一种在粒度分析仪中降低随机系统噪声的方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种在粒度分析仪中降低随机系统噪声的方法及装置，属于基于光学 散射测量原理的粒度分析仪领域。
【背景技术】
[0002] 面对客户和市场对粉体测量不断提升的潜在需求，新一代激光粒度仪产品在关注 性价比、测量易操作性的同时，还需在保证测量精度和准确性的同时，不断拓展量程和测量 样本的范围。这就对激光粒度仪系统厂商提出了更高的要求，一方面在硬件上进行结构改 进，以拓展量程和测量精度;另一方面在电磁算法上不断予以修正，以期在更广量程和面向 更复杂测量对象时，提供更灵活的粒径分布仿真模型和数值处理算法，同时在不显著增加 测量时间的同时，尽可能的消除系统误差，达到提升测量精度和准确度的要求。
[0003] 针对激光粒度仪测量系统，为进一步拓展大颗粒测试上限和微纳颗粒测试下限， 业内已尝试引入蓝光光源和斜入射模式等系统结构改进，系统地提升了小颗粒测量灵敏度 和信噪比（SNR)，拓展测量下限和提升测量精度。同时，为拓展量程的测量上限：（A)还应考 虑提升在中心探测器附近的测量灵敏度、空间信号探测分辨率，避免在空间上的、伴随杂散 光导致的第N环散射光信号对第N±1环相邻探测器的干扰；（B)在光源方面，亚稳态能级的 粒子寿命(波列持续发射时间）分布引入时间相干性，同时，谐振腔结构、锁模设计有关因素 (表现为高斯波束）引入空间相干性，以及碰撞展宽和多普勒展宽等机制，将不可避免地共 同造成实际入射波长(频率线）的展宽，因此在He-Ne 633nm附近的弥散分布频谱应在MIE矩 阵中计入，才能实现与测量光能分布的精确匹配和准确反演。
[0004] 因此，我们将（1)系统入射光信号从激光器发出后，激光器自身的系统随机性(包 含谐振腔内调Q和模式竞争过程、窗口噪声、电源电压波动等各种不确定性因素引入的退相 干因素）；（2)以及在光路中，光信号经由系列光路元件，包括空间滤波器、傅里叶透镜和散 射窗等光学表界面散射和空间限域作用，所引入的杂散光噪声和波像差，共同归为随机系 统噪声，上述因素合在一起共同表现出随机的统计特性。我们对这种随机过程中的理想单 色的入射光信号，在形式上引入随机相位调制操作，通过时频和空间频率转换后对信号进 行修正，将随机系统噪声计入测量系统，从而校正系统误差。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服现有技术问题的缺陷，提供一种在粒度分析仪中降低随机 系统噪声的方法及装置。
[0006] 根据本发明的一个方面，提供一种在粒度分析仪中降低随机系统噪声的方法，所 述方法包括步骤：
[0007] S11、获取引入随机系统噪声的光源功率谱密度分布；
[0008] S12、基于所获取的光源功率谱密度分布，设置插值点频率及每一插值点频率所对 应的幅值权重；
[0009] S13、设置仿真参数，对每一插值点频率分别计算所对应的MIE矩阵，并将所获得的 每一 MIE矩阵叠加形成总的MIE矩阵，以用于和实测的光信号阵列进行拟合。
[0010] 优选地，步骤S11中，所述系统噪声包括光源自身的系统随机性所引起的相位噪声 以及用于测量光信号的系列光路元件所引起的杂散光噪声，所述获取步骤包括使用功率谱 密度计算方法和/或采用高精度光谱仪的实验测试手段获取光源功率谱密度分布，所述采 用高精度光谱仪实验测试手段包括基于光栅、棱镜分光测量原理获取入射光的波长、频率 与强度分布关系的测量手段、方法及仪器、设备。
[0011] 优选地，所述功率谱密度计算方法包括以下步骤：
[0012] S31、建立光源的数学函数表示，所述数学函数包括三角函数、指数函数、三角函数 与指数函数的复合函数、及所述复合函数与sigmoid函数构成的复合解析函数，其中所述三 角函数的形式包括I = + φ"⑴)：
[0013] S32、通过包括初等函数变换、三角函数和差变换方法，将随机噪声从所述光源的数 学函数中分离，并仍用解析函数表示，且所述解析函数的平方可积，所述三角函数和差变换 包括 I = .I〇s'i:n:(c%t + (t)): 口 l0sin((flot)eos.:(qE. (t))+1巧 其中，第一项为无随机相位调制过程的原理想光强信号，第二项即为已被分离的所述随机 系统噪声，采用初等函数表示且平方可积，ωη = 1()φη ;
