一種基于連續(xù)激光的球形顆粒光譜復(fù)折射率與顆粒系粒徑分布的獲得方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于連續(xù)激光技術(shù)的球形顆粒光譜復(fù)折射率與顆粒系粒徑分布 同時(shí)反演方法，屬于顆粒光學(xué)特性測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 顆粒系統(tǒng)涉及冶金、動(dòng)力、建筑、醫(yī)藥、生物、航空航天、軍事以及大氣科學(xué)等眾多 領(lǐng)域。顆粒的吸收散射以及發(fā)射等性質(zhì)在許多工程及環(huán)境系統(tǒng)內(nèi)扮演著重要的角色，因此 對(duì)顆粒的光譜復(fù)折射率的求解就顯得尤為重要。顆粒系統(tǒng)的粒徑分布也是其重要的參數(shù)和 技術(shù)指標(biāo)之一，與能源的高效利用、環(huán)境污染防治等領(lǐng)域密切相關(guān)。
[0003] 顆粒光學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)研宄方法有反射法、透射法和散射法等，這些方法大都是通 過(guò)某些實(shí)驗(yàn)測(cè)得的參數(shù)結(jié)合相關(guān)的反演理論模型對(duì)顆粒系統(tǒng)的光譜復(fù)折射率進(jìn)行計(jì)算。但 是，此過(guò)程中顆粒系統(tǒng)的粒徑分布是未知的，因此必須事先通過(guò)其他測(cè)量方法確定顆粒系 統(tǒng)的粒徑分布，這就增大了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的復(fù)雜程度，同時(shí)使整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程變得相對(duì)繁瑣，且測(cè) 量結(jié)果不準(zhǔn)確。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是為了解決常規(guī)的球形顆粒光譜復(fù)折射率與顆粒系粒徑分布的獲 得方法不能直接測(cè)量以及測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確的問(wèn)題，提供一種基于連續(xù)激光的球形顆粒光譜 復(fù)折射率與顆粒系粒徑分布的獲得方法。
[0005] 本發(fā)明所述的一種基于連續(xù)激光的球形顆粒光譜復(fù)折射率與顆粒系粒徑分布的 獲得方法包括以下步驟：
[0006] 步驟一，制作厚度分別為L(zhǎng)l和L2的樣本容器，將待測(cè)顆粒以相同濃度裝入兩個(gè)樣 本容器內(nèi)，并保證兩個(gè)樣本容器內(nèi)的樣本顆粒系始終處于懸浮狀態(tài)；
[0007] 步驟二，利用波長(zhǎng)為λ i的連續(xù)激光沿著與厚度為L(zhǎng) i的樣本容器表面垂直的方 向入射到該樣本容器內(nèi)的樣本顆粒系，所述表面為該樣本顆粒系的左側(cè)表面，用探測(cè)器在 該樣本顆粒系的左側(cè)表面測(cè)量半球反射信號(hào)，在該樣本顆粒系的右側(cè)表面測(cè)量半球透射信 號(hào)以及準(zhǔn)直透射信號(hào)，分別獲得該樣本顆粒系的半球反射信號(hào)R^a 1, A1)、半球透射信號(hào) T_(L1, A1)和準(zhǔn)直透射信號(hào)A1);同理，使用另一波長(zhǎng)\2的連續(xù)激光重復(fù)上述操 作，獲得該樣本顆粒系的半球反射信號(hào)R nrea(L1, λ2)、半球透射信號(hào)TmJL1, λ2)和準(zhǔn)直透射 信號(hào) λ2);
[0008] 步驟三，將厚度為L(zhǎng)1的樣本容器替換為厚度為L(zhǎng)2的容器，重復(fù)步驟二的操作；
[0009] 步驟四，利用逆問(wèn)題求解思路假設(shè)出樣本顆粒系對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的光譜復(fù)折射率為 m( λ ) = η( λ )+ik( λ )，λ = λ 1或λ 2，通過(guò)Mie理論計(jì)算出單個(gè)顆粒的吸收截面和散射 截面，然后結(jié)合已知的該樣本顆粒系的顆?？倲?shù)和假設(shè)的粒徑分布情況，計(jì)算得出該樣本 顆粒系的吸收系數(shù)K a和散射系數(shù)κ s; _〇]步驟五，利用 RJU，Am ALTd Am λ2)和 1_〇^，λ2)對(duì)輻射傳輸方程進(jìn)行求解，獲得計(jì)算域內(nèi)的輻射強(qiáng)度場(chǎng)；
