1 佛山科学技术学院 物理与光电工程学院，广东 佛山 528000
2 清华大学深圳国际研究生院 海洋工程研究院，广东 深圳 518055
3 清华大学深圳国际研究生院 广东省偏振光学检测与成像工程技术中心，广东 深圳 518055
水中悬浮颗粒是水体物质的重要成分，因此监测它们的种类和浓度对研究和保护水生态系统具有重要科学意义和实用价值。文中研制了一种水中悬浮颗粒分类仪（Suspended Particle Classifier, SPC），旨在现场检测野外采集的水样，快速得出水中悬浮颗粒的种类、数量和比例。SPC采用引流管将颗粒输送至散射体积内，通过同时探测单个颗粒的散射光偏振态和荧光信号，结合机器学习算法对颗粒分类。对沉积物、微塑料和微藻的标准样品做了数据集并训练分类器，SPC能以大于95%的预测正确率对它们进行分类。接着，将SPC和商业水质多参数监测仪（QWA）同时在崖门水道连续布放25个小时。SPC能快速测量现场采集的水样，获取不同水层的沉积物、微塑料和微藻的数量随时间的变化情况。SPC给出的微藻数量与QWA测得的叶绿素a浓度以及藻红蛋白浓度之间存在显著的相关性；此外，SPC给出的沉积物等效时间截面和QWA测得的浊度值也呈现出明显的相关性，由此可以证明SPC分类结果的可靠性。结果表明：SPC能够对水中的悬浮颗粒进行现场快速分类检测，有望成为探索水生态系统的关键技术。
偏振光散射 荧光 悬浮颗粒 现场 快速分类 polarized light scattering fluorescence suspended particles field rapid classification 红外与激光工程
2023, 52(9): 20230030
清华大学深圳国际研究生院，广东 深圳 518055
从技术上获取悬浮粒子与光相互作用的指标体系，从理论上模拟悬浮粒子与光相互作用的过程和机制，进而借助光散射技术对悬浮粒子的微物理属性进行定性定量的识别、区分和反演，是相关领域研究者的关注焦点。光学测量中的偏振散射分析，不仅能实现原有粒子散射过程的检测，还能借助偏振矢量分析有效扩展实验数据的信息维度，从而为不同粒子类别和属性差异的细化识别提供可能。本文针对悬浮粒子的测量与分析问题，从测量技术、计算理论、实测数据分析几个方面对光散射相关进展进行了综述，并重点关注了基于粒子散射偏振分析提取的悬浮粒子研究进展。
悬浮粒子 偏振测量 散射特性 光学学报
2023, 43(18): 1899915
1 国家燃香类产品质量监督检验中心（福建）, 福建 泉州 362100
2 食品安全与生物分析教育部重点实验室, 福州大学化学学院, 福建 福州 350116
燃香产生大量的颗粒物和挥发性物质已经成为室内空气污染的重要来源之一。 目前有关燃香对局部大气环境影响的研究主要集中在燃香起源颗粒物浓度、 挥发性气体、 有机污染物等含量的测定。 有关燃香所排放颗粒态重金属的排放率、 排放因子以及所排放的颗粒态重金属对室内空气环境质量影响研究未见报道。 使用微波消解仪对9种（S1-S9）线型藏香样品及其燃烧后所释放的总悬浮颗粒物进行程序升温消解, 并采用电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）分别在波长188.980, 214.439, 327.395及220.353 nm下对藏香及其燃烧所释放的总悬浮颗粒物中As, Cd, Cu和Pb含量进行检测, 分析藏香燃后起源颗粒态重金属的排放特征, 为评估室内藏香密集性使用所排放的颗粒态重金属对人体健康的潜在影响以及制定藏香重金属限量标准提供参考。 实验发现: （1）不同种类藏香样品中四种重金属含量不同, 平均含量从高到低依次为Cu, Pb, As和Cd元素。 不同种类藏香样品中Cd和Pb的来源相似、 而As和Cu的来源明显不同。 （2）不同种类藏香燃烧后烟尘量不同, 最高为94.75 mg·kg-1, 最低为38.52 mg·kg-1。 （3）不同藏香燃烧后的总悬浮颗粒物中As, Cd和Pb的排放量主要取决于它们在藏香样品中的含量, 与藏香品种无关; 而Cu在总悬浮颗粒物中的排放量受藏香品种影响较大, 可能还受到其他因素的影响。 （4）藏香燃烧后四种重金属的排放率（E）由高到低依次为Cd, As, Pb和Cu; 而排放因子（F）由高到低依次As, Pb, Cd和Cu。 （5）藏香燃后所排放的As和Cd可能对局部大气环境质量造成影响, 其中来自同一厂家的样品S3, S6及S9的总悬浮颗粒物中As和Cd重金属含量均最高, 建议藏香生产企业更加严格控制As和Cd等重金属的来源和含量, 以降低藏香燃烧后对室内空气中重金属的污染, 进而降低对人体健康危害的风险。
