[发明专利]利用单频调制激光辐照技术测量球形颗粒分形聚集特征参数的方法

摘要

本发明提供一种利用单频调制激光辐照技术测量球形颗粒分形聚集特征参数的方法，采用单频调制激光辐照颗粒系一侧表面，用探测器测量颗粒系另一侧多角度频域散射测量信号，同时用粒度分析仪测量得到球形颗粒粒径分布，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，最后基于多角度频域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

1.一种利用单频调制激光辐照技术的球形颗粒分形聚集特征参数的测量方法，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：利用脉冲宽度为t_p、波长为λ、角频率为ω的单频调制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；用探测器在样本容器右侧表面测量不同角度方向θ_j上的频域散射信号，获得样本容器右侧表面角度频域散射信号强度L为样本容器厚度，θ_j为扩散光与样本容器表面法线的夹角；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：根据光谱吸收系数κ_s，λ和光谱散射系数κ_s，λ求解辐射传输方程，获得计算域内的任意位置x在θ_j方向上的散射信号强度步骤8：利用步骤7获得的计算域内的散射信号强度，结合公式：获得样本容器右侧表面角度θ_j上估计的频域散射强度式中，为估计的样本容器右侧表面角度θ_j上扩散光频域信号强度；为估计的样本容器右侧表面角度θ_j上平行光频域信号强度；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多角度频域散射信号强度与步骤8中估计的样本容器右侧表面角度散射信号强度再结合公式：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，完成利用单频调制激光辐照技术的球形颗粒分形聚集特征参数的测量，否则重复步骤5至步骤10。