用于判定气溶胶颗粒尺寸的方法和设备的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于判定气溶胶颗粒尺寸分布的方法和设备。
【背景技术】
[0002] 大气或其他气体中的颗粒公知为气溶胶或气溶胶颗粒。它们可能通过自然和人为 的气态前体的化学反应形成在大气中，或者它们可能通过发动机或发电厂中的燃烧形成或 者可能起源于像使用或生成气溶胶颗粒的油漆车间的设施的排放。这些气溶胶颗粒在空气 污染（烟雾）和气候平衡（云团形成、吸收、排放和辐射的散射）两方面起到重要角色。此 外，例如微细颗粒的一些形式气溶胶可能威胁健康。因此，具有广为兴趣的是，提供用于有 效并且高灵敏度地测量气溶胶颗粒的尺寸和组分的方法和装置。
[0003] 已知属于上述技术领域的方法和设备。例如，US 6, 040, 574 (Jayne, Worsnop, Kolb)描述一种用于判定親合到质谱仪的用于判定气溶胶颗粒 的尺寸的设备以及对应的测量方法。在此设备中，气溶胶颗粒束通过将具有携带气溶胶颗 粒的气体穿过诸如US 6, 040, 574 (Jayne, Worsnop, Kolb)中所描述的一个单元形成。结果， 由气溶胶颗粒形成脉冲并测量气溶胶颗粒的飞行时间，以判定气溶胶颗粒的尺寸。
[0004] 这样已知设备和方法的缺点在于，为了测量气溶胶颗粒的飞行时间，生成气溶胶 颗粒的一个脉冲并测量气溶胶颗粒的飞行时间。接着，生成气溶胶颗粒的下一个脉冲并测 量此下一个脉冲中的气溶胶颗粒的飞行时间。从连续气溶胶颗粒束形成这样的脉冲式气溶 胶颗粒束的结果，不能够同时优化测量的分辨率和灵敏度。仅仅可以形成气溶胶颗粒束的 窄脉冲，以通过降低工作循环和因此降低灵敏度的代价提供更高的飞行时间分辨率。或者 仅仅可以形成气溶胶颗粒束的宽脉冲，以通过由于宽脉冲降低飞行时间分辨率的代价来提 供更短的工作循环和提高灵敏度。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种有关最初提及的技术领域的方法和设备，其能够确定 具有更高信噪比的气溶胶颗粒尺寸分布，同时提供与现有技术相同的测量速度和尺寸分辨 率。
[0006] 本发明的解决方案是通过独立权利要求的特征限定。根据本发明，此方法包括如 下步骤：使用受控于调制函数的气溶胶颗粒门调制气溶胶颗粒束，从而生成气溶胶颗粒束； 导引调制气溶胶颗粒束穿过漂移区域；在调制气溶胶颗粒束已通过漂移区域后测量调制气 溶胶颗粒束的信号；以及计算调制函数和信号的相关性以确定气溶胶颗粒的尺寸分布。此 外，根据本发明，该设备包括气溶胶颗粒门；可导引调制气溶胶颗粒束穿过其中的漂移区 域；在调制气溶胶颗粒束已经通过漂移区域后可测量调制气溶胶颗粒束信号的检测器；以 及可计算调制函数和信号的相关性以确定气溶胶颗粒的尺寸分布的计算单元。
[0007] 根据本发明，可以使用不同的调制函数。例如，诸如扫频或"线性调频"的连续函 数可以用作调制函数。作为另一示例，不连续的二进制函数可以用作调制函数。在另一情 况下，调制函数可以呈现自相关性，其在零点时具有高值，而在所有其他点（shift)时具有 少许或低值。在例如不连续的二进制函数情况下，调制函数可以说巴克码（Barker code)， 其自相关性是三值函数，与在所有其他点时的值相比，在零点时具有非常高的峰。
[0008] 将气溶胶颗粒束调制成调制函数的形状并且计算调制函数与信号的相关性的优 点在于，多于一个脉冲的气溶胶颗粒可以同时通过漂移区域，同时其仍可以获得漂移时间 分布以及由此的气溶胶颗粒的尺寸分布。因此，本发明的优点在于，能够允许形成窄脉冲的 气溶胶颗粒束，以提供更高的飞行时间分辨率并且同时提供更短工作循环以及因此增强灵 敏度。
[0009] 优选地，调制函数的自相关性是双值函数。此优点在于，计算自相关性不将额外特 征引入到尺寸分布。
