一种基于连续激光的球形颗粒光谱复折射率与颗粒系粒径分布的获得方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于连续激光技术的球形颗粒光谱复折射率与颗粒系粒径分布 同时反演方法，属于颗粒光学特性测量技术领域。
【背景技术】
[0002] 颗粒系统涉及冶金、动力、建筑、医药、生物、航空航天、军事以及大气科学等众多 领域。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。颗粒系统的粒径分布也是其重要的参数和 技术指标之一，与能源的高效利用、环境污染防治等领域密切相关。
[0003] 颗粒光学特性的实验研宄方法有反射法、透射法和散射法等，这些方法大都是通 过某些实验测得的参数结合相关的反演理论模型对颗粒系统的光谱复折射率进行计算。但 是，此过程中颗粒系统的粒径分布是未知的，因此必须事先通过其他测量方法确定颗粒系 统的粒径分布，这就增大了实验设备的复杂程度，同时使整个实验过程变得相对繁琐，且测 量结果不准确。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是为了解决常规的球形颗粒光谱复折射率与颗粒系粒径分布的获 得方法不能直接测量以及测量结果不准确的问题，提供一种基于连续激光的球形颗粒光谱 复折射率与颗粒系粒径分布的获得方法。
[0005] 本发明所述的一种基于连续激光的球形颗粒光谱复折射率与颗粒系粒径分布的 获得方法包括以下步骤：
[0006] 步骤一，制作厚度分别为Ll和L2的样本容器，将待测颗粒以相同浓度装入两个样 本容器内，并保证两个样本容器内的样本颗粒系始终处于悬浮状态；
[0007] 步骤二，利用波长为λ i的连续激光沿着与厚度为L i的样本容器表面垂直的方 向入射到该样本容器内的样本颗粒系，所述表面为该样本颗粒系的左侧表面，用探测器在 该样本颗粒系的左侧表面测量半球反射信号，在该样本颗粒系的右侧表面测量半球透射信 号以及准直透射信号，分别获得该样本颗粒系的半球反射信号R^a 1, A1)、半球透射信号 T_(L1, A1)和准直透射信号A1);同理，使用另一波长\2的连续激光重复上述操 作，获得该样本颗粒系的半球反射信号R nrea(L1, λ2)、半球透射信号TmJL1, λ2)和准直透射 信号 λ2);
[0008] 步骤三，将厚度为L1的样本容器替换为厚度为L2的容器，重复步骤二的操作；
[0009] 步骤四，利用逆问题求解思路假设出样本颗粒系对应波长的光谱复折射率为 m( λ ) = η( λ )+ik( λ )，λ = λ 1或λ 2，通过Mie理论计算出单个颗粒的吸收截面和散射 截面，然后结合已知的该样本颗粒系的颗粒总数和假设的粒径分布情况，计算得出该样本 颗粒系的吸收系数K a和散射系数κ s; _〇]步骤五，利用 RJU，Am ALTd Am λ2)和 1_〇^，λ2)对辐射传输方程进行求解，获得计算域内的辐射强度场；
[0011] 步骤六，利用步骤四获得的吸收系数和散射系数以及步骤五获得的辐射强度场， 结合公式：
【主权项】
1. 一种基于连续激光的球形颗粒光谱复折射率与颗粒系粒径分布的获得方法，其特征 在于：该方法包括以下步骤： 步骤一，制作厚度分别为Ll和L2的样本容器，将待测颗粒以相同浓度装入两个样本容 器内，并保证两个样本容器内的样本颗粒系始终处于悬浮状态； 步骤二，利用波长为λ i的连续激光沿着与厚度为L 样本容器表面垂直的方向入 射到该样本容器内的样本颗粒系，所述表面为该样本颗粒系的左侧表面，用探测器在该样 本颗粒系的左侧表面测量半球反射信号，在该样本颗粒系的右侧表面测量半球透射信号 以及准直透射信号，分别获得该样本颗粒系的半球反射信号R mJL1, A1)、半球透射信号 UU，A1)和准直透射信号A1);同理，使用另一波长\2的连续激光重复上述操 作，获得该样本颗粒系的半球反射信号1?_(L 1, λ2)、半球透射信号TmJL1, λ2)和准直透射 信号 λ2); 步骤三，将厚度为L1的样本容器替换为厚度为L 2的容器，重复步骤二的操作； 步骤四，利用逆问题求解思路假设出样本颗粒系对应波长的光谱复折射率为m( λ )= n(A)+ik(A)，λ = \1或λ 2，通过Mie理论计算出单个颗粒的吸收截面和散射截面，然后 结合已知的该样本颗粒系的颗粒总数和假设的粒径分布情况，计算得出该样本颗粒系的吸 收系数κ a和散射系数κ s; 步骤五，利用 Rmea(L1, λ)、Tmea(L1, λ)、Tc^ai, λ)、Rmea(L1, λ2)、Tmea(L1, λ2)和 λ2)对辐射传输方程进行求解，获得计算域内的辐射强度场； 步骤六，利用步骤四获得的吸收系数和散射系数以及步骤五获得的辐射强度场，结合 公式：
