一种利用连续激光辐照技术测量球形颗粒光谱复折射率的方法
【专利摘要】一种利用连续激光辐照技术测量球形颗粒光谱复折射率的方法，属于颗粒光学特性测量【技术领域】，解决了现有的球形颗粒光谱复折射率测量方法仍然存在测量过程复杂和精确度低的问题。本发明通过建立球形颗粒系反射信号和透射信号测量的正问题和逆问题求解模型，采用连续激光，测量得到颗粒系的半球反射信号和半球透射信号，采用现有Mie理论模型，能很精确的反应出颗粒的电磁散射特性。本发明适用于测量球形颗粒光谱复折射率。
【专利说明】一种利用连续激光辐照技术测量球形颗粒光谱复折射率的方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明属于颗粒光学特性测量【技术领域】。
【背景技术】
[0002]在自然界及工业生产中，很多物质及产品呈现颗粒状态，据统计，工业中有50%以上的产品与中间产物呈颗粒状。颗粒的吸收散射以及发射等性质在许多工程及环境系统内扮演着重要的角色，因此对颗粒的光谱复折射率的求解就显得尤为重要。颗粒的光谱复折射率属于颗粒的固有物性参数，与颗粒的组成成分、温度水平及表面的状况等因素有关。然而，颗粒的光谱复折射率一般不能通过实验直接测量得到，通常都采用某些实验测得的参数结合相关的反演理论模型进行计算。
[0003]常见的颗粒的光谱复折射率的实验研究方法有反射法、透射法和散射法。其中，反射法是通过测量粒子压片的反射率，结合相应的理论模型，求颗粒的光谱复折射率的反问题研究方法。该方法得到主要是块状的物质的光谱复折射率，由于实验所制压片的表面并不光滑，不服从镜反射原理，因此使得实验测得结果有很大偏差。透射法是通过测量颗粒压片的透射率，并结合K-K关系式和相应的理论模型，反演求解颗粒的光谱复折射率的研究方法。该方法可以使得颗粒保持自然状态，并且实验所需设备简单、精度高、操作方便和适应范围广等优点，但是K-K关系式需要考虑全波长范围的积分，而实验中的激光器通常都是有限波长范围，这就增加了实验测量和理论计算的难度。散射法是通过测量激光照射到颗粒系上后，不同方向的散射光的强度，然后结合相应的理论模型求解颗粒的光谱复折射率的反问题研究方法。该方法能很好的保持颗粒的自然状态，但是确定某一波长下的光谱复折射率至少需要测三个不相关方向的散射量，这就增加实验测量过程的难度。
[0004]综上所述现有的球形颗粒光谱复折射率测量方法仍然存在测量过程复杂和精确度低的问题。
【发明内容】
[0005]本发明为了解决现有的球形颗粒光谱复折射率测量方法仍然存在测量过程复杂和精确度低的问题。提出了一种利用连续激光辐照技术测量球形颗粒光谱复折射率的方法。
[0006]本发明所述一种利用连续激光辐照技术测量球形颗粒光谱复折射率的方法，该方法的具体步骤为:
[0007]步骤一、将待测颗粒装在有机玻璃样本容器中，将待测颗粒溶于溶液中，并搅拌均匀，使颗粒系处于悬浮流动状态；
[0008]步骤二、利用连续激光沿着与样本容器表面法线成Θ。角的方向入射到样本容器左侧表面；其中，0〈0。〈31/2;
[0009]步骤三、采用光电接收器在样本颗粒容器的左侧表面测量半球反射信号，在样本颗粒容器的右侧表面测量半球透射信号，并记录样本颗粒的左侧边界处的半球反射信号 Λ和右侧边界处的半球透射信号τεχρ，λ ；
[0010]步骤四、利用粒径分析仪测量样本颗粒系的粒径，并根据粒径的分布规律获得粒径分布函数P (D)；
[0011 ] 步骤五、利用待测颗粒光谱复折射率方程m ( λ ) =η ( λ ) +ik ( λ )，通过待测颗粒的折射率范围对该待测物质的折射率η进行取值，通过待测颗粒的吸收因子的取值范围对该待测颗粒的吸收因子k进行取值，获得该种待测颗粒的光谱复折射率πι(λ);其中i为虚数单位；
[0012]步骤六、通过现有Mie理论，利用步骤五获得的该种待测颗粒的光谱复折射率m( λ )，获得单个颗粒的光谱吸收截面Cabs，pral(D，λ )和光谱散射截面C_，pral(D，λ )；
[0013]步骤七、利用步骤六获得的单个颗粒的光谱吸收截面Cabs，pral(D，λ )和光谱散射截面Csc;a,pral(D，λ)，获得颗粒系的吸收系数Ka(X)和散射系数Ks(X)；