[0010] 在一种变化形式中，调制函数的自相关性可以包括具有低边带的陡峰。例如，编带 可以包括两个、三个或更多值。此优点在于，计算相关性不将显著的额外特征引入到尺寸分 布。
[0011] 可选地，调制函数的自相关性可以既不是二值函数，也不包括陡峰和低边带。
[0012] 优选地，调制函数是二进制函数（binary function)。因此，调制函数可以由成行 的位来表示。其优点在于，易于使用气溶胶颗粒门调制气溶胶颗粒束，使得调制气溶胶颗粒 束沿气溶胶颗粒飞行方向具有调制函数的形状。在一种变化形式中，调制函数基于二进制 函数，但在二进制函数的位之间提供平滑阶跃（step)。其优点在于，在计算相关性之前，通 过将调制函数适用于气溶胶颗粒门后区域中的气溶胶颗粒耗尽（depletion)或累积以及 调制气溶胶颗粒束中的气溶胶颗粒拖尾或扩散，从而能够将这些效应考虑到调制气溶胶颗 粒束中。在又一个变化形式中，调制函数基于二进制函数，但进行过采样。也就是说，在二 进制函数的每个"〇"和"1"过程中进行多次测量。可选地，调制函数是非二进制函数，并且 其也可以进行过采样。
[0013] 在下文的一些段落中，调制函数被描述为二进制函数或序列。在这些段落中，调制 函数其实可以是所描述的二进制函数或序列。但它不妨可以是基于所描述的二进制函数或 序列的函数。在后一种情况下，该调制函数可以在所描述的二进制函数或序列的位之间提 供平滑阶跃和/或可以被过采样。
[0014] 优选地，调制函数是伪随机序列。其优点在于，调制函数的特性近似于随机序列的 特性。因此，如果相应选择伪随机序列的长度，能够避免调制函数中导致气溶胶颗粒的尺寸 分布中额外峰的重复（repetitions)。此外，伪随机序列作为调制函数的优点在于，例如用 线性反馈移位寄存器可以容易地产生调制函数。
[0015] 如果调制函数是已知最大长度序列的类型或可以由一个或多个最大长度序列来 表示的类型的伪随机序列，优选使用线性反馈移位寄存器来产生调制函数。在这样的线性 反馈移位寄存器中，许多反馈模式是可行的，此反馈模式即被称为线性反馈移位寄存器的 抽头组。可行抽头组的数量取决于特定线性反馈移位寄存器的长度。通过选择抽头组和初 始值组，线性反馈移位寄存器生成调制函数。该初始值组被提供到线性反馈移位寄存器。基 于该初始值组，然后由线性反馈移位寄存器基于抽头组来生成调制函数。因此，调制函数取 决于抽头组以及该初始值组。
[0016] 作为一种变化形式，可以不同方式生成调制函数。例如，一个或多个已知的伪随机 序列或其他调制函数可以存储在数据存储器中。对于每一测量，可以使用存储在数据存储 中的特定调制函数。
[0017] 在另一变化形式中，调制函数可以是伪随机序列之外的不同函数。例如，其可以是 随机序列。其优点在于，函数具有对应的性能。可选地，调制函数也可以是非随机函数。
[0018] 如果调制函数是伪随机序列，优选为最大长度序列、GW序列、Welch-Gong变换序 列、二次剩余序列、六次剩余序列、孪生素数序列、Kasami幂函数序列、Hyperoval序列或由 3或5个最大长度序列派生的序列。其优点在于，调制函数是具有公知性能的序列。如果该 序列是从3或5个最大长度序列派生的序列，则其可以例如通过将3或5个最大长度序列 的对应位的内容相加而获得。在此情况下，两个Is或两个Os相加可以得到0,而0和1或 1和0相加可以得到1 (逐位进行与非（NAND)操作）。
[0019] 作为一种变化形式，调制函数可以是不属于这些类中一类的伪随机序列。
[0020] 优选地，如果调制函数是二进制函数或序列，则其具有超过15位、优选多于50位、 特别是多于100位的长度。其优点在于，调制函数的长度足以能够进行这样的测量：其中测 量充足的气溶胶颗粒，以获得有意义的尺寸分布。
[0021] 可选地，调制函数可以具有15位或更小的长度。如果测量的时间短并且如果具有 充足的气溶胶颗粒可用于获得有意义