基于前向散射多角度测量的球形颗粒光学常数与颗粒系粒径分布的同时重构方法技术

基于前向散射多角度测量的球形颗粒光学常数与颗粒系粒径分布的同时重构方法，属于球形颗粒的物性参数测量技术领域。本发明专利技术是为了解决现有常规的测量球形颗粒光学常数与颗粒系粒径分布方法中，不能同时获得二者的测量结果，并且测量结果不准确的问题。它在测量过程中使用两种不同波长的连续激光照射球形粒子系样本表面，借助探测器测量粒子系不同角度内的透射信号，最后通过逆问题求解技术间接得到粒子系的光学常数以及粒径分布情况；它通过建立球形颗粒系不同角度内透射信号测量的正问题和逆问题求解模型，在粒子系的其他参数已知的前提下，提出光学常数与颗粒系粒径分布的同时重建技术。本发明专利技术用于球形颗粒光学常数与粒径分布的同时重构。

【技术实现步骤摘要】
基于前向散射多角度测量的球形颗粒光学常数与颗粒系粒径分布的同时重构方法
本专利技术涉及基于前向散射多角度测量的球形颗粒光学常数与颗粒系粒径分布的同时重构方法，属于球形颗粒的物性参数测量

技术介绍
颗粒系统在自然界以及工业生产中普遍存在。涉及石油化工、生物制药、建材生产、红外探测、卫星遥感等诸多领域。颗粒的辐射物性如光学常数、散射系数和吸收系数等，都直接影响着辐射传输的基本过程。因此对颗粒的光学常数的求解就显得尤为重要。颗粒系统的粒径分布也是其重要的参数和技术指标之一，与能源的高效利用、环境污染防治等领域密切相关。如何快速准确获得粒子系物性参数，对于改善人居环境、提高工业产品质量、增强国防武器装备性能和促进清洁能源利用等方面，都具有很高的价值和重大的意义。对于粒子系光学常数的反演手段主要有反射法、散射法、投射法等，这些方法大都是通过某些实验测得的参数结合相关的反演理论模型对颗粒系统的光学常数进行计算。但是，此过程中颗粒系统的粒径分布是未知的，因此必须事先通过其他测量方法确定颗粒系统的粒径分布，这就增大了实验设备的复杂程度，同时使整个实验过程变得相对繁琐，且测量结果不准确。
技术实现思路
本专利技术目的是为了解决现有常规的测量球形颗粒光学常数与颗粒系粒径分布方法中，不能同时获得二者的测量结果，并且测量结果不准确的问题，提供了一种基于前向散射多角度测量的球形颗粒光学常数与颗粒系粒径分布的同时重构方法。本专利技术所述基于前向散射多角度测量的球形颗粒光学常数与颗粒系粒径分布的同时重构方法，它包括以下步骤：步骤一：将待测颗粒以相同浓度装入厚度为L1的第一样本容器内和厚度为L2的第二样本容器内，使两个样本容器内的待测样本颗粒系呈悬浮状态；步骤二：利用波长为λ1的连续激光沿第一样本容器的厚度方向垂直照射第一样本容器的左侧表面，并入射至第一样本容器内的待测样本颗粒系，再沿第一样本容器的右侧表面透射输出；调节第一样本容器右侧设置的光阑，获得待测样本颗粒系在第一样本容器右侧表面透射输出的三个不同角度的透射信号Tmea(θ1,L1,λ1)、Tmea(θ2,L1,λ1)和Tmea(θ3,L1,λ1)，其中θ1＜θ2，并且θ1＜θ3；再利用波长为λ2的连续激光沿第一样本容器的厚度方向垂直照射第一样本容器的左侧表面，并入射至第一样本容器内的待测样本颗粒系，再沿第一样本容器的右侧表面透射输出；调节第一样本容器右侧设置的光阑，获得待测样本颗粒系在第一样本容器右侧表面透射输出的三个不同角度的透射信号Tmea(θ1,L1,λ2)、Tmea(θ2,L1,λ2)和Tmea(θ3,L1,λ2)；步骤三：将步骤二中的第一样本容器替换为第二样本容器，重复步骤二，分别获得待测样本颗粒系在第二样本容器右侧表面透射输出的三个不同角度的透射信号Tmea(θ1,L2,λ1)、Tmea(θ2,L2,λ1)和Tmea(θ3,L2,λ1)，及待测样本颗粒系在第二样本容器右侧表面透射输出的三个不同角度的透射信号Tmea(θ1,L2,λ2)、Tmea(θ2,L2,λ2)和Tmea(θ3,L2,λ2)；步骤四：利用逆问题求解方法设定待测样本颗粒系在对应波长的光学常数为m(λ)为：m(λ)＝n(λ)+ik(λ)，式中λ＝λ1或λ2；n(λ)为粒子折射指数，k(λ)为粒子吸收指数，i为虚数