一种高鲁棒性颗粒粒度反演方法技术

本发明专利技术涉及一种高鲁棒性颗粒粒度反演方法，通过测量光束经颗粒系统前后的光强比值，在已知波长和相对折射率等条件下，根据经典的米氏散射理论和朗伯比尔定理就可以获得所测颗粒系的粒径分布。针对传统目标函数存在的病态性，采用L曲线法计算的正则化参数构建带有惩罚因子的目标函数，可以降低函数的病态性。本发明专利技术方法的反演计算中结合量子粒子群优化算法，可以得到很好的反演结果。在先验信息不充分的条件下，本发明专利技术方法相对于传统的反演算法，在测量结果准确性、计算过程稳定性、运行时间、鲁棒性的方面都具有明显的优势。

【技术实现步骤摘要】
一种高鲁棒性颗粒粒度反演方法
本专利技术属于消光法微小颗粒信号检测领域，尤其涉及一种高鲁棒性颗粒粒度反演方法。
技术介绍
研究表明，当人长期处于高浓度PM2.5环境中时，患肺癌和心肺疾病的风险会大幅度上升，并且死亡率会随着浓度增高而上升。由于PM2.5难以沉降的特性，导致其能长期漂浮于空中，从而影响大气的能见度和气候，严重危害交通安全和出行安全，所以对颗粒物的研究成为了保护环境和人体安全的重要部分。颗粒粒度测量方式十分丰富，在不同的检测环境下对颗粒检测方法也是多种多样的。目前，常见的粒度测量方式包括机械法、电感应法、波动特性法等。其中机械法又可分为筛分法和沉降法，但机械法需要于被测物进行接触，存在影响被测物的可能；电感应法虽然检测精度高，但存在颗粒堵塞和抗噪音能力差的缺点；波动特性法包括：显微镜法、光散射法，其中显微镜法由于是通过人眼观察得出结果，难免受到检测人的主观意识的影响。消光法光全散射法或浊度法，是静态光散射法一种。它的原理是当一束光穿过被测量颗粒时，颗粒对入射光进行散射和吸收，导致透射光强发生衰减，利用不同波段下光强的衰减程度可以得到颗粒的粒径分布。这种方法采用的理论是米氏散射理论和朗伯比尔定律。与其他检测方法相比，光散射法具有：(1)应用范围广：光散射法适用于固体、液体和空气的测量中；(2)粒径测量范围宽：衍射散射法通常用于大颗粒检测，上限可达到毫米级，动态散射法通常用于小颗粒检测，下限可达到纳米级。光散射法粒径测量范围在毫米到纳米之间；(3)测量速度快：光的传播速度快，可以实现快速检测；(4)可实现在线测量：光的传播有透射性以及非接触性，适合在线测量。目前消光法在烟尘排放浓度的在线检测、高分子聚合物过程的测量和监控、工业在线监测颗粒粒度和浓度领域具有很大的前景。颗粒粒径分布的反演问题为第一类雷德霍姆(Fredholm)积分问题，目前对此类方程的理论解还没有成熟的方法。在实际计算过程中，消光系数矩阵T的条件数往往非常大，从而导致病态性十分严重，往往会产生非正数解，不符合实际的分布情况。反演算法对运行时间，鲁棒性以及计算结果的准确性上都有严格的要求。因此，为了提高颗粒粒度反演的稳定性和准确性，选取合适的反演算法至关重要。
技术实现思路
针对现有消光法技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种鲁棒性、运行时间、计算过程稳定性和测量结果准确性等方面组合最优的颗粒粒度反演方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案予以实现：一种高鲁棒性颗粒粒度反演方法，其特征在于：根据米氏散射理论和朗伯比尔定理得到归一化的光能分布计算公式，离散化所述光能分布计算公式后反演颗粒粒径分布，包括以下几个步骤：步骤一：米氏散射是针对均匀球形颗粒的求解，米氏散射模型如图1所示。入射光沿Z轴正方向传播，电矢量为E沿着X轴正方向传播，r为散射光参考点p与散射中心之间的距离，参考点p与Z轴组成的垂直于XOY面的平面被称为散射面，用POZ表示，参考点与散射中心的夹角为θ，入射光电矢量组成的振动面与POZ之间的夹角为波长为λ。其中，E⊥S为平行于POZ的分量，E//S为垂直于POZ分量；S1和S2分别代表了垂直和水平方向散射光复振幅，所述的S1和S2相互正交并且与散射角θ有关。垂直于POZ的散射光强I⊥S和平行于POZ的散射光强I//S表达式为以及总散射光强IS表达式为式(3)中：i1、i2表示平行于POZ和垂直于POZ的强度函数。散射强度函数关系i1、i2可以表示为式(4)、(5)中：n与颗粒本身性质有关，为正整数，表征颗粒的分波阶数。