[0011] 步驟六，利用步驟四獲得的吸收系數(shù)和散射系數(shù)以及步驟五獲得的輻射強(qiáng)度場(chǎng)， 結(jié)合公式：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于連續(xù)激光的球形顆粒光譜復(fù)折射率與顆粒系粒徑分布的獲得方法，其特征 在于：該方法包括以下步驟： 步驟一，制作厚度分別為L(zhǎng)l和L2的樣本容器，將待測(cè)顆粒以相同濃度裝入兩個(gè)樣本容 器內(nèi)，并保證兩個(gè)樣本容器內(nèi)的樣本顆粒系始終處于懸浮狀態(tài)； 步驟二，利用波長(zhǎng)為λ i的連續(xù)激光沿著與厚度為L(zhǎng) 樣本容器表面垂直的方向入 射到該樣本容器內(nèi)的樣本顆粒系，所述表面為該樣本顆粒系的左側(cè)表面，用探測(cè)器在該樣 本顆粒系的左側(cè)表面測(cè)量半球反射信號(hào)，在該樣本顆粒系的右側(cè)表面測(cè)量半球透射信號(hào) 以及準(zhǔn)直透射信號(hào)，分別獲得該樣本顆粒系的半球反射信號(hào)R mJL1, A1)、半球透射信號(hào) UU，A1)和準(zhǔn)直透射信號(hào)A1);同理，使用另一波長(zhǎng)\2的連續(xù)激光重復(fù)上述操 作，獲得該樣本顆粒系的半球反射信號(hào)1?_(L 1, λ2)、半球透射信號(hào)TmJL1, λ2)和準(zhǔn)直透射 信號(hào) λ2); 步驟三，將厚度為L(zhǎng)1的樣本容器替換為厚度為L(zhǎng) 2的容器，重復(fù)步驟二的操作； 步驟四，利用逆問(wèn)題求解思路假設(shè)出樣本顆粒系對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的光譜復(fù)折射率為m( λ )= n(A)+ik(A)，λ = \1或λ 2，通過(guò)Mie理論計(jì)算出單個(gè)顆粒的吸收截面和散射截面，然后 結(jié)合已知的該樣本顆粒系的顆?？倲?shù)和假設(shè)的粒徑分布情況，計(jì)算得出該樣本顆粒系的吸 收系數(shù)κ a和散射系數(shù)κ s; 步驟五，利用 Rmea(L1, λ)、Tmea(L1, λ)、Tc^ai, λ)、Rmea(L1, λ2)、Tmea(L1, λ2)和 λ2)對(duì)輻射傳輸方程進(jìn)行求解，獲得計(jì)算域內(nèi)的輻射強(qiáng)度場(chǎng)； 步驟六，利用步驟四獲得的吸收系數(shù)和散射系數(shù)以及步驟五獲得的輻射強(qiáng)度場(chǎng)，結(jié)合 公式：
Tc,eSta, λ) = ic^a, ec)/i0 λ 獲得左側(cè)邊界的反射信號(hào)的預(yù)測(cè)值Rest(L，λ)、右側(cè)邊界的透射信號(hào)的預(yù)測(cè)值 Test (L，λ)以及右側(cè)邊界準(zhǔn)直透射信號(hào)的預(yù)測(cè)值T^st(L，λ);式中L表示樣本容器的 厚度；λ表示激光的波長(zhǎng)；I tl λ是波長(zhǎng)為λ的連續(xù)激光的強(qiáng)度；X為樣本容器的厚度方 向，Ιλ (〇, Θ )為Θ方向上X = 〇處即左側(cè)邊界上散射光的輻射強(qiáng)度，Θ為輻射方向角； Ιλ (L，Θ )為Θ方向上X = L處即右側(cè)邊界上散射光的輻射強(qiáng)度；I。，λ (L，Θ。）為連續(xù)激光 沿著入射方向Θ。衰減到樣本右側(cè)壁面時(shí)的輻射強(qiáng)度，Θ。為連續(xù)激光入射方向角，且Θ。= 〇 ； 步驟七，利用步驟二和三中獲得的兩組左側(cè)邊界處的反射信號(hào)R_(L，λ )、右側(cè)邊界處 的透射信號(hào)^匕λ)和步驟六中相應(yīng)的預(yù)測(cè)值，結(jié)合公式：
