黑曲霉孢子凝聚粒子红外透过率计算

1、黑曲霉鞄子凝聚粒子红外透过率计算目录1课题背景及研究意义 31.1.1 课题背景 31.1.2 课题研究意义 51.1.3 本文主要工作 52、课题研究方法 5黑曲霉孢子凝聚粒子红外透过率计算的理论基础 5(1) 单次散射计算模型 5(2) 蒙特卡洛仿真模型 7计算程序结构图 82.1.3 计算程序介绍 8(1) CCA(团簇-团簇凝聚)模拟 8(2) DDA(离散偶极子近似法)模拟 11(3) MC (蒙特卡洛)计算模型 12(4) MFC界面程序介绍 153、黑曲霉孢子红外波段透过率的计算 18用 CCA 构建凝聚粒子空间结构的具体步骤 19( 1 )为笔记本安装 JAVA 虚拟机 19(

2、2)运行CCA模型程序 21( 3)调整运行结果 23( 4) matlab 计算孔隙率 23用DDA计算凝聚粒子单次散射参量的具体步骤 25(1) 算出凝聚粒子的等效半径 25(2) ddscet.exe 程序的参数调整 26(3) ddscat.exe 程序的运行 29(4) 用 matlab 计算消光系数 303.1.3 用蒙特卡洛方法仿真烟幕透过率的具体步骤 31(1 )调整程序运行参数 31(2)运行 MCML 程序 323. 1 .4计算结果及小结 33(1 )计算结果 33(2)小结 341 课题背景及研究意义1.1.1 课题背景在自然界中，存在着许多由微小粒子组成的形状不规则的

3、复杂结 构凝聚粒子群，如大气中的气溶胶粒子、 星际尘埃粒子和烟幕粒子等。 在大气气溶胶中， 细小的微生物颗粒由于静电、 碰撞粘附而形成的微 生物凝聚粒子群是其中一个重要组成部分。在环境监测、大气遥感、 目标探测以及烟幕消光机理的认识等方面， 研究具有随机取向的微生 物凝聚粒子群所构成的复杂介质环境对激光传输的影响， 具有非常重要的意义1】目前，针对复杂结构凝聚粒子群消光性能的研究工作已经展开。前人利用扩散限制凝聚模型（DLA【2】模拟了纳米石墨凝聚粒子的可 能结构，基于离散偶极子近似方法（DDA计算其红外消光截面。【3】; 采用团簇-团簇凝聚模型（CCA给出了随机分布烟尘团簇粒子的空间 结构，

4、并用蒙特卡罗方法研究了激光信号在随机分布烟尘团簇粒子中 的传输衰减特性 【4】。但是上述研究工作均针对纳米量级的无机气溶胶 凝聚粒子， 在微米量级的微生物粒子方面， 虽有文献用有限时域差分 法（FDTD【5】或DDA计算【6】其单次散射特性，但是对于微生物凝聚粒 子群对激光衰减特性方面的研究还有待展开。我在前期学习了相关知识， 大量阅读了相关文献材料， 对其计算 步骤及原理有了基本的了解。首先采用团簇 -团簇凝聚模型模拟了微 生物凝聚粒子的空间结构， 利用离散偶极子近似方法得出微生物凝聚 粒子的单次散射参量，通过蒙特卡洛方法仿真了 10.6卩m激光在微生 物凝聚粒子群中的透过率值，最后，通过

5、C+MF平台设计一个计算 界面，简化繁琐的计算操作步骤，实现时间上的提高。1.1.2 课题研究意义1.1.3 本文主要工作2、课题研究方法黑曲霉孢子凝聚粒子红外透过率计算的理论基础（1）单次散射计算模型用团簇-团簇凝聚（CCA模型模拟了黑曲霉孢子凝聚粒子的空间 结构（每个凝聚粒子包含40个半径为1.5 a m的原始微粒），如图2.1 所示，图 2.2 为放大 5000 倍的黑曲霉孢子扫描电镜图。图2.2从图2.1可以看出，微生物凝聚粒子的空间结构是不规则的， 局 部与整体结构相似，这种自相关性说明其具有分型特征，结构有孔隙其原始微粒数目M和回旋半径Rg的关系为r2ri j(1)式中ri, rj