单位；通过Mie理论计算待测样本颗粒系中单个颗粒的吸收截面和散射截面，结合待测样本颗粒系的颗粒总数和设定的粒径分布值，计算获得待测样本颗粒系的吸收系数κa和散射系数κs；步骤五：针对步骤二中波长为λ1的连续激光与波长为λ2的连续激光分别照射第一样本容器及步骤三中波长为λ1的连续激光与波长为λ2的连续激光分别照射第二样本容器四种情况求解辐射传输方程，获得计算域内的辐射强度场；步骤六：根据步骤四中获得的待测样本颗粒系的吸收系数κa和散射系数κs以及步骤五中获得的辐射强度场，计算获得样本容器右侧边界透射信号预测值Test(θ0,L,λ)：式中θ0为探测器接收到的透射信号的天顶角，L表示样本容器的厚度，L＝L1或L2；I0,λ是波长为λ的连续激光的强度；Iλ(L,θ)为样本容器右侧边界上散射光的辐射强度；Ic,λ(L,λ)为连续激光沿着入射方向衰减到待测样本颗粒系右边缘时的辐射强度；步骤七：利用透射信号Tmea(θ1,L,λ)和Tmea(θ2,L,λ)以及步骤六中的样本容器右侧边界透射信号预测值Test(θ0,L,λ)，计算获得逆问题算法中的目标函数F1,obj：步骤八：判断目标函数F1,obj是否小于设定阈值ε1，若是，将步骤四中获得的两组光学常数m(λ)作为真实的球形颗粒光学常数输出，然后执行步骤九；否则返回执行步骤四，并修正设定的待测样本颗粒系在对应波长的光学常数和设定的粒径分布值；步骤九：利用步骤八中输出的两组真实的球形颗粒光学常数，返回执行步骤四至步骤六，然后执行步骤十；步骤十：利用透射信号Tmea(θ3,L,λ)以及步骤六中获得的样本容器右侧边界透射信号预测值Test(θ0,L,λ)，计算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F2,obj是否小于设定阈值ε2，若是，则将步骤九中重新设定的两组粒径分布值作为真实的颗粒系粒径分布值输出，完成球形颗粒光学常数与颗粒系粒径分布的同时重构；否则返回执行步骤九。步骤四和步骤七中的逆问题采用蛙跳算法实现。步骤五中获得计算域内的辐射强度场的具体方法为：利用下述辐射传输方程计算获得：式中I(x,θ)为天顶角θ方向x处的辐射强度，x为待求辐射场中位置，I(x,θ′)为θ′方向x处的辐射强度；θ′为待测样本颗粒系内部任意点接收到的辐射入射方向，Φ(θ′,θ)是从θ′方向入射并从θ方向散射出去的待测样本颗粒系的散射相函数。设定的粒径分布值的计算公式为：式中a表示待测环形颗粒半径；σ表示待测颗粒粒径的平均几何偏差；表示粒子系的特征尺寸参数，式中R-R表示待测样本颗粒系为Rosin-Rammler分布，N-N表示待测样本颗粒系为正态分布，L-N表示待测样本颗粒系为对数正态分布。本专利技术的优点：本专利技术为一种同时重建球形颗粒系统的光学常数与粒径分布的方法。在测量过程中使用两种不同波长的连续激光照射球形粒子系样本表面，借助探测器测量粒子系不同角度内的透射信号，最后通过逆问题求解技术间接得到粒子系的光学常数以及粒径分布情况。本专利技术通过建立球形颗粒系不同角度内透射信号测量的正问题和逆问题求解模型，在粒子系的其他参数已知的前提下，提出了运用Mie理论模型结合蛙跳算法基于前向散射多角度测量的球形颗粒光学常数与颗粒系粒径分布的同时重建技术。本专利技术能够同时反演得到球形颗粒的光学常数以及颗粒系粒径分布情况。其采用连续激光，激光器廉价购买方便，且模型简单，便于理论求解；采用Mie理论模型，该模型是非偏振平面电磁波透射均质球形颗粒时得到的Maxwell方程远场解，能很精确的反映出颗粒的电磁散射特性；采用蛙跳算法，该算法求解优化问题时有简单、高效和灵敏度高等优点。本专利技术方法为研究球形颗粒的光学常数和粒径分布提供一种快速准确的方法，对航天、国防和民用工业具有十分重要的意义。