【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光学检测，涉及一种基于多角度散射光谱的星表单颗粒物粒形识别装置及方法。
技术介绍
1、随着人类科技水平的不断进步，深空行星探测任务的重要性日渐凸显。目前，人类已经对地外行星进行了诸多探索。已有观测表明，许多行星星表大气都含有气溶胶颗粒，例如火星、金星等。气溶胶颗粒会改变光与气体相互作用，在行星星表大气行为和演化中发挥重要作用，可能直接影响行星地表和大气升温速率。大量研究表明，水汽微粒通常表现为球形粒子，而灰尘、冰晶微粒则多数为非球形粒子。由于不同形貌的微粒对太阳及大气的辐射和吸收特性并不相同，因此在行星探测中实时获取高精度的气溶胶形貌数据对研究行星环境和气候变化有着重要的意义。目前气溶胶颗粒物的形状识别技术主要分为显微镜观察法和光散射测量法。其中，显微镜观察法一般需要通过特定手段收集待分析的样品，然后由专业技术人员对样品进行预处理及显微成像，是形状识别领域最早发展起来的技术，具有较高的准确性，常被用来确认其他技术的结果。但显微观察技术只能用于少量样本的离线分析，分析步骤较为繁琐且耗时较长，因而无法满足很多场景中对于气溶胶粒形实现快速检测的需求，具有很大的局限性。
2、与传统的显微成像技术相比，粒子散射光中所包含的信息已成为快速、无损检测粒子形状的有力工具。光散射测量法中通常会采用单色性较好的激光作为入射光源，因为白炽灯等光源产生的复色光，其不同频率之间可能存在相互干扰，从而导致不同形状的气溶胶颗粒之间的散射光差异性减小。当单个气溶胶颗粒被特定性质的入射光照射时，其产生的散射光强度的空间分布信息往往反映了
3、气溶胶单颗粒物形状的光散射测量方法主要有角分辨光散射测量、偏振光散射测量和散射剖面成像三种。其中，散射剖面成像技术可实现对粒子散射图样的直接拍摄，具有较高的分辨率，但正是由于这种信息的过于丰富，使得获取颗粒形态特征的反演成为极度困难的技术难题：因为粒子光散射图样与粒子的尺寸、形状、折射率、取向、光辐照均匀性等非常多的因素相关，而在测量过程中，样品的一致性、非球形颗粒的取向、以及光辐照的均匀性和稳定性都是很难控制的。同时，高分辨率增强型ccd相机其成本较高且响应速度难以满足环境监测需要，使得该技术并不适用于环境监测。角分辨光散射技术与偏振光散射技术则具有实时探测的潜力，但相应的分辨率低于散射剖面成像技术。其中偏振光散射技术通常对小粒子较为敏感，而角分辨光散射技术在粒径较小时则可能面临较大的测量误差。
技术实现思路
1、本专利技术用于解决如何提高气溶胶单颗粒物粒形识别准确性的问题。
2、本专利技术是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
3、基于多角度散射光谱的星表单颗粒物粒形识别装置，包括：颗粒物束流装置(1)、第一激光器(2)、反射镜(3)、第二激光器(4)、第一光束终止器(5)、颗粒物(6)、第一探测器(7)、第二光束终止器(8)、第二探测器(9)、第三探测器(10)、第四探测器(11)；装置的工作流程为：颗粒物从大气环境中被吸入后进入束流装置(1)，第一激光器(2)入射的激光经过颗粒物后，产生的散射光经反射镜(3)反射后被第一探测器(7)接收；第二激光器(4)入射的激光经过颗粒物后，产生的散射光分别被第二探测器(9)、第三探测器(10)、第四探测器(11)接收；两束入射的激光分别被第一光束终止器(5)及第二光束终止器(8)终止；第一探测器(7)、第二探测器(9)、第三探测器(10)、第四探测器(11)接收的散射光用于颗粒物的粒形分析。
4、一种应用于所述基于多角度散射光谱的星表单颗粒物粒形识别装置的方法，包括以下步骤：
5、s1、对所有单颗粒物光散射原始光谱数据进行降噪处理；
6、s2、提取各降噪后光谱信号分别对应的特征信息；
7、s3、修正各光电探测器接收到的颗粒物散射光强度；
8、s4、对各颗粒物对应的飞行时间进行计算及筛选；
9、s5、对筛选后光谱数据进行非线性预处理及偏最小二乘分析；
10、s6、按颗粒物粒径大小对筛选后光谱数据进行分段及偏最小二乘分析。
11、进一步地，步骤s1中所述的对所有单颗粒物光散射原始光谱数据进行降噪处理的方法具体为：
12、根据信号特征选取均方根误差和平滑度两个指标来构建去噪效果复合评价指标；
13、计算不同滤波方法的复合评价指标并进行对比，选取所对比滤波方法中的最优滤波方法；
14、依据复合评价指标为各探测器对应的光谱数据选取最优滤波参数设置并通过滤波获得去噪后数据。
15、进一步地，所述的计算不同滤波方法的复合评价指标的方法如下：首先分别在不同平滑参数下计算均方根误差及平滑度指标，然后利用两个指标计算结果中的最值分别将其归一化到0～1范围内；之后基于两个指标的变异系数在二者变异系数之和所占比重分别对不同指标进行赋权处理；最后，将各归一化后的指标分别与其权值相乘再进行求和，即可得到构建的复合评价指标。
16、进一步地，步骤s2中所述的提取各降噪后光谱信号分别对应的特征信息的方法具体为：
17、利用小波去噪方法获得设置的分解层数内平滑度最高的数据；
18、通过给定阈值的方式对双峰的位置及强度信息进行读取及存储,并通过调整阈值的方式对寻得的无峰、单峰及三峰信号重新进行寻峰以获得更多的双峰信号；