6、分别为第i个和第j个原始微粒在空间的坐标。凝聚粒子的孔隙率为P:p i Mp/（.53Rg）3,（2）其中，p为原始微粒半径。求出凝聚粒子的孔隙率之后就可以给出具有孔隙结构的凝聚粒子的等效折射率m eff :2 22 讥ff3 1 P m 1 / m 21 (1 P)(m2 1)/(m2 2)式中m为该种微生物粒子的复折射率，在计算中用等效折射率meff代替m所得结果更能反映P对微生物凝聚粒子群透过率的影响。微生物凝聚粒子的空间结构确定后，其单次散射参量用离散偶极子近似（DDA计算【。Bruce T.Draine指出，DDA算法的使用条件 是|m 13 , m是目标的复折射率112】。生物细胞

7、粒子的折射率 m般在12之间【13】，符合DDA使用条件。（2）蒙特卡洛仿真模型光在随机介质中传输的蒙特卡洛方法是以概率模型为基础，通过计算机产生随机数来模拟单个光子在介质中的随机行走和散射【14】。计算介质透过率的主要过程是：光子以一定方向进入烟幕介质，根据 烟幕中粒子浓度和粒子消光截面，确定光子行进的路程和碰撞点位 置；通过计算光子在该位置的吸收确定光子的权重，如光子权重大于设定的阈值，根据相函数确定光子散射后新的运动方向； 根据光子的 运动方向和权重，计算光子在该点直接透射出去的概率。以上过程重 复进行，直到光子权重小于阈值，或离开烟幕。跟踪足够数量的光子， 就可以得到较为稳定的烟幕透过

8、率统计结果计算程序结构图主界面1CCA运算部分厂DDA运算部分广MC运算部分J丿111r安装JAVAL修改程序参数修改程序参数J111运行CCA模型程序f运行ddscat程序厂运行MCml程序JJ111进行运算并取结果厂进行运算并取结果进行运算并取结果JJ计算程序介绍(1) CCA(团簇-团簇凝聚)模拟模拟气溶胶凝聚粒子空间结构最常用的是采用CCA模型来模拟。CCA莫型的基本思想是：让所有原始气溶胶单体粒子同时进入一个区 域并做随机运动，一旦粒子与粒子相遇就形成粒子团，这些粒子团进 一步与其他随机运动的粒子或粒子团相遇形成更大的粒子团，直到所有的原始微粒都凝聚在一起。如图2.3是CCA莫拟程序

9、，是基于JAVA平台设计的，具有操作 简便，形象生动的特点图 2.3 CCAmodel我们将立方体边长L设为10cm浓度C设为0.02，运行三次程序，得到图 2.4 （a）、（b）、（c）：图 2.4（ b）图 2.4（ c）对比三图可以发现， 由于凝聚过程中原始微粒和小粒子团运动的 随机性，导致原始微粒形状和数目都相同的生物气溶胶凝聚粒子空间 形状和取向完全不同， 而且具有明显的孔隙结构。 这说明在研究气溶 胶凝聚粒子群的光衰减特性时， 不仅需要考虑气溶胶凝聚粒子的空间 形状和取向对粒子群光衰减特性的影响， 而且还应该考虑孔隙特性对 气溶胶凝聚粒子群光衰减特性的影响。 为描述孔隙结构对凝聚粒

10、子群 光衰减特性的影响，需要先求出描述孔隙特性的参数孔隙率P,进而 就可以给出具有孔隙结构的气溶胶凝聚粒子的等效折射率 mu【】。 用等效折射率meff来代替生物粒子的折射率m所得结果必然能反映 孔隙率对生物气溶胶凝聚粒子群光衰减特性的影响。（2）DDA（离散偶极子近似法）模拟DDA方法是 Purcell 和 Pennypacker 于 1973 年提出，后经 x,y, zDraine等学者的进一步改进，现已成为一种成熟的算法，并广泛应 用于分析大气气溶胶粒子的光散射特性。 该方法可应用于任意几何形 状的散射体，且散射体可以是各向异性和非均匀的。DDA方法的基本思想是：用有限个离散的，相互作用