此关系是米氏散射的关键所在，它把散射光强函数转化成了一系列系数的组合。an、bn称为米氏散射系数，表达式为米氏散射系数与散射角θ的分布函数πn和τn的无穷级数之和，表达式为其中，ψn和ξn分别为n阶第一类和第二类Bessel函数，ψn′和ξn′分别为所述Bessel函数的导数，Pn(1)为一阶n次Legendre函数。利用米氏散射理论上可以推导任何大小和任何折射率颗粒的散射系数和消光系数，其表达式为由式(10)可以看出，消光系数和散射系数是关于an和bn的函数。所述消光系数的准确求解是消光法颗粒粒径分布反演获得高精度解的关键所在，因此，在耗时可接受的情况下，选取米氏算法计算消光系数。步骤二：消光法测量原理图1所示，图2中I0为入射光强，I表示穿过颗粒系的透射光强。当被测颗粒系满足不相关单散射的均匀球形的单分散颗粒系时，对于入射光波长为λ时的消光值表达式式(11)中：其中L为光程；I、I0分别代表经颗粒系统前后的光强；λ代表光束的波长；m为相对折射率；D代表待测颗粒系颗粒粒径；kext(λ,m,D)为基于米氏散射理论的消光系数值；在实际测量中，被测颗粒系绝大多数是由不同颗粒组成的多分散系。因此，可以推导出基于米氏散射理论的多分散系的消光值表达式式(12)中：Dmax、Dmin分别代表待测颗粒系颗粒粒径的上下限；N(D)表示颗粒粒径在[D,D+dD]范围内待测颗粒系的总颗粒个数。对式子(12)进行离散化处理，并记消光矩阵E＝(In(I/I0)1,In(I/I0)2,...,In(I/I0)n)T；消光系数矩阵T＝1/Dikext(λi,m,D)，并将数量分布N(D)转换成重量频率分布W(D),写矩阵形式：E＝TW(13)其中，E为消光矩阵；T为消光系数矩阵；W为待求的颗粒粒径分布；可见，式(13)是一个传统目标函数，存在严重的病态性。步骤三：采用L曲线法计算的正则化参数构建带有惩罚因子的目标函数：步骤四：结合量子粒子群方法构造一个最优化问题。在t+1代，第i个粒子第j维的位置进化方程可以变为其中，i＝1,2,...m,m为粒子种群规模，j＝1,2,...d，d为维度，β为收缩扩张因子，uij(t)为(0,1)范围内的随机数，pij(t)满足式(16)中,r1,r2为(0,1)范围内的随机数,c1,c2为学习因子,pbest是局部极值个体，gbest是全局极值个体，因此,也可以看成是一个随机数；mbest为粒子的平均最优位置,其计算表达式为步骤五：假设颗粒粒径分布服从R-R单峰分布式(18)中：W(D)为待求的重量频度分布，X和N为待求的特征参数，X为表征颗粒尺寸的参数，N为表征颗粒分布的参数。N越大，分布曲线越窄，N越小，分布曲线越宽；假设粒子的状态为公式(18)的两个分布参数x＝(X,N)，适应度函数为则基于量子粒子群算法的颗粒粒度反演的步骤：首先初始化参数:如群体规模m，空间维数d，学习因子c，r，最大迭代次数M,随机产生m个粒子位置x＝(X,N)；然后计算当前粒子位置的适应度函数:计本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高鲁棒性颗粒粒度反演方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤一，根据米氏散射理论和朗伯比尔定理可得到多分散颗粒系的消光值表达式

【技术特征摘要】
1.一种高鲁棒性颗粒粒度反演方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，根据米氏散射理论和朗伯比尔定理可得到多分散颗粒系的消光值表达式其中L为光程；I、I0分别代表经颗粒系统前后的光强；λ代表光束的波长；m为相对折射率；D代表待测颗粒系颗粒粒径；Dmax、Dmin分别代表待测颗粒系颗粒粒径的上下限；kext(λ,m,D)为基于米氏散射理论的消光系数值；N(D)表示颗粒粒径在[D,D+dD]范围内待测颗粒系的总颗粒个数；
步骤二，对所述消光值表达式进行离散化，可得...

【专利技术属性】
技术研发人员：于雪莲，罗如芝，房鑫宇，潘立辉，吴佳哲，宋良峰，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23