19、将双峰的位置及强度信息作为双高斯拟合的初值进行输入，并对初始光谱信号进行双高斯拟合，进而对光谱信号的双峰峰位置及峰值信息进行提取；
20、将各光散射单峰信号探测器对应的去噪后的初始光谱信号基于其时域特征进行叠加，得到一个新的单峰信号；
21、对叠加得到的新的单峰信号进行寻峰处理，得到其峰值强度及峰值位置信息；
22、在各光散射单峰信号探测器对应的初始光谱信号中，以已提取的叠加后新信号的峰值位置为中心，在其左右各一定时域范围内读取各光散射单峰信号探测器输出电压的最大值，作为目标单颗粒物在该空间方位上的散射光强度。
23、进一步地，步骤s3中所述的修正各光电探测器接收到的颗粒物散射光强度的方法具体为：
24、计算同一球形气溶胶颗粒物对应的各光散射单峰信号探测器输出电压的均值；
25、将同一球形气溶胶颗粒物对应的各光散射单峰信号探测器输出电压的均值设为纵坐标，将各光散射单峰信号探测器的实际输出电压分别设为横坐标，对球形单颗粒物测试结果进行多项式拟合，分别得到拟合r值；
26、依据拟合r值最优结果得到各探测器分别对应的散射光强度修正公式，并将修正公式应用于实验测试中。
27、进一步地，步骤s4中所述的对各颗粒物对应的飞行时间进行计算及筛选的方法具体为：
28、对提取的颗粒物光散射双峰信号的两个峰值位置作差，分别得到各气溶胶本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于多角度散射光谱的星表单颗粒物粒形识别装置，其特征在于，包括：颗粒物束流装置(1)、第一激光器(2)、反射镜(3)、第二激光器(4)、第一光束终止器(5)、颗粒物(6)、第一探测器(7)、第二光束终止器(8)、第二探测器(9)、第三探测器(10)、第四探测器(11)；装置的工作流程为：颗粒物从大气环境中被吸入后进入束流装置(1)，第一激光器(2)入射的激光经过颗粒物后，产生的散射光经反射镜(3)反射后被第一探测器(7)接收；第二激光器(4)入射的激光经过颗粒物后，产生的散射光分别被第二探测器(9)、第三探测器(10)、第四探测器(11)接收；两束入射的激光分别被第一光束终止器(5)及第二光束终止器(8)终止；第一探测器(7)、第二探测器(9)、第三探测器(10)、第四探测器(11)接收的散射光用于颗粒物的粒形分析。
2.一种应用于权利要求1所述基于多角度散射光谱的星表单颗粒物粒形识别装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，步骤S1中所述的对所有单颗粒物光散射原始光谱数据进行降噪处理的方法具体为：
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5.根据权利要求2所述方法，其特征在于，步骤S2中所述的提取各降噪后光谱信号分别对应的特征信息的方法具体为：
6.根据权利要求2所述方法，其特征在于，步骤S3中所述的修正各光电探测器接收到的颗粒物散射光强度的方法具体为：
7.根据权利要求2所述方法，其特征在于，步骤S4中所述的对各颗粒物对应的飞行时间进行计算及筛选的方法具体为：
8.根据权利要求2所述方法，其特征在于，步骤S5中所述的对筛选后光谱数据进行非线性预处理及偏最小二乘分析的方法具体为：
9.根据权利要求8所述方法，其特征在于，所述的两个新的光谱信号特征值的计算公式如下：
10.根据权利要求2所述方法，其特征在于，步骤S6中所述的按颗粒物粒径大小对筛选后光谱数据进行分段及偏最小二乘分析的方法具体为：
...【技术特征摘要】
1.基于多角度散射光谱的星表单颗粒物粒形识别装置，其特征在于，包括：颗粒物束流装置(1)、第一激光器(2)、反射镜(3)、第二激光器(4)、第一光束终止器(5)、颗粒物(6)、第一探测器(7)、第二光束终止器(8)、第二探测器(9)、第三探测器(10)、第四探测器(11)；装置的工作流程为：颗粒物从大气环境中被吸入后进入束流装置(1)，第一激光器(2)入射的激光经过颗粒物后，产生的散射光经反射镜(3)反射后被第一探测器(7)接收；第二激光器(4)入射的激光经过颗粒物后，产生的散射光分别被第二探测器(9)、第三探测器(10)、第四探测器(11)接收；两束入射的激光分别被第一光束终止器(5)及第二光束终止器(8)终止；第一探测器(7)、第二探测器(9)、第三探测器(10)、第四探测器(11)接收的散射光用于颗粒物的粒形分析。
2.一种应用于权利要求1所述基于多角度散射光谱的星表单颗粒物粒形识别装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，步骤s1中所述的对所有单颗粒物光散射原始光谱数据进行降噪处理的方法具体为：
4.根据权利要求3所述方法，其特征在于，所述的计算不同滤...
【专利技术属性】
技术研发人员：韩艳，张晓，陈晓，吴涛，夏新华，赵丹，潘林心，王飞洋，钟宇彬，方振，
申请(专利权)人：深空探测实验室天都实验室，
类型：发明
国别省市：
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