11、的小偶极子的阵列来近似实际的 粒子，每个点通过对局域电场（入射场以及其他点的辐射场）的响应 获得偶极矩，散射体所离散的所有偶极子在远场辐射的总和构成散射 场。假设将气溶胶凝聚粒子离散为 N个偶极子，第j个偶极子的极化 率为j，坐标为rj（j 1,2,., N），则气溶胶凝聚粒子中第j个偶极子 的偶极矩为：PjjEj式中：Ej Einc,j Esca,j为第j偶极子的总电场强度，是入射场Einc,j 与其他所有偶极子散射场Esca,j的总和。在获得每一个偶极子的电偶 极矩Pj之后，就可由Pj来求得气溶胶凝聚粒子的消光截面 Cext、吸收 截面Cabs、散射截面Csca和不对称因子g。4 k NE

12、。Cext2 Im E inc,j Pj（ 5）Cabs4 k N2 ImE0 j1Pj1) Pj(6)C C Csca ext absg COSEinckCscaEi ncPjPjn n Pjexpiknrj(7)Pjexpikn匚(8)式中：k 2 / ，为入射光波长;表示立体角微元；n为散射方向的单位矢量；上表*为取复共轭;Im表示取虚部。(3) MC (蒙特卡洛)计算模型前面蒙特卡洛仿真模型中已经介绍过此方法的原理,现在着重说一下计算方法。图2.5计算模型如图2.5，设烟幕形状呈平面平行状，厚度为H,粒子数密度nt各处均匀一致，不考虑空间起伏；非极化光在xz平面内沿与Z轴成a角入射，光

13、子与烟幕粒子两次碰撞之间的行程为直线， 忽略烟幕界面的反射。具体计算步骤如下:（1）光子初始状态每个光子的起始坐标为（0,0,0）,起始方向x0余弦为X0 sin ， y0 0， z0 cos，初始权重01。（2）光子行进步长和碰撞点位置光子在行进距离L后生存概率为exp（ t L），对概率密度函数进行抽样，得光子在相邻两次碰撞间(9)随机行进步长的抽样值为:L Int式中： 是（0,1 ）之间的任意随机数（下同）上式说明，光子行进步长与烟幕粒子的消光截面和粒子数密度有关,两者越大，行进1 M 2arccos(1 g)2garccos 21 (g 0)式中：g为不对称因子（0 g1），反映了散

14、射的各向异性程度。步长越小，光子随机游动发生碰撞的概率就越大。光子行进步长L后, 由（x,y,z ）点到达下一碰撞点（x'，y'，z'），则有以下关系:x' X xL, y' y yL， z' z zL，( 10)式中：X、 y和z是光子在两点之间直线运动的方向余弦值。（3）光子碰撞后行进方向是光子在某点与烟幕粒子碰撞后，其空间散射角的分布由 He nyey-Gree nste in相函数确定，对该函数抽样，可得散射角的抽样值为:2 21 g(g 0)1 g 2g( 11)方位角 可认为在（0,2 ）内均匀分布，抽样值为:(12)通过坐标变换，可

15、得光子碰撞后新的方向余弦为:>0.9999Xsinx z COSysinzX zCOSsin cos , 1即光子接近沿y SinxSinX cos( 13)y COS(14)x COS(15)z轴方向运动时，新的方向余弦由下式计算:sin cos sin sinz cos(16)（4）透过率估计值根据加权统计估计法，光子在每个碰撞点都有可能以一定的概率透射出去。以被跟踪的第n个光子为例，在第i个碰撞点直接透射出去的概率为Pni，贝卩：iexphxitzizi 0(17)将光子在各个碰撞点直接透射出去的概率相加,即为该光子对透过率0, zi 0式中：i为光子在第i个碰撞点的权重:(18)