獲得逆問(wèn)題算法中的目標(biāo)函數(shù)I 步驟八，判斷步驟七中的目標(biāo)函數(shù)值是否小于設(shè)定閾值ε i，若是，則將步驟四中獲得 的待測(cè)顆粒系的兩組顆粒光譜復(fù)折射率m ( λ ) = n ( λ )+ik ( λ )作為結(jié)果輸出，否則返回步 驟四重新修正假設(shè)的光譜復(fù)折射率以及粒徑分布情況； 步驟九，重復(fù)步驟四至六的操作，其中步驟四的光譜復(fù)折射率不需要重新假設(shè)，而是使 用步驟八輸出的兩組光譜復(fù)折射率； 步驟十，利用步驟二和三中獲得的兩組右側(cè)邊界處的準(zhǔn)直透射信號(hào)IV_(L，λ)與步驟 六中相應(yīng)的預(yù)測(cè)值，結(jié)合公式：
獲得逆問(wèn)題算法中的目標(biāo)函數(shù)F2it5bj; 步驟十一，判斷步驟七中的目標(biāo)函數(shù)是否小于設(shè)定閾值ε2，若是，則將步驟四中獲得 的待測(cè)顆粒系的兩組粒徑分布作為結(jié)果輸出，完成基于連續(xù)激光技術(shù)的球形顆粒光譜復(fù)折 射率與顆粒系粒徑分布同時(shí)反演，否則返回步驟四重新修正粒徑分布情況。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于連續(xù)激光的球形顆粒光譜復(fù)折射率與顆粒系粒徑 分布的獲得方法，其特征在于：所述的步驟四和步驟七中的逆問(wèn)題采用量子微粒群優(yōu)化算 法實(shí)現(xiàn)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于連續(xù)激光的球形顆粒光譜復(fù)折射率與顆粒系粒徑 分布的獲得方法，其特征在于：步驟五中，采用下述輻射傳輸方程獲得計(jì)算域內(nèi)的輻射場(chǎng)強(qiáng) 度：
式中I (X，Θ )為Θ方向X處的輻射強(qiáng)度，X為待求輻射場(chǎng)中位置，I (X，Θ ')為Θ ' 方向X處的輻射強(qiáng)度；Θ ^為入射方向，Φ ( Θ ^，Θ )是從Θ ^方向入射并從Θ方向散射 出去的散射相函數(shù)，I (0, Θ )為Θ方向X = 〇處即左側(cè)邊界上的輻射強(qiáng)度，I (L，Θ )為Θ 方向X = L處即右側(cè)邊界上的輻射強(qiáng)度； c是介質(zhì)中的光速； P 〇是由環(huán)境進(jìn)入顆粒系時(shí)的反射率； P i為由顆粒系進(jìn)入環(huán)境時(shí)的反射率； Itl是入射的連續(xù)激光的輻射強(qiáng)度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于連續(xù)激光的球形顆粒光譜復(fù)折射率與顆粒系粒 徑分布的獲得方法，其特征在于：所述步驟四中的顆粒系的粒徑分布情況通過(guò)下述公式表 示：
式中a表示球形顆粒半徑；σ表示粒徑的平均幾何偏差；5表示顆粒系的特征尺寸參 數(shù)，用于表示峰值粒徑。
【專(zhuān)利摘要】一種基于連續(xù)激光的球形顆粒光譜復(fù)折射率與顆粒系粒徑分布的獲得方法，屬于顆粒光學(xué)特性測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。它為了解決常規(guī)的球形顆粒光譜復(fù)折射率與顆粒系粒徑分布獲得方法不能直接測(cè)量以及測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確的問(wèn)題。本發(fā)明通過(guò)建立球形顆粒系反射信號(hào)、透射信號(hào)和準(zhǔn)直透射信號(hào)測(cè)量的正問(wèn)題和逆問(wèn)題求解模型，同時(shí)反演得到球形顆粒的光譜復(fù)折射率以及顆粒系粒徑分布情況。本發(fā)明采用連續(xù)激光，該激光器價(jià)格低且模型簡(jiǎn)單，便于理論求解；采用Mie理論模型，能夠精確的反應(yīng)出顆粒的電磁散射特性；采用量子微粒群優(yōu)化算法，具有簡(jiǎn)單、高效和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明適用于顆粒光學(xué)特性的測(cè)量。
【IPC分類(lèi)】G01N15-02, G01N15-00
【公開(kāi)號(hào)】CN104634705
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510104613
【發(fā)明人】任亞濤, 齊宏, 黃興, 阮立明, 談和平
【申請(qǐng)人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年5月20日
【申請(qǐng)日】2015年3月11日