环境下的漂浮能力。
2.根据权利要求1所述的遮蔽效能获取方法，其特征在于，步骤一的具体实现过程为：
步骤11、采用光学粒子计数器，测定人工制备生物材料的第一平均颗粒粒径；
步骤12、采用傅里叶红外光谱仪，对人工制备生物材料的反射谱进行测量；
步骤13、根据人工制备生物材料的反射谱，采用Kramers-Kronig关系，得到人工制备生物材料的第一复折射率。
3.根据权利要求1或2所述的遮蔽效能获取方法，其特征在于，步骤三中，所述第二平均颗粒粒径和第二复折射率按照如下公式计算：
Figure FDA0002643404670000011
Figure FDA0002643404670000012
其中，m为第二复折射率；RH为外部环境的相对湿度；mw为纯水的复折射率；m0为第一复折射率，r0为第一平均颗粒粒径；rRH为第二平均颗粒粒径；u为常系数。
4.根据权利要求3所述的遮蔽效能获取方法，其特征在于，步骤四中，所述人工制备生物材料在所述外部环境下的电磁衰减能力按照如下公式计算：
Figure FDA0002643404670000021
Ei＝Einc，i+Esca，i；
Pi＝αiEi；
M≥4π(k·rRH)3|m|3/3；
其中，Cext为人工制备生物材料在外部环境下的电磁衰减能力；
Figure FDA0002643404670000022
为人工制备生物材料的入射电场的振幅；Ei为第i个偶极子的总电场强度；Einc，i为第i个偶极子的入射场电场的强度；Esca，i为除第i个偶极子外其他偶极子所产生的散射场强度；E* inc，i为第i个偶极子的入射场电场的强度的共轭；Pi为第i个偶极子的偶极矩；ai为第i个偶极子极化率；i＝1，2，...，M，M为偶极子数；k＝2π/λ，λ为入射电磁波的波长。
5.根据权利要求1或2所述的遮蔽效能获取方法，其特征在于，所述大气稳定度包括强不稳定A、不稳定B、弱不稳定C、中性D、较稳定E和稳定F。
6.根据权利要求5所述的遮蔽效能获取方法，其特征在于，步骤五中，所述释放源连续释放后扩散至稳态时人工制备生物材料的质量浓度分布函数为：
Figure FDA0002643404670000023
其中，C(x，y，z，H)为释放源连续释放后扩散至稳态时人工制备生物材料的质量浓度分布函数；(x，y，z)为释放源位置坐标；H为释放源高度；Q为人工制备生物材料释放速率；v为人工制备生物材料所处环境中的风速；σy和σz分别为沿Y和Z两个坐标轴方向上的扩散方差。
7.根据权利要求6所述的遮蔽效能获取方法，其特征在于，步骤六的具体过程为：
步骤61、设被人工制备生物材料衰减的电磁波传播方向为Y轴方向；
步骤62、设有效漂浮点计数值Count的初始值为0；
步骤63、计算y＝0平面上第j个采样点的质量浓度c(xj，0，zj，H)；
步骤64、判断c(xj，0，zj，H)是否大于阈值，如是，则令Count＝Count+1，进入步骤65；如否，则直接进入步骤65；
步骤65、判断j是否小于N，如是，则令j＝j+1，返回步骤63；如否，则输出计数值Count，并计算人工制备生物材料在外部环境下的漂浮能力
Figure FDA0002643404670000031
结束；
其中，(xj，zj)为y＝0平面上第j个采样点的位置坐标；N为y＝0平面上单位长度上的采样点数。
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