16、i 1 exp( t Li),p1的贡献，为:(19)式中：M为被跟踪的第n个光子在烟幕中的碰撞次数。如果一共跟踪 了 N个光子，则透过率的估计值为这 N个光子贡献的统计平均:NN M 1(20)T丄Pn丄Pn，N N 1 N n 1 i 1(5) 光子终止条件当光子权重 小于某一阈值(本文取10 8)时，认为光子消亡而 不再跟踪，或者光子运动到烟幕以外(z<0或z h);光子终止后， 重新进行下一个光子的模拟，直到完成所有光子的模拟计算。(4) MFC界面程序介绍MFC(MicrosoftFou ndatio nClasses) 是微软基础类库的简称，是微软公司实现的一个C+类库，主要

17、封装了大部分的windows API函 数，vc+是微软公司开发的C/C+的集成开发环境，所谓集成开发环 境，就是说利用它你可以编辑，编译，调试，而不是使用多种工具轮 换操作，灵活性较大。有时人们说 vc呢也指它的内部编译器，集成 开发环境必须有一个编译器内核，要不有什么用，例如DevC+其中一个编译器内核就是gcc。MFC除了是一个类库以外，还是一个框架， 在vc+里新建一个MFC勺工程，开发环境会自动帮你产生许多文件， 同时它使用了 mfcxx.dll 。xx是版本，它封装了 mfc内核，所以你在 你的代码看不到原本的SDK编程中的消息循环等等东西，因为MFC框 架帮你封装好了，这样你就可

18、以专心的考虑你程序的逻辑，而不是这些每次编程都要重复的东西，但是由于是通用框架，没有最好的针对 性，当然也就丧失了一些灵活性和效率，但是 MFC勺封装很浅，所以 效率上损失不大。利用MFC基于对话框设计界面，我的设计思路是，黑曲霉孢子红 外波段透过率计算需要用到的程序多， 文件杂，且需反复执行调用操 作。那么该界面的主要目的是简化繁琐的计算操作， 即实现简便的程 序及文件调用，以及规范计算步骤，按照计算顺序给予操作者提示， 杜绝计算中的漏算、少算等现象的发生，减少计算时间，提高计算质 量。在VS2010中创建C+讣面的MFCS用程序，命名为hequmei,应 用程序的类型为基于对话框。 创建完

19、成后分别对程序的头文件和主程 序进行编写，并在MFC界面上添加组件。整个程序编写完成后，调试 成功，可以运行。此程序的头文件：图 2.6 MFC 计算界面如图 2.6 所示，为计算界面， 我们将在第三章中详细介绍本程序 的主程序及使用方法， 并通过与一般计算方式对比来直接反映出此程 序在简化时间方面的性能。3、黑曲霉孢子红外波段透过率的计算以题设为例，设烟幕厚度 d=4 米，粒子数密度 nt=200 每立方厘 米，烟幕中每个凝聚粒子包含 M=20个原始微粒，每个原始微粒半径 rp=1.5 微米。设在 11 微米波长处原始微粒的复折射率 m 是 1.3404+0.4349i 。下面，使用第二章介

20、绍到的各项工具对透过率进行计算。 完全使 用MFC界面上的按钮实现全部程序及文件的调用， 并根据前面的理论 知识对程序和文件进行调整和运行，得到最终的运算结果。用 CCA 构建凝聚粒子空间结构的具体步骤（ 1）为笔记本安装 JAVA 虚拟机在 windows 平台heiqumeu2.exe,点由于 CCA 模拟程序是基于 JAVA 平台开发的，上运行需要安装相应的虚拟机，具体方法是打开击“安装 JAVA ”按钮，该按钮的语句为：该语句运用的是SHELLEXECUTEIN结构，原型为:tspedef srrucc SHELLEXECUTEIXF O DWOKD cbSize;CLOXGHWND

21、hwnd;LPCTSTR IpVerb:LPCTSTR LpFile;LPCTSTR IpJ aramters;LPCTSTK lpDitMEry;inr uShow；HIXSTANCE hliKtApp;LPVOID lpIDList:LPCTSTR lpChss-HKEY hkevClassiDWOJLD JwHqtKcv;union HABLE hlcon:HANDLE hXIM 曲 DUNBnTJXtONNAME;HANDLE hProcess： SHELLEKECUTEniFO.札FSHELLEKE匚IHEIHFO ：其中，cbSize为结构大小，以字节为单位；fMask为一个标志数

