目的：　　生物气溶胶的存在时时刻刻都在影响着人类的生存环境、生产活动乃至生命质量。迅速而准确的生物气溶胶探测可以实现对新发突发传染病和生物战剂攻击的及时预警并实现有效防控，也可以对某些特定场所的环境质量进行评价。为了满足上述探测需求，诸多国内外科研机构在此领域投入了大量的人力物力，生物气溶胶探测技术也随之不断的发展。目前，对生物威胁预警响应最及时的检测手段是生物气溶胶单粒子探测方法，该方法可以在不改变被采集生物气溶胶样本物化特性的前提下，对被测气溶胶粒子的生物性进行判断。但是该类技术在系统工程实现的具体方法上并不成熟，在探测过程中存在着大量的生物威胁漏报和误报的现象。更重要的一点是，目前针对生物单粒子探测系统并未有规范科学的性能评价平台和评价方法，导致缺乏对系统性能的了解途径。综上，本课题以单粒子探测光学理论为基础，开展关于系统关键模块的优化设计方法以及系统性能评价方法的分析讨论，以期提升该类装置的应用性能。　　研究方法和研究内容：　　论文以对单粒子光学模型的分析讨论结果作为理论基础，在生物气溶胶单粒子探测总体技术路线下，首先通过理论推导、数值仿真和工程实验相结合的方式，对单粒子生物气溶胶探测系统中核心功能单元的性能优化方法进行了分析讨论；然后鉴于目前该领域性能评价平台和相关评价方法的缺失，设计并实现了一种生物气溶胶微环境发生装置并对其相关参数进行了实验优化；最终建立了一种针对生物气溶胶单粒子探测系统的性能实验体系，依托生物气溶胶微环境发生装置完成相关实验并基于实验结果对单粒子探测系统的性能评价方法进行归纳总结。具体研究方法和研究内容包括以下诸个方面。　　单粒子探测光学模型的分析与讨论：对单粒子弹性散射现象以 T矩阵理论及其简化后的Mie散射理论作为分析基础，提出关键参数数值解的求解方法，基于此计算方法，仿真了不同入射场波长、散射体粒径和散射体折射率条件下空间散射场的变化情况。以荧光分子作为分析单元讨论了生物气溶胶的内源性荧光散射模型。通过分析易形成气溶胶态的常见微生物和干扰物的三维荧光光谱分析生物气溶胶所具有的宏观荧光特性。　　生物气溶胶单粒子探测系统中的关键技术研究：以生物气溶胶单粒子探测系统的设计框架作为基础，针对系统光路模块，以光源为核心设计了恒流驱动源和TEC温度控制系统，以实验方法评价输出功率的时间稳定性；利用非球面镜和柱镜构建整形光路，在焦点处形成线性光斑，对焦点光斑的尺寸和均匀性等空间效能指标进行了定量评价；设计基于弧面反射聚焦原理的收集光路，并对基于该收集光路的荧光收集效率和散射粒径分辨率进行了仿真。针对样本流进样要求，设计了基于鞘气聚焦原理的气路结构，通过理论分析结合仿真验证了气路结构对样本流约束聚焦的可行性；设计了基于压差传感的流量控制系统，优化数字PID控制算法提升控制系统性能，通过实验验证控制系统的鲁棒性。针对脉冲信号分析算法，比较了多个脉冲特征参数所代表的物理含义，并结合本系统的实际应用条件选取脉冲信号峰值作为脉冲特征值；基于变化趋势判断规则设计峰值提取算法，在保证算法实时高效的基础上通过在Matlab和FPGA平台的仿真结果验证了算法的有效性。　　生物气溶胶微环境发生装置的设计与实现：为了满足生物气溶胶实时监测系统的参数标定和性能评价等实验实施的需要，设计并实现了一种能在全封闭微环境中发生种类单一、分散均匀、浓度可控、具有生命活性的生物气溶胶样本的生物气溶胶微环境发生装置，对该装置的实现原理和工作形式给出了翔实的分析说明。建立数学模型分析该装置自净过程的工作效率，模拟仿真了气溶胶混匀仓在混匀模式下的仓内压强分布情况，并对相关参数给出了定量结论。通过对纯水和微生物悬浊液的发生加热摸索加热干燥过程中的最优参数条件。　　