[0014]步骤八、利用步骤七获得颗粒系的吸收系数Ka(X)和散射系数ksU)，通过对辐射传输方程，获得计算域内的辐射强度场ιλα，θ)；
[0015]步骤九、通过公式:
【权利要求】
1.一种利用连续激光辐照技术测量球形颗粒光谱复折射率的方法，其特征在于，该方法的具体步骤为: 步骤一、将待测颗粒装在有机玻璃样本容器中，将待测颗粒溶于溶液中，并搅拌均匀，使颗粒系处于悬浮流动状态； 步骤二、利用连续激光沿着与样本容器表面法线成Θ。角的方向入射到样本容器左侧表面 ^*，O〈0e〈ji/2; 步骤三、采用光电接收器在样本颗粒容器的左侧表面测量半球反射信号，在样本颗粒容器的右侧表面测量半球透射信号，并记录样本颗粒的左侧边界处的半球反射信号R?p，Λ和右侧边界处的半球透射信号τεχρ，λ ; 步骤四、利用粒径分析仪测量样本颗粒系的粒径，并根据粒径的分布规律获得粒径分布函数P (D)； 步骤五、利用待测颗粒光谱复折射率方程m ( λ ) =η ( λ ) +ik ( λ )，通过待测颗粒的折射率范围对该待测物质的折射率η进行取值，通过待测颗粒的吸收因子的取值范围对该待测颗粒的吸收因子k进行取值，获得该种待测颗粒的光谱复折射率m( λ);其中i为虚数单位； 步骤六、通过现有Mie理论，利用步骤五获得的该种待测颗粒的光谱复折射率m( λ )，获得单个颗粒的光谱吸收截面Cabs，pral(D，λ)和光谱散射截面C_，pral(D，λ)； 步骤七、利用步骤六获得的单个颗粒的光谱吸收截面Cabs，pred(D，λ)和光谱散射截面Csca,pred(D, λ)，获得颗粒系的吸收系数KaU)和散射系数KsU)； 步骤八、利用步骤七获得颗粒系的吸收系数Ka(A)和散射系数κ3(λ)，通过对辐射传输方程，获得计算域内的辐射强度场Ιλα，Θ)； 步骤九、通过公式:K , = — \'τ IO,O)cosOf,m()d()(I)
4α 2 1rprcd,i =2^iL-0)^0^nUdU + IcJL(I)I(2)
Ο,λ 获得左侧边界的反射信号的估计值Rpral Λ和右侧边界的透射信号的估计值Tpm1a ；式中，Ιο，Λ是波长为λ的连续激光的辐射强度；Ιλ (O，Θ)是波长为λ的激光在Θ方向上X=O处的散射光的辐射强度，Θ为辐射方向角； Ia (L, Θ )是波长为λ的激光在Θ方向上X=L处的散射光的辐射强度，Θ为辐射方向角； Ic, λ (L, Θ。)为波长为λ的连续激光沿着入射方向Θ。衰减到样本右侧壁面时的辐射强度，Θ。为连续激光入射方向角，L为样本厚度； 步骤十、利用步骤三中采用光电接收器测量获得的左侧边界处的半球反射信号R?p，Λ和右侧边界处的半球透射信号与步骤九中获得左侧边界的半球反射信号的估计值Rpred, λ和右侧边界的半球透射信号的估计值τ pre, λ，获得目标函数Ftjbj ； 步骤十一、判断步骤十中的获得目标函数Ftjw是否小于设定阈值ξ，若是，则将步骤五中对待测物质的折射率η的取值，和对待测颗粒的吸收因子k取值，作为结果，完成利用连续激光辐照技术对球形颗粒光谱复折射率的测量，否则返回步骤五。
2.根据权利要求1所述的一种利用连续激光辐照技术测量球形颗粒光谱复折射率的方法，其特征在于，步骤七中获得颗粒系的吸收系数Ka(A)和散射系数Ks(A)为，通过公式:
3.根据权利要求1所述的一种利用连续激光辐照技术测量球形颗粒光谱复折射率的方法，其特征在于，步骤八获得计算域内的辐射强度场I U，0,t, λ)的方法为:利用瞬态福射传输方程:
4.根据权利要求1所述的一种利用连续激光辐照技术测量球形颗粒光谱复折射率的方法，其特征在于，步骤十中获得目标函数Ftjw通过公式:
【文档编号】G01N21/41GK103472033SQ201310467760
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年10月9日 优先权日:2013年10月9日
【发明者】齐宏, 贺振宗, 任亚涛, 孙双成, 阮立明, 谈和平 申请人:哈尔滨工业大学