藏香 重金属 颗粒物 排放率 排放因子 Tibetan incense Heavy metals Total suspended particles Emission efficiency Emission factor
1 西安理工大学自动化与信息工程学院, 陕西 西安 710048
2 陕西理工大学物理与电信工程学院, 陕西 汉中 723001
激光在水下的传输很大程度上会受到海水中悬浮颗粒物的影响, 而目前对于海洋中悬浮颗粒物光散射的理论研究大多是针对单一成分的悬浮粒子而进行的, 但是在真实海洋中悬浮颗粒物都是以多种成分混合的颗粒群形式而存在的, 因此研究真实海洋中混合悬浮颗粒物对蓝绿激光的散射特性具有重要意义。 该研究选取了对蓝绿激光传输产生较大影响的浮游藻类植物、 悬浮泥沙、 碎屑、 悬浮气泡和矿物质这五种常见的悬浮颗粒物作为研究对象, 充分考虑真实海况中这五种悬浮颗粒物的不同混合情况, 构建了海水中混合球形悬浮颗粒物对蓝绿激光的散射特性模型。 数值计算了海水中五种物质混合的球形悬浮颗粒物对532 nm蓝绿激光的统计平均光散射参量和平均散射相函数, 分析不同混合悬浮颗粒物的混合比对平均散射、 吸收和消光系数以及单次反照率随着粒子有效半径和粒子数浓度变化的影响, 同时分析了不同粒子尺寸下的不同混合比对混合悬浮颗粒物的平均散射相函数随着角度变化的影响。 数值结果表明, 当悬浮泥沙在整个混合模型中占比越大时, 平均散射系数越大, 而当悬浮藻类粒子在整个混合模型中占比增大时, 平均吸收系数增大, 由此可知海洋中对光造成主要影响的五种常见悬浮颗粒物中, 悬浮泥沙对光散射作用影响最大, 悬浮藻类粒子对光吸收作用影响最大。 随着悬浮颗粒物浓度的增大, 混合粒子的单次反照率保持不变, 由此可知混合悬浮颗粒物的平均光散射参量随着粒子浓度的增长速率是一致的。 海洋中混合悬浮颗粒物的平均散射相函数随着粒子的有效半径的增大而增大, 散射作用最大的混合比下的悬浮颗粒物其平均散射相函数最大, 悬浮颗粒物的前向散射较强。 该工作对蓝绿激光在海水中传输、 信道建模, 水下无线光通信的研究以及激光探测都具有重要的理论指导意义。
蓝绿激光 混合悬浮颗粒物 统计平均光散射参量 散射相函数 Blue-green laser Mixed suspended particles Statistical average light scattering parameters Scattering phase function 光谱学与光谱分析
2022, 42(6): 1749
红外与激光工程
2021, 50(6): 20211029
重庆工商大学 废油资源化技术与装备工程研究中心, 重庆 400067
二维频移激光多普勒测量油中悬浮粒子速度时，根据悬浮粒子通过针孔光阑时存在的四种不同情况，对原有激光多普勒测量悬浮粒子瞬时速度的方法进行了改进，提出一种悬浮粒子瞬时速度分析处理方法，利用该方法，对水平方管内的油中悬浮粒子的瞬时速度进行了测量分析。结果表明: 改进方法获取的悬浮粒子瞬时速度的稳定性较好，能够表征在一组粒子通过激光多普勒的针孔光阑的时间段内粒子组随着时间的变化趋势，提高了频移激光多普勒采样数据的利用效率，有利于进一步准确表征悬浮粒子在油液中二维瞬时速度的分布特征和运动轨迹，为激光多普勒实验测量中悬浮粒子瞬时速度的表征提供理论支撑。
激光多普勒测速 悬浮粒子 瞬时速度 频移数据 针孔光阑 laser Doppler velocimetry suspended particles instantaneous velocity frequency shift data pinhole aperture 强激光与粒子束
2017, 29(2): 029003
1 中央民族大学生命与环境科学学院, 北京100081
2 国家环境保护部清洁生产中心, 中国环境科学研究院, 北京100012
3 中国环境监测总站, 北京100012
4 中央民族大学北京市食品环境与健康工程技术研究中心, 北京100081