[0014] S33、将所述随机系统噪声函数代入自相关函数并表示成自身的卷积和：
[0015]
[0021] 优选地，所述待测样品光学参数包括折射率、吸收率、反射率或消光系数;所述环 境介质包括空气、水、乙醇或丙酮;所述环境介质参数包括折射率、吸收率或密度;所述偏振 态包括非偏振状态、线性偏振状态、圆偏振状态、椭圆偏振和部分偏振状态;所述波前像差 包括波前函数的空间像畸变，由37级泽尼克Zernike函数表征以及波前与平面探测器的离 焦系统误差。
[0022] 优选地，步骤S13中，所述拟合包括以下步骤：
[0023] S131、收集实测光信号并以包括向量、矩阵形式储存；
[0024] S132、将仿真计算所获得的总的MIE矩阵、实测光信号阵列代入回归模型和拟合算 法中，进行特征粒径分布的反演计算；
[0025] S133、反演获得被测样品的所述代表特征粒径段的分布信息。
[0026] 优选地，步骤S132中，还包括设置插值方法、回归模型以及迭代条件;所述插值方 法包括线性插值和加权;所述回归模型包括使用Gause-Newton法、梯度下降法、最小二乘 法、Levenberg-Marguardt阻尼下降法;所述拟合方法包括双线性精确化方法、拉格朗日多 项式拟合、三次样条、艾特肯、权重平均、多二次、双三次、特伦、小波、贝塞尔、艾弗里、有限 差分、高斯、hermi t、牛顿除差、密切精确化或蒂勒精确化算法。
[0027] 根据本发明的另一方面，提供一种在粒度分析仪中降低随机系统噪声的装置，其 特征在于，所述装置包括：
[0028] 获取装置，用于获取引入系统噪声的光源功率谱密度分布；
[0029] 设置装置，用于基于所获取的光源功率谱密度分布，设置插值点频率及每一插值 点频率所对应的幅值权重；
[0030] 仿真装置，用于设置仿真参数，对每一插值点频率分别计算所对应的米氏散射理 论光能矩阵(MIE矩阵），并将所获得的每一 MIE矩阵叠加形成总的MIE矩阵，以用于和实测的 光信号阵列进行拟合。
[0031] 优选地，所述系统噪声包括光源自身的系统随机性所引起的相位噪声以及用于测 量光信号的系列光路元件所引起的杂散光噪声，所述获取装置包括使用功率谱密度分布计 算方法的第一获取装置或包括采用高精度光谱仪的实验测试手段的第二获取装置，所述采 用高精度光谱仪实验测试手段包括基于光栅、棱镜分光测量原理获取入射光的波长、频率 与强度分布关系的测量手段、方法及仪器、设备。
[0032]优选地，所述第一获取装置包括：
[0033] 建模子装置，用于建立光源的数学函数表示，所述数学函数包括三角函数、指数函 数、三角函数与指数函数的复合函数、及所述复合函数与sigmoid函数构成的复合解析函 数，其中所述三角函数的形式包括I = + φη⑴)；
[0034] 分离子装置，用于通过包括初等函数变换、三角函数和差变换方法，将随机噪声从 所述光源的数学函数中分离，并仍用解析函数表示，且所述解析函数的平方可积，所述三角 函数和差变换包括：
[0035]
[0036]其中，第一项为无随机相位调制过程的原理想光强信号，第二项即为已被分离的 所述随机系统噪声，采用初等函数表示且平方可积，ωη (Ο二丨。φη ;
[0037]卷积子装置，用于将所述随机系统噪声函数代入自相关函数并表示成自身的卷积 和：
[0038
[0039 T
[0040] 傅里叶变换子装置，用于根据Wiener-Khinchin定理，对卷积装置中所获取的自相 关函数作傅里叶变换，获取功率谱密度表达式为：
[0041]
[0042] 优选地，所述光源包括激光光源、LED光源、X射线、离子束和电子束射线源光源，所 述幅值权重设置为归一化幅值权重。
[0043] 优选地，在所述仿真装置中，所述设置仿真参数包括设置待测样品光学参数、MIE 矩阵代表特征粒径段、环境介质参数、探测器阵列数目、面积及空间位置参数、入射光频率、 焦距、偏振态、波前像差校正及描述参数，和所述每一光频率所对应的幅值权重。
[0044] 优选地，所述待测样品光学参数包括折射率、吸收率、反射率或消光系数;所述环 境介质包括空气、水、乙醇或丙酮;所述环境介质参数包括折射率、吸收率或密度;所述偏振 态包括非偏振状态、线性偏振状态、圆偏振状态、椭圆偏振和部分偏振状态