生物氣溶膠單粒子探測關(guān)鍵技術(shù)與性能評價(jià)方法研究.pdf

1、目的：
　　生物氣溶膠的存在時(shí)時(shí)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(zhì)量。迅速而準(zhǔn)確的生物氣溶膠探測可以實(shí)現(xiàn)對新發(fā)突發(fā)傳染病和生物戰(zhàn)劑攻擊的及時(shí)預(yù)警并實(shí)現(xiàn)有效防控，也可以對某些特定場所的環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)。為了滿足上述探測需求，諸多國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)在此領(lǐng)域投入了大量的人力物力，生物氣溶膠探測技術(shù)也隨之不斷的發(fā)展。目前，對生物威脅預(yù)警響應(yīng)最及時(shí)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(jìn)行判斷。但是該類技術(shù)在系統(tǒng)工程實(shí)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(bào)和誤報(bào)的現(xiàn)象。更重要的一點(diǎn)是，目前針對生物單粒子探測系統(tǒng)并未有規(guī)范科學(xué)的性能評價(jià)平臺和評價(jià)方法，導(dǎo)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(xué)理論為基礎(chǔ)，開展關(guān)于系統(tǒng)關(guān)鍵模塊的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法以及系統(tǒng)性能評價(jià)方法的分析討論，以期提升該類裝置的應(yīng)用性能。
　　研究方法和研究內(nèi)容：
　　論文以對

3、單粒子光學(xué)模型的分析討論結(jié)果作為理論基礎(chǔ)，在生物氣溶膠單粒子探測總體技術(shù)路線下，首先通過理論推導(dǎo)、數(shù)值仿真和工程實(shí)驗(yàn)相結(jié)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(jìn)行了分析討論；然后鑒于目前該領(lǐng)域性能評價(jià)平臺和相關(guān)評價(jià)方法的缺失，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種生物氣溶膠微環(huán)境發(fā)生裝置并對其相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)體系，依托生物氣溶膠微環(huán)境發(fā)生裝置完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)并基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果對單粒

4、子探測系統(tǒng)的性能評價(jià)方法進(jìn)行歸納總結(jié)。具體研究方法和研究內(nèi)容包括以下諸個方面。
　　單粒子探測光學(xué)模型的分析與討論：對單粒子彈性散射現(xiàn)象以 T矩陣?yán)碚摷捌浜喕蟮腗ie散射理論作為分析基礎(chǔ)，提出關(guān)鍵參數(shù)數(shù)值解的求解方法，基于此計(jì)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(nèi)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(guān)鍵技術(shù)研究：以生物氣溶膠單粒子探測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架作為基礎(chǔ)，針對系統(tǒng)光路模塊，以光源為核心設(shè)計(jì)了恒流驅(qū)動源和TEC溫度控制系統(tǒng)，以實(shí)驗(yàn)方法評價(jià)輸出功率的時(shí)間穩(wěn)定性；利用非球面鏡和柱鏡構(gòu)建整形光路，在焦點(diǎn)處形成線性光斑，對焦點(diǎn)光斑的尺寸和均勻性等空間效能指標(biāo)進(jìn)行了定量評價(jià)；設(shè)計(jì)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(jìn)行了仿真。針對

6、樣本流進(jìn)樣要求，設(shè)計(jì)了基于鞘氣聚焦原理的氣路結(jié)構(gòu)，通過理論分析結(jié)合仿真驗(yàn)證了氣路結(jié)構(gòu)對樣本流約束聚焦的可行性；設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(jié)合本系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)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(shè)計(jì)峰值提取算法，在保證算法實(shí)時(shí)高效的基礎(chǔ)上通過在Matlab和FPGA平臺的仿真結(jié)果