22、组， 用来设置其他成员的有效性；hwnd为执行ShellExecuteEx的窗口句 柄，可设为NULL IpVerb为指定执行的动作，包括：edit，explore， find ，open，print ，properties ； lpFile 是以0 结尾的字符串，指 出lpVerb的操作对象的路径，被系统支持的操作包括文本的open、print等；lpParameters为运行/打开程序的参数，如果打开的是一 个文档，则该项无效；lpDirectory 为指明工作目录的名字，成员没 有说明，则默认为当前目录；n Show指定打开的程序的显示方式，为 SW值中的一个。通过对比可以发现，只需了解

23、以上语句，即可完成 编写。安装完成后，再设置程序运行需要的环境，点击“设置环境”按钮，该按钮的语句为:(2) 运行CCA模型程序环境设置完成后，即可点击“运行程序”按钮，CCA模型程序，该按钮的语句为：输入L=10, C=0.02，如图3.1所示图3.1运行程序，生成的凝聚粒子每个粒子的坐标在file2中，默认半径0.5个单位图3.2生成的file2此时，点击“ show Graphics ”，可以看到随机生成的粒子空间结 构模型，如图3.3所示图3.3(3) 调整运行结果由于生成的file2中，粒子坐标是基于半径为0.5个单位而生成 的，而题设中默认半径为1.5个单位，所以我们为了满足题设要

24、求， 需要对file2进行调整，即将每一位坐标分别乘上 3。点击界面上“调整file2 ”按钮，以excel格式打开file2，该 按钮语句为：ShellEzecute (NULL/openfilNULL# NULL, SSHOW):调整方法很多种，在这里介绍一种比较简便的。在空白格内输入 数字“3”，然后复制，选中所有file2内容，右键选择“选择性粘贴”， 在运算栏中选“乘”即可。(4) matlab计算孔隙率File2调整后，我们可以通过 matlab程序计算粒子的回旋半径。 孔隙率、等效复折射率。计算函数为：r=1,2,3;4,5,6;M=2;rp=1;m=1;a=0;b=0;for

25、i=1:Mfor j=1:M a=dot(r(i,:)-r(j,:),r(i,:)-r(j,:); b=b+a;endendRg=sqrt(b/(2*MA2)P=1-M*(rp/(sqrt(5/3)*Rg)A3 meff=sqrt(1+(3*(1-P)*(mA2-1)/(mA2+2)/(1-(1-P)*(mA2-1)/(mA2+2) 点击“ matlab ”按钮，该按钮的语句为：使用 matlab 打开 kongxilv.m ，将 file2 调整后的坐标移动到矩 阵中：clear;£ 二151512151212123121：15121212g12153151591239120912

26、9g91212】2g12123121361213612153121531212915312；153|并将N=2Q r=1.5 , m=1.3404+0.4349i输入后运行，得到回旋半 径 Rg=6.1701，孔隙率 P=0.8664,等效复折射率 meff = 1.0494 + 0.0496i用DDA计算凝聚粒子单次散射参量的具体步骤(1)算出凝聚粒子的等效半径如3.1的方式调用 matlab，打开dengxiaobanjing.m ，该计算函数为：clear;N=20;r=1.5Reff=NA(1 /3)*r将题设中的N=20, r=1.5输入后运行，得到Reff =4.0716。（ 2）

27、ddscet.exe 程序的参数调整ddscet.exe 程序共有三组参数需要调整，分别在三个指定文件中，我们利用 mfc 的文件调用功能，依次对其进行调整。首先调整中的参数。点击“ ”按钮，以 excel格式打开 。如图 3.4 所示图 3.4将 file2.txt 中修改后的坐标放入 x（j）,y （ j ），z（j ），a（j） 四 列的矩阵中进行调整，然后保存。此时，保存后的 会发生格式错误，使 ddscet.exe 程序不能正常运行。为解决这一问题，我们点击“调整格式”按钮，图 3.5 所示，将 以记事本格式打开，该按钮的语句为：图 3.5如图 3.6 所示，将第一、二行的引号除去，

