[发明专利]基于连续激光多角度散射测量的球形颗粒分形聚集特征参数的反演方法

说明书

本发明提供一种基于连续激光多角度散射测量的球形颗粒分形聚集特征参数的反演方法，旨在获得一种测量悬浮球形颗粒分形聚集特征参数的方法。实验中用连续激光照射颗粒系一侧表面，用探测器测量颗粒系另一侧多角度散射测量信号，同时用粒度分析仪测量得到球形颗粒的粒径分布，利用傅里叶光谱分析仪、Mie散射理论、Kramers‑Kranigs关系式及人工蜂群优化算法获得球形颗粒光学常数，最后基于多角度散射测量信号结合逆问题求解技术间接得到球形颗粒分形聚集特征参数。本发明通过建立测量球形颗粒分形聚集特征参数的正、逆问题模型，在已知颗粒其他物性参数的前提下，提出了运用多体T矩阵理论模型结合人工蜂群优化算法反演获得球形颗粒分形聚集特征参数的方法。

技术领域

本发明涉及一种基于连续激光多角度散射测量的球形颗粒分形聚集特征参数的反演方法，属于颗粒聚集特征测量技术领域。

背景技术

颗粒态物质广泛存在于能源、大气、航空、航天等领域，如燃烧室碳黑颗粒、火箭发动机喷射的Al₃O₂颗粒、大气气溶胶颗粒、微藻颗粒等，且多呈现出分形聚集状态。颗粒分形聚集对颗粒吸收散射特性有着重要的影响，因此开展颗粒分形聚集特征参数研究对分析燃烧产物生成机理、微藻生长动力学、大气辐射传输及全球气候变化等均有重要的指导意义。

现有颗粒分形聚集特征参数测量方法可分为接触式测量和非接触式测量。接触式测量即从颗粒系中取得样本，再利用扫描电镜或传输电镜直接测量获得颗粒分形聚集特征参数。非接触式测量通常仅借助光学测量手段获取颗粒系外部辐射信息，并结合逆问题求解技术间接重构碳黑颗粒辐射特性，又称为反演法。相比于接触式测量，非接触式测量方法能实现在线监测，能获得具有时间和空间分辨能力的测量结果，且不会干扰测量对象，因此更受青睐。

常见的非接触式测量方法有光谱消光法、红外发射CT法、双色法等。与以往非接触式方法不同，本项发明用连续激光辐照球形颗粒系的一侧，然后用探测器获得另一侧的多角度散射信号，再用粒度分析仪测量颗粒系的粒径分布情况，并用傅里叶光谱分析仪、K-K关系式、Mie散射理论及人工蜂群优化算法等反演获得颗粒的光学常数，最后基于测量获得的多角度散射信号结合逆问题求解技术间接得到球形颗粒分形聚集特征参数。本项发明运用多体T矩阵理论模型结合人工蜂群算法反演得到颗粒分形聚集特征参数，反演结果准确，精度高。

发明内容

本发明的主要目的在于：提供一种实验结合反演算法求解球形颗粒分形聚集特征参数的方法，基本思路是通过实验测得颗粒系的多角度散射强度信号，然后结合多体T矩阵理论模型和人工蜂群算法反演得到颗粒分形聚集特征参数。

本发明的方法是：首先将要测量的球形颗粒聚集体做成悬浮颗粒系样本，然后用连续激光照射颗粒系一侧，用探测器测量颗粒系另一侧的多角度散射强度信号，再用粒径分析仪测量得到颗粒粒径分布情况，用傅里叶光谱分析仪结合K-K关系式、Mie散射理论及人工蜂群算法获得颗粒光学常数。将探测器所测得多角度散射强度信号作为反问题的初始条件，结合多体T矩阵理论模型和人工蜂群优化算法反演得到颗粒分形聚集特征参数。

本发明的具体步骤如下：

一种基于连续激光多角度散射测量信号的球形颗粒分形聚集特征参数的反演方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将待测颗粒装在样本容器中，使样本容器中的样本颗粒系处于悬浮流动状态；

步骤2：利用连续激光沿着与样本容器表面法线成θ_c角的方向入射到样本容器左侧表面，其中0＜θ_c＜π/2，激光波长为λ；用探测器在样本容器右侧表面测量与样本容器表面法线成θ_j的散射信号，获得样本容器右侧表面角度散射强度S_λ(L，θ_j)_exp，j＝1，2，...，n，L为样本容器厚度；