[发明专利]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

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。

主权项

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L1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λ1的连续激光沿着与厚度为L1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Rmea(L1,λ1)、半球透射信号Tmea(L1,λ1)和准直透射信号Tc,mea(L1,λ1)；同理，使用另一波长λ2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Rmea(L1,λ2)、半球透射信号Tmea(L1,λ2)和准直透射信号Tc,mea(L1,λ2)；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；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(λ)+ik(λ)，λ＝λ1或λ2，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κa和散射系数κs；步骤五，利用Rmea(L1,λ1)、Tmea(L1,λ1)、Tc,mea(L1,λ1)、Rmea(L1,λ2)、Tmea(L1,λ2)和Tc,mea(L1,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：Rest(L,λ)=2πI0,λ∫π/2πIλ(0,θ)cosθsinθdθ]]>Test(L,λ)=1I0,λ[2π∫0π/2Iλ(L,θ)cosθsinθdθ+Ic,λ(L,θc)]]]>Tc,est(L,λ)＝Ic,λ(L,θc)/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Tc,est(L,λ)；式中L表示样本容器的厚度；λ表示激光的波长；I0,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，Iλ(0,θ)为θ方向上x＝0处即左侧边界上散射光的辐射强度，θ为辐射方向角；Iλ(L,θ)为θ方向上x＝L处即右侧边界上散射光的辐射强度；Ic,λ(L,θc)为连续激光沿着入射方向θc衰减到样本右侧壁面时的辐射强度，θc为连续激光入射方向角，且θc＝0；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Rmea(L,λ)、右侧边界处的透射信号Tmea(L,λ)和步骤六中相应的预测值，结合公式：F1,obj=Σi=12Σj=12[(Rest(Li,λj)-Rmea(Li,λj)Rmea(Li,λj))2+(Test(Li,λj)-Tmea(Li,λj)Tmea(Li,λj))2]]]>获得逆问题算法中的目标函数F1,obj；步骤八，判断步骤七中的目标函数值是否小于设定阈值ε1，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Tc,mea(L,λ)与步骤六中相应的预测值，结合公式：F2,obj=Σi=12Σj=12[Rest(Li,λj)-Tc,mea(Li,λj)Tc,mea(Li,λj)]2]]>获得逆问题算法中的目标函数F2,obj；步骤十一，判断步骤十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。