附图说明图1是本专利技术所述基于前向散射多角度测量的球形颗粒光学常数与颗粒系粒径分布本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于前向散射多角度测量的球形颗粒光学常数与颗粒系粒径分布的同时重构方法，其特征在于，它包括以下步骤：步骤一：将待测颗粒以相同浓度装入厚度为L1的第一样本容器内和厚度为L2的第二样本容器内，使两个样本容器内的待测样本颗粒系呈悬浮状态；步骤二：利用波长为λ1的连续激光沿第一样本容器的厚度方向垂直照射第一样本容器的左侧表面，并入射至第一样本容器内的待测样本颗粒系，再沿第一样本容器的右侧表面透射输出；调节第一样本容器右侧设置的光阑，获得待测样本颗粒系在第一样本容器右侧表面透射输出的三个不同角度的透射信号Tmea(θ1,L1,λ1)、Tmea(θ2,L1,λ1)和Tmea(θ3,L1,λ1)，其中θ1＜θ2，并且θ1＜θ3；再利用波长为λ2的连续激光沿第一样本容器的厚度方向垂直照射第一样本容器的左侧表面，并入射至第一样本容器内的待测样本颗粒系，再沿第一样本容器的右侧表面透射输出；调节第一样本容器右侧设置的光阑，获得待测样本颗粒系在第一样本容器右侧表面透射输出的三个不同角度的透射信号Tmea(θ1,L1,λ2)、Tmea(θ2,L1,λ2)和Tmea(θ3,L1,λ2)；步骤三：将步骤二中的第一样本容器替换为第二样本容器，重复步骤二，分别获得待测样本颗粒系在第二样本容器右侧表面透射输出的三个不同角度的透射信号Tmea(θ1,L2,λ1)、Tmea(θ2,L2,λ1)和Tmea(θ3,L2,λ1)，及待测样本颗粒系在第二样本容器右侧表面透射输出的三个不同角度的透射信号Tmea(θ1,L2,λ2)、Tmea(θ2,L2,λ2)和Tmea(θ3,L2,λ2)；步骤四：利用逆问题求解方法设定待测样本颗粒系在对应波长的光学常数为m(λ)为：m(λ)＝n(λ)+ik(λ)，式中λ＝λ1或λ2；n(λ)为粒子折射指数，k(λ)为粒子吸收指数，i为虚数单位；通过Mie理论计算待测样本颗粒系中单个颗粒的吸收截面和散射截面，结合待测样本颗粒系的颗粒总数和设定的粒径分布值，计算获得待测样本颗粒系的吸收系数κa和散射系数κs；步骤五：针对步骤二中波长为λ1的连续激光与波长为λ2的连续激光分别照射第一样本容器及步骤三中波长为λ1的连续激光与波长为λ2的连续激光分别照射第二样本容器四种情况求解辐射传输方程，获得计算域内的辐射强度场；步骤六：根据步骤四中获得的待测样本颗粒系的吸收系数κa和散射系数κs以及步骤五中获得的辐射强度场，计算获得样本容器右侧边界透射信号预测值Test(θ0,L,λ)：Test(θ0,L,λ)=1I0,λ[2π∫0θ0Iλ(L,θ)cosθsinθdθ+Ic,λ(L,λ)],]]>式中θ0为探测器接收到的透射信号的天顶角，L表示样本容器的厚度，L＝L1或L2；I0,λ是波长为λ的连续激光的强度；Iλ(L,θ)为样本容器右侧边界上散射光的辐射强度；Ic,λ(L,λ)为连续激光沿着入射方向衰减到待测样本颗粒系右边缘时的辐射强度；步骤七：利用透射信号Tmea(θ1,L,λ)和Tmea(θ2,L,λ)以及步骤六中的样本容器右侧边界透射信号预测值Test(θ0,L,λ)，计算获得逆问题算法中的目标函数F1,obj：F1,obj=Σk=12Σi=12Σj=12[Test(θk,Li,λj)-Tmea(θk,Li,λj)Tmea(θk,Li,λj)]2;]]>步骤八：判断目标函数F1,obj是否小于设定阈值ε1，若是，将步骤四中获得的两组光学常数m(λ)作为真实的球形颗粒光学常数输出，然后执行步骤九；否则返回执行步骤四，并修正设定的待测样本颗粒系在对应波长的光学常数和设定的粒径分布值；步骤九：利用步骤八中输出的两组真实的球形颗粒光学常数和重新设定的粒径分布值，返回执行步骤四至步骤六，然后执行步骤十；步骤十：利用透射信号Tmea(θ3,L,λ)以及步骤六中获得的样本容器右侧边界透射信号预测值Test(θ0,L,λ)，计算获得逆问题算法中的目标函数F2,obj：F2,obj=Σi=12Σj=12[Rest(θ3,Li,λj)-Rmea(θ3,Li,λj)Rmea(θ3,Li,λj)]2;]]>步骤十一，判断步骤十中的目标函数F2,obj是否小于设定阈值ε2，若是，则将步骤九中重新设定的两组粒径分布值作为真实的颗粒系粒径分布值...