28、保存即可。图3.6然后，调整ddscat.par中的参数。点击“ ddscat.par ”按钮， 以记事本格式打开该文件，把第26行开始的入射波长改成11，等效 半径改成第一步算出来的Reff=4.0716。默认波长单位皆为微米，如 图3.7所示。图3.7最后，点击“ ”按钮，修改m1.33_0中的复折射率,用第二步算出的等效复折射率代替之，如图3.8所示图 3.8（ 3）ddscat.exe 程序的运行全部调整完成后，点击“ ddscat.exe ”按钮，运行该程序。该按 钮的语句为：运行之后， 在该程序所在的位置目录生成一组文件， 如图 3.9 所 示图 3.9此目录不用我们去按位置寻找，

29、直接点击 mfc 界面上的“取值”按钮，打开wOOOrOOO.avg文件，取第31行消光因子Qext，吸收因 子Qabs散射因子Qsca,不对称因子g的meanf直。如图3.10所示图 3.10(4) 用 matlab 计算消光系数点击“运行 matlab ”按钮，直接打开 xiaoguangxishu.m ，输入Reff、Q和nt=200，算出消光截面、吸收截面、散射截面和吸收系数、营 器 - Dmyworkhei q u nneu2hei q umeui2xiaoguangKishLirnxiaogujngxiEh u jyi+1 -clesr:2 -Reff=5. 1.3:3 -0=1.

30、1645E-02;4 -nt=1155 -C=Q*pi*(Reff*lQ"(-3) 26 -uiu=*nts图 3.11得到 mua=0.0027,散射 mus=0.0011072用蒙特卡洛方法仿真烟幕透过率的具体步骤(1)调整程序运行参数点击“ TEMPLATE.M”按钮，以记事本格式打开该文件，如图3.12所示。将第二十行的mua,mus,g三个参数分别修改为3.2中计 算的值，如图3.13所示。5?牛：=«ia：E)年丈 Ol fi&V蜡U：Tkm# Tezp 1 at匚£ input files for lante Ceric Einulatiji

31、d Cm二ml：.tf Anhlnj 1我 a litie after ¥ Is 1 jncred5 raieaxs tf1 kn9 ure aJao itjarecL# 1 nglhE are inpijei and twjh are in 1/cjtl知二l + Q«f file war cion1# nriuK- cf xuns：i程# Specify data foi run Ztojd.mMA# 'ulpul FilciiaE ASC I I/Biliaryljttxnooft CId. ef phfiT Bns20PT2 呃T俎dr!2030# Zlo.

32、 of dz. dr & d-a.kk伽.f layers# nnnj-annia嘗dit line line for each lajrr仁0# n fotr me di inn 吕beve 亠i.od.otiH o.oooo&gisij. &4035400非 laver 1_图 3.12岸nIDUSmusgd1.01.00. 00270. 0000110720.54233LO图 3.13(2)运行 MCML程序点击“运行MCML ”按钮，如图3.14所示，在光标出输入TEMPLATE.MCI，按回车键运行1 nput f ilenaiTieCoi' . to

33、 exit> :P:-nyvjiorkheiqJ meu ；De bug '、Mem l.exeLlhony Wang, Pli.D.Bione dical Engineerinsr Program,. Texas A&IM lUniueifsityn- 312 B 1 AHU CoIXogio Stalan, Toxae 78433120, IJ&AEjiidll- LWanyldiTMonte Carlo S imulation of Light Transport in MuItilayered Turbid Media Heps ion :!

34、2.2 200Steuen L. JacuiHies. Ph.Oi*Bg*Dri MedicHa.1 Laser CenCei* ProuIdencexSt. UInceint Hospiital9205 SW Barnes Rd. Portlands OR 97225, USA Ema £1 : S Jacqiies(3eeafi . 031. edu图 3.14lhe program can be obtained From fittp：/Zc i丄且Jb.tafiu. ecIli Please cite the f ollouin article in youi* publicat ions： L.Uan