生物溶胶单粒子探测系统性能评价方法研究：鉴于以生物气溶胶作为被测对象所具有的特殊性，建立了一种针对生物气溶胶单粒子探测系统的性能实验体系，包括探测系统对单粒子响应能力的评价及其对生物气溶胶甄别性能的评价。其中针对前者设计了以标准粒径微球和荧光微球作为标准样本的系列实验，定量评价了系统的硬件性能和信号提取算法的性能；针对后者利用真实的微生物样本和常见的探测干扰物样本进行信号采集实验，以实验数据为基础提出了基于体积荧光效率的甄别算法，通过分析算法准确性评价了系统对于真实生物气溶胶的甄别能力。　　结果：　　单粒子弹性散射仿真结果：入射场波长与散射场空间分布离散程度呈正相关（R=0.964）；散射体粒径与散射场空间分布离散程度呈负相关(R=-0.805)；散射体折射率与散射场空间分布离散程度无明显相关性(R=0.21)。　　三维荧光光谱实验结果：依据三维荧光光谱实验结果并基于工程化目的对最优的荧光激发光源进行了讨论，最终给出了405nm半导体激光器是最优的光源选择这一结论。　　生物气溶胶单粒子探测系统光源优化相关实验结果：在恒流源稳定工作前提下，TEC温度控制系统在环境温度低于30℃时，30s内即可收敛；当环境温度高于目标温度时，收敛时间大约需要1min30s。光斑经整形后核心光斑的尺寸约为5000*20μm，光斑边缘的光强约是中心位置光强的70％。根据仿真结果，弧面发射收集条件下双侧收集效率为56.8%。　　生物气溶胶单粒子探测系统气路优化相关实验结果：对于不含鞘气的气路，其出口处样本气流的最大径向速度为0.563m/s；而包含鞘气的气路样本流最大径向速度为0.0741m/s。气流稳态控制系统的鲁棒性可以保证在0-200mbar的气压干扰条件下控制系统可以快速稳定收敛。　　生物气溶胶单粒子探测系统中脉冲信号分析算法相关实验结果：以数字信号的变化趋势所设计的分析算法对单个数据处理花费的时间开销为1个晶振周期；算法可以在复杂的信号噪声中提取出符合要求的信号峰，并且对于粘连信号和基线震荡等特殊条件都有较好的适应性。　　生物气溶胶微环境发生装置相关参数实验：为满足理想的自净时间要求，根据混匀仓自净过程的数学模型计算得到的过滤风机流量应大于0.23m3/s，该参数条件可以在10s的自净时间保证90%以上的净化率，而当自净时间延长到100s，粒子的残留率甚至会小于百亿分之一。根据气溶胶混匀仓的仓内速度矢量仿真结果可知，在气溶胶混匀仓中各中心剖面中绝大多数单元体的速度矢量范围在0.507-2.53m/s的范围内，无明显气流死角。根据微生物干燥效果实验结果给出了不同微生物随干燥温度变化的存活率曲线，根据每种微生物实际存活率在60~100℃之间选择干燥温度。　　生物气溶胶单粒子探测系统性能评价实验：探测系统弹性散射通道对于0.5μm粒径的标准微球特征电压响应值为249mv，电压信噪比为23dB。探测系统弹性散射信号通道的粒径响应范围涵盖生物气溶胶的常规粒径，能够对生物气溶胶的粒径生成正相关的电压峰值响应。探测系统荧光通道对于B3和B4两种荧光量接近真实生物气溶胶的标准样本具有良好的信号脉冲响应幅值，信噪比分别为16dB和19dB。基于体积荧光效率算法模型和特征阈值参数最优解的甄别算法对于实验中微生物样本形成的生物气溶胶识别的总体准确率为96.27%；而对于单粒子干扰物形成的气溶胶噪声假阳性识别的概率为19.54%。　　结论：　　课题的研究成果不仅为生物气溶胶单粒子探测系统的研制提供了可实施的设计与优化方法，更是进一步提出了针对该类装置的性能评价方法与相关实验体系。通过实验证明，利用单粒子生物气溶胶探测系统结合有效的甄别算法可以实现对生物威胁的及时预警，为该类技术的发展提供了重要理论与实践的参考。