Tc,eSta, λ) = ic^a, ec)/i0 λ 获得左侧边界的反射信号的预测值Rest(L，λ)、右侧边界的透射信号的预测值 Test (L，λ)以及右侧边界准直透射信号的预测值T^st(L，λ);式中L表示样本容器的 厚度；λ表示激光的波长；I tl λ是波长为λ的连续激光的强度；X为样本容器的厚度方 向，Ιλ (〇, Θ )为Θ方向上X = 〇处即左侧边界上散射光的辐射强度，Θ为辐射方向角； Ιλ (L，Θ )为Θ方向上X = L处即右侧边界上散射光的辐射强度；I。，λ (L，Θ。）为连续激光 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，且Θ。= 〇 ； 步骤七，利用步骤二和三中获得的两组左侧边界处的反射信号R_(L，λ )、右侧边界处 的透射信号^匕λ)和步骤六中相应的预测值，结合公式：
获得逆问题算法中的目标函数I 步骤八，判断步骤七中的目标函数值是否小于设定阈值ε i，若是，则将步骤四中获得 的待测颗粒系的两组颗粒光谱复折射率m ( λ ) = n ( λ )+ik ( λ )作为结果输出，否则返回步 骤四重新修正假设的光谱复折射率以及粒径分布情况； 步骤九，重复步骤四至六的操作，其中步骤四的光谱复折射率不需要重新假设，而是使 用步骤八输出的两组光谱复折射率； 步骤十，利用步骤二和三中获得的两组右侧边界处的准直透射信号IV_(L，λ)与步骤 六中相应的预测值，结合公式：
获得逆问题算法中的目标函数F2it5bj; 步骤十一，判断步骤七中的目标函数是否小于设定阈值ε2，若是，则将步骤四中获得 的待测颗粒系的两组粒径分布作为结果输出，完成基于连续激光技术的球形颗粒光谱复折 射率与颗粒系粒径分布同时反演，否则返回步骤四重新修正粒径分布情况。
2. 根据权利要求1所述的一种基于连续激光的球形颗粒光谱复折射率与颗粒系粒径 分布的获得方法，其特征在于：所述的步骤四和步骤七中的逆问题采用量子微粒群优化算 法实现。
3. 根据权利要求1所述的一种基于连续激光的球形颗粒光谱复折射率与颗粒系粒径 分布的获得方法，其特征在于：步骤五中，采用下述辐射传输方程获得计算域内的辐射场强 度：
式中I (X，Θ )为Θ方向X处的辐射强度，X为待求辐射场中位置，I (X，Θ ')为Θ ' 方向X处的辐射强度；Θ ^为入射方向，Φ ( Θ ^，Θ )是从Θ ^方向入射并从Θ方向散射 出去的散射相函数，I (0, Θ )为Θ方向X = 〇处即左侧边界上的辐射强度，I (L，Θ )为Θ 方向X = L处即右侧边界上的辐射强度； c是介质中的光速； P 〇是由环境进入颗粒系时的反射率； P i为由颗粒系进入环境时的反射率； Itl是入射的连续激光的辐射强度。
4. 根据权利要求1所述的一种基于连续激光的球形颗粒光谱复折射率与颗粒系粒 径分布的获得方法，其特征在于：所述步骤四中的颗粒系的粒径分布情况通过下述公式表 示：
式中a表示球形颗粒半径；σ表示粒径的平均几何偏差；5表示颗粒系的特征尺寸参 数，用于表示峰值粒径。
【专利摘要】一种基于连续激光的球形颗粒光谱复折射率与颗粒系粒径分布的获得方法，属于颗粒光学特性测量技术领域。它为了解决常规的球形颗粒光谱复折射率与颗粒系粒径分布获得方法不能直接测量以及测量结果不准确的问题。本发明通过建立球形颗粒系反射信号、透射信号和准直透射信号测量的正问题和逆问题求解模型，同时反演得到球形颗粒的光谱复折射率以及颗粒系粒径分布情况。本发明采用连续激光，该激光器价格低且模型简单，便于理论求解；采用Mie理论模型，能够精确的反应出颗粒的电磁散射特性；采用量子微粒群优化算法，具有简单、高效和灵敏度高等优点。本发明适用于颗粒光学特性的测量。
【IPC分类】G01N15-02, G01N15-00
【公开号】CN104634705
【申请号】CN201510104613
【发明人】任亚涛, 齐宏, 黄兴, 阮立明, 谈和平
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2015年3月11日