为研究黄河甘宁蒙段丰水期过滤水和悬浮物中重金属的含量特征及污染状况, 采用高分辨电感耦合等离子体质谱仪(HR-ICP-MS)对黄河甘宁蒙段昭君浮桥 (S1)、 包头浮桥(S2)等10个采样点过滤水中六种重金属(Cd, Pb, Cr, As, Cu和Zn)及悬浮物中九种重金属(Cd, Pb, Cr, Ni, Cu, V, Co, Zn和Mn)的含量特征、 污染评价和源分析进行研究。 结果表明: (1)过滤水中只有Cr元素含量在所有采样点超出《地表水环境质量标准》(GB3838—2002) 的标准限值, 且在10个采样点中均为最高(74.8～94.7 μg·L-1); 单因子指数(Ii)评价结果表明除包头浮桥(S2)未受总氮(TN)污染外, 其余采样点水质均受Cr元素和TN污染; 内梅罗综合指数法(I)得出所有采样点的I值均在1～2之间(轻污染程度), 表明黄河甘宁蒙段水质, 尤其是下游段(S1～S6)已不是生活饮用水、 水产养殖等的理想水源。 (2)悬浮物中Ni含量(34.7 μg·L-1) 只在玛曲点(S10)低于中国土壤元素背景值(35.2 μg·L-1), 在其余点均高于背景值, 而其余八种元素在10个采样点的含量均高于背景值; 地累积指数法(Igeo)结果表明九种元素中Cd元素的Igeo值(0.452～2.89)在10个采样点中均为最高值, 且在昭君浮桥(S1)、 包头浮桥(S2)、 乌海(S5)和东大沟入黄河口(S8)这四个采样点处达到中污染-重污染程度, 其余八种元素在各采样点的Igeo值均小于1, 为无污染或无污染-中污染程度。 研究结果为全面研究该流域重金属分布、 迁移及有效保护提供可信的实验数据。
重金属 过滤水 悬浮物 污染评价 黄河 Heavy metals Filtered water Suspended particles Pollution evaluation The Yellow River 光谱学与光谱分析
2015, 35(10): 2872
1 重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室, 重庆400044
2 Faculty of Optics Engineering, Le Quy Don Technical University, Hanoi, Vietnam
3 重庆理工大学光电信息学院, 重庆400054
水体中悬浮颗粒物的光散射特性是影响基于直接光谱法水质检测结果准确性的一个重要参数。 依据T矩阵模型, 研究了紫外-可见光照射下水体中非球形悬浮颗粒物的光散射强度特性。 以藻类和泥沙类颗粒物为例, 构造了椭球、 圆柱和广义Chebyshev三种非球形粒子光散射模型, 分析了入射光波长、 悬浮颗粒物形状、 复折射率与相对散射光强之间的关系, 计算了不同悬浮颗粒物相对散射光强随波长、 颗粒物尺寸以及旋转角变化的情况。 数值仿真结果表明, 不同种类非球形悬浮颗粒物的散射光强度均呈现出显著的变化。 在200～800 nm波长范围内, 随入射波长的增大, 粒子几何尺寸所带来影响逐渐减小, 散射特性主要由复折射率决定。 当粒子尺寸小于0.2 μm或接近1 μm时, 在入射光波长位于紫外或红外的条件下, 散射光强度较大且呈现强烈振荡; 而当粒子尺寸r=0.3~0.9 μm, 散射强度较稳定, 接近于0且受到入射光波长的干扰较小。 这可为提高紫外-可见吸收光谱法的检测精度、 抑制散射干扰提供一定依据。
非球形悬浮颗粒物 T矩阵模型 光散射强度 水质检测 Non spherical suspended particles T matrix model Light scattering intensity Water quality measurement 光谱学与光谱分析
2015, 35(10): 2691
重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室, 重庆 400044
降低或减少水体中悬浮颗粒物的光散射影响是直接光谱法检测水质化学需氧量(COD)的关键技术问题。为此，依据米氏散射理论，采用改进型连分式结合后向递推算法，研究了紫外-可见光照射下水体中藻类和泥沙类悬浮颗粒物的光散射特性。通过构造球形粒子的光散射模型，在入射光波波长为200~1000 nm、悬浮颗粒物尺寸为1~200 μm 的条件下，分析和计算了散射光强度和角度的变化规律。仿真结果表明：当改变粒子尺寸，调节入射光波长时，两种悬浮颗粒物的散射光强与散射角度呈现显著变化，这为进一步提高基于紫外-可见吸收光谱法的水质检测精度和降低散射影响提供了依据。
光谱学 紫外-可见光谱 悬浮颗粒物 米氏理论 光散射强度 激光与光电子学进展
2015, 52(1): 013001
