[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

摘要

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。

主权项

1.一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，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：将待测颗粒装在有机玻璃样本容器中，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，θ_j为扩散光与样本容器表面法线之间的夹角；步骤3：测量样本颗粒系中颗粒聚集体总数N、球形颗粒总数N₀及分形聚集体中颗粒数N_s，同时测量样本颗粒系颗粒粒径分布情况，得到粒径分布函数F(D)，D为颗粒聚集体中单个颗粒直径；步骤4：制作球形颗粒与溴化钾混合压片，测量压片的光谱透射率τ_λ,meas，结合Kramers‑Kranigs关系式、Mie散射理论及逆问题求解方法反演得到球形颗粒光学常数m_λ＝n_λ+ik_λ，i为虚数单位，n_λ为折射指数，k_λ为吸收指数；步骤5：计算颗粒分形聚集体的光谱吸收截面C_abs,λ,pred和光谱散射截面C_sca,λ,pred；具体步骤如下：步骤5.1：采用逆问题求解方法在颗粒聚集体特征参数可能的取值范围内随机假设一组颗粒聚集体特征参数值，即分形维数D_f、回转半径R_g、前向因子k_f；步骤5.2：根据假设的颗粒聚集体特征参数值重构颗粒聚集体的微观几何结构；步骤5.3：结合光学常数m_λ＝n_λ+ik_λ和多体T矩阵模型，求得颗粒分形聚集体的光谱吸收截面C_abs,λ,pred和光谱散射截面C_sca,λ,pred；步骤6：根据光谱吸收截面C_abs,λ,pred和光谱散射截面C_sca,λ,pred，计算得出样本颗粒系的光谱吸收系数κ_a,λ和光谱散射系数κ_s,λ；步骤7：求解辐射传输方程，获得计算域内的任意位置x在θ方向上的散射信号强度I_λ(x,θ)；步骤8：利用步骤7获得的计算域内的散射信号强度，结合公式：S_λ(L,θ_j)_pred＝I_d,λ(L,θ_j)+I_c,λ(L,θ_j)   (1)获得样本容器右侧表面角度θ_j上散射信号强度估计值S_λ(L,θ_j)_pred；式中，I_d,λ(L,θ_j)为估计的样本容器右侧表面角度θ_j上扩散光信号强度；I_c,λ(L,θ_j)为估计的样本容器右侧表面角度θ_j上平行光信号强度；步骤9：利用步骤2中探测器获得的测量样本容器右侧表面角度散射信号强度S_λ(L,θ_j)_exp，j＝1,2,…,n，与步骤8中的样本容器右侧表面角度散射信号强度估计值S_λ(L,θ_j)_pred，j＝1,2,…,n，再结合公式：获得适应度函数Fit；n为测量角度个数；步骤10：判断步骤9中适应度函数值Fit是否小于设定阈值ξ，若是，则将步骤5中假设的颗粒聚集体特征参数值作为结果，完成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求解，否则重复步骤5至步骤10。