7、驗(yàn)證了算法的有效性。
　　生物氣溶膠微環(huán)境發(fā)生裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)：為了滿足生物氣溶膠實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的參數(shù)標(biāo)定和性能評價(jià)等實(shí)驗(yàn)實(shí)施的需要，設(shè)計(jì)并實(shí)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(shí)現(xiàn)原理和工作形式給出了翔實(shí)的分析說明。建立數(shù)學(xué)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(nèi)壓強(qiáng)分布情況，并對相關(guān)參數(shù)給出了定量結(jié)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(jià)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(shí)驗(yàn)體系，包括探測系統(tǒng)對單粒子響應(yīng)能力的評價(jià)及其對生物氣溶膠甄別性能的評價(jià)。其中針對前者設(shè)計(jì)了以標(biāo)準(zhǔn)粒徑微球和熒光微球作為標(biāo)準(zhǔn)樣本的系列實(shí)驗(yàn)，定量評價(jià)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(shí)的微生物樣本和常見的探測干擾物樣

9、本進(jìn)行信號采集實(shí)驗(yàn)，以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)提出了基于體積熒光效率的甄別算法，通過分析算法準(zhǔn)確性評價(jià)了系統(tǒng)對于真實(shí)生物氣溶膠的甄別能力。
　　結(jié)果：
　　單粒子彈性散射仿真結(jié)果：入射場波長與散射場空間分布離散程度呈正相關(guān)（R=0.964）；散射體粒徑與散射場空間分布離散程度呈負(fù)相關(guān)(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(guān)性(R=0.21)。
　　三維熒光光譜實(shí)驗(yàn)結(jié)果：依據(jù)三維熒光光譜實(shí)驗(yàn)結(jié)果并基于工

10、程化目的對最優(yōu)的熒光激發(fā)光源進(jìn)行了討論，最終給出了405nm半導(dǎo)體激光器是最優(yōu)的光源選擇這一結(jié)論。
　　生物氣溶膠單粒子探測系統(tǒng)光源優(yōu)化相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)，30s內(nèi)即可收斂；當(dāng)環(huán)境溫度高于目標(biāo)溫度時(shí)，收斂時(shí)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(qiáng)約是中心位置光強(qiáng)的70％。根據(jù)仿真結(jié)果，弧面發(fā)射收集條件下雙側(cè)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(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)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(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果：以數(shù)字信號的變化趨勢所設(shè)計(jì)的分析算法對單個數(shù)據(jù)處理花費(fèi)的時(shí)間開銷為1個晶振周期；算法可以

12、在復(fù)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(yīng)性。
　　生物氣溶膠微環(huán)境發(fā)生裝置相關(guān)參數(shù)實(shí)驗(yàn)：為滿足理想的自凈時(shí)間要求，根據(jù)混勻倉自凈過程的數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到的過濾風(fēng)機(jī)流量應(yīng)大于0.23m3/s，該參數(shù)條件可以在10s的自凈時(shí)間保證90%以上的凈化率，而當(dāng)自凈時(shí)間延長到100s，粒子的殘留率甚至?xí)∮诎賰|分之一。根據(jù)氣溶膠混勻倉的倉內(nèi)速度矢量仿真結(jié)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(nèi)，無明顯氣流死角。根據(jù)微生物干燥效果實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)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(jià)實(shí)驗(yàn)：探測系統(tǒng)彈性散射通道對于0.5μm粒徑的標(biāo)準(zhǔn)微球特征電壓響應(yīng)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(yīng)范圍涵蓋生物氣溶膠的常規(guī)粒徑，能夠?qū)ι餁馊苣z的粒徑

14、生成正相關(guān)的電壓峰值響應(yīng)。探測系統(tǒng)熒光通道對于B3和B4兩種熒光量接近真實(shí)生物氣溶膠的標(biāo)準(zhǔn)樣本具有良好的信號脈沖響應(yīng)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(shí)驗(yàn)中微生物樣本形成的生物氣溶膠識別的總體準(zhǔn)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(jié)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(shí)施的設(shè)計(jì)