【技术特征摘要】
1.一种基于前向散射多角度测量的球形颗粒光学常数与颗粒系粒径分布的同时重构方法，其特征在于，它包括以下步骤：步骤一：将待测颗粒以相同浓度装入厚度为L1的第一样本容器内和厚度为L2的第二样本容器内，使两个样本容器内的待测样本颗粒系呈悬浮状态；步骤二：利用波长为λ1的连续激光沿第一样本容器的厚度方向垂直照射第一样本容器的左侧表面，并入射至第一样本容器内的待测样本颗粒系，再沿第一样本容器的右侧表面透射输出；调节第一样本容器右侧设置的光阑，获得待测样本颗粒系在第一样本容器右侧表面透射输出的三个不同角度的透射信号Tmea(θ1,L1,λ1)、Tmea(θ2,L1,λ1)和Tmea(θ3,L1,λ1)，其中θ1<θ2，并且θ1<θ3；再利用波长为λ2的连续激光沿第一样本容器的厚度方向垂直照射第一样本容器的左侧表面，并入射至第一样本容器内的待测样本颗粒系，再沿第一样本容器的右侧表面透射输出；调节第一样本容器右侧设置的光阑，获得待测样本颗粒系在第一样本容器右侧表面透射输出的三个不同角度的透射信号Tmea(θ1,L1,λ2)、Tmea(θ2,L1,λ2)和Tmea(θ3,L1,λ2)；步骤三：将步骤二中的第一样本容器替换为第二样本容器，重复步骤二，分别获得待测样本颗粒系在第二样本容器右侧表面透射输出的三个不同角度的透射信号Tmea(θ1,L2,λ1)、Tmea(θ2,L2,λ1)和Tmea(θ3,L2,λ1)，及待测样本颗粒系在第二样本容器右侧表面透射输出的三个不同角度的透射信号Tmea(θ1,L2,λ2)、Tmea(θ2,L2,λ2)和Tmea(θ3,L2,λ2)；步骤四：利用逆问题求解方法设定待测样本颗粒系在对应波长的光学常数为m(λ)为：m(λ)＝n(λ)+ik(λ)，式中λ＝λ1或λ2；n(λ)为粒子折射指数，k(λ)为粒子吸收指数，i为虚数单位；通过Mie理论计算待测样本颗粒系中单个颗粒的吸收截面和散射截面，结合待测样本颗粒系的颗粒总数和设定的粒径分布值，计算获得待测样本颗粒系的吸收系数κa和散射系数κs；步骤五：针对步骤二中波长为λ1的连续激光与波长为λ2的连续激光分别照射第一样本容器及步骤三中波长为λ1的连续激光与波长为λ2的连续激光分别照射第二样本容器四种情况求解辐射传输方程，获得计算域内的辐射强度场；步骤六：根据步骤四中获得的待测样本颗粒系的吸收系数κa和散射系数κs以及步骤五中获得的辐射强度场，计算获得样本容器右侧边界透射信号预测值Test(θ0,L,λ)：式中θ0为探测器接收到的透射信号的天顶角，L表示样本容器的厚度，L＝L1或L2；I0,λ是波长为λ的连续激光的强度；Iλ(L,θ)为样本容器右侧边界上散射光的辐射强度；Ic,λ(L,λ)为连续激光沿着入射方向衰减到待测样本颗粒系右边缘时的辐射强度；步骤七：利用透射信号Tmea(θ1,L,λ)和Tmea(θ2,L,λ)以及步骤六中的样本容器右侧边界透射信号预测值Test(θ0,L,λ)，计算获得逆问题算法中的目标函数F1,obj：

【专利技术属性】
技术研发人员：任亚涛，齐宏，史要涛，于创利，于翠萍，阮立明，谈和平，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23