CN102507399A - 测量烟颗粒的粒径的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种测量烟颗粒的粒径的方法和装置。该方法主要包括：根据烟颗粒的散射光的直流分量和谐波分量建立烟颗粒的散射光的散射矩阵；根据所述散射矩阵建立烟颗粒的粒径参数的目标函数，利用所述散射矩阵和目标函数通过反演算法，获取所述目标函数的最优值，根据所述最优值得到所述烟颗粒的粒径分布。本发明实施例从完全反映颗粒的光散射特性的Mueller矩阵出发，结合全局搜索能力很强的模拟退火算法，实现了对火灾等烟颗粒的光散射球形模型下的粒径反演，从而可以有效地测量火灾等烟颗粒的粒径分布。

Description

测量烟颗粒的粒径的方法及装置

技术领域

本发明涉及电子应用技术领域，尤其涉及一种测量烟颗粒的粒径的方法及装置。

背景技术

火灾探测是防止火灾发生的重要手段，火灾发生时一般都释放大量烟颗粒，因此，通过对烟雾的感知与识别可以实现早期火灾探测。粒径是火灾烟颗粒的重要物理参数，深入研究火灾烟颗粒的粒径特性，对发展光电感烟火灾探测技术，降低光电感烟探测器误报率具有重要的理论意义和实用价值。

现有技术中的一种测量烟颗粒的粒径的方法为，基于光学Mie散射理论的角散射法。在颗粒对入射光散射过程中，散射光的角分布随颗粒粒径分布变化而改变。该方法通过检测烟颗粒的散射光信号的分布并进行反演，获取散射光信号中包含的烟颗粒的粒径分布信息。

上述现有技术中的测量烟颗粒的粒径的方法的缺点为：该方法仅利用散射光信号的散射光强或是偏振度的角分布测量数据进行反演，并未完全利用散射光信号的全部性质，对于复杂结构的烟颗粒群不能得出符合实际情况的粒径分布结果。

发明内容

本发明的实施例提供了一种测量烟颗粒的粒径的方法和装置，以实现有效地测量火灾等烟颗粒的粒径分布。

一种测量烟颗粒的粒径的方法，包括：

根据烟颗粒的散射光的直流分量和谐波分量建立烟颗粒的散射光的散射矩阵；

根据所述散射矩阵建立烟颗粒的粒径参数的目标函数，利用所述散射矩阵和目标函数通过反演算法，获取所述目标函数的最优值，根据所述最优值得到所述烟颗粒的粒径分布。

一种测量烟颗粒的粒径的装置，包括：

散射矩阵建立模块，用于根据烟颗粒的散射光的直流分量和谐波分量建立烟颗粒的散射光的散射矩阵；

目标函数建立模块，用于根据所述散射矩阵建立模块所建立的散射矩阵建立烟颗粒的粒径参数的目标函数；

烟颗粒粒径分布计算模块，用于利用所述散射矩阵建立模块所建立的散射矩阵和所述目标函数建立模块所建立的目标函数通过反演算法，获取所述目标函数的最优值，根据所述最优值得到所述烟颗粒的粒径分布。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例从完全反映颗粒的光散射特性的Mueller矩阵出发，结合全局搜索能力很强的模拟退火算法，实现了对火灾等烟颗粒的光散射球形模型下的粒径反演，从而可以有效地测量火灾等烟颗粒的粒径分布。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的一种测量烟颗粒的粒径的方法的原理示意图；

图2为本发明实施例一提供的一种测量烟颗粒的粒径的方法的具体处理流程图；

图3为本发明实施例一提供的一种烟颗粒的粒径的参数σ与参数

之间的关系曲线图；

图4为本发明实施例二提供了一种测量烟颗粒的粒径的装置的具体实现结构图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

实施例一

该实施例提供的一种测量烟颗粒的粒径的方法的原理示意图如图1所示，烟雾从产生装置中用管道从喷嘴喷出，经过调制的入射光被烟颗粒散射，光电倍增管随着旋转臂的旋转，在不同角度上接收散射光。散射光信号经过锁相放大器和滤波器，采集存入计算机。在计算机中进行烟颗粒的粒径分别的计算处理，具体处理流程如图2所示，包括如下的处理步骤：

步骤21、根据烟颗粒的散射光的直流分量和谐波分量建立烟颗粒的散射光的Mueller(米勒)散射矩阵。

光源产生的激光先经过起偏器和电光调制器进行调制，再将激光发射到烟颗粒所在的区域，上述激光将被烟颗粒散射产生散射光。上述散射光经过一个四分之一波片和验偏器后被探测器接收，探测器测量接收到的上述散射光的光强信号。

上述探测器测得的光强信号分为两路，一路经过低通滤波后输出直流分量，另一路输入到可以同时检测两阶谐波的锁相放大器，由锁相放大器输出光强信号的一阶与二阶谐波分量。根据上述直流分量和谐波分量的线性方程组建立烟颗粒的散射光的散射矩阵，该散射矩阵可以为Mueller散射矩阵。

如图1所示，可以在一个固定散射角位置放置一探测器，作为监视器，用来监视测量过程中样本散射的变化，对探测器测量的结果进行修正。计算机通过步进电机控制导轨转动，从而可以控制散射测量角，探测器在导轨上可以移动，使探测器接近或远离位于中心的测量样本。

对上述获取的直流分量和一阶二阶谐波分量进行低通滤波放大，然后进行数据采样。由直流分量与一阶二阶谐波分量的线性方程组可以得到Mueller矩阵元素，将除F₁₁(θ)以外的矩阵元素分别除以F₁₁(θ)，并且F₁₁(θ)其他角度的值除以F₁₁(θ)在0度角的值，即是F₁₁(θ)＝F₁₁(θ′)/F₁₁(0°)，对Mueller矩阵进行归一化，获得归一化的Mueller散射矩阵，该归一化的Mueller散射矩阵的形式为：

$F=\left(\begin{array}{cccc}{F}_{11}\left(\mathrm{\θ}\right)& F_{12}\left(\mathrm{\θ}\right)& 0& 0\\ F_{12}\left(\mathrm{\θ}\right)& F_{22}\left(\mathrm{\θ}\right)& 0& 0\\ 0& 0& F_{33}\left(\mathrm{\θ}\right)& F_{34}\left(\mathrm{\θ}\right)\\ 0& 0& -F_{34}\left(\mathrm{\θ}\right)& F_{44}\left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right)$ 公式

1

所述θ是所述激光发射到烟颗粒所在的区域的入射角度，所述F₁₁(θ)是入射光强度与散射光强度之间的传输特性，反映烟颗粒的总体散射特性，所述F₁₂(θ)是与散射平面平行的线偏振光，以及与散射平面垂直的线偏振光的消偏振率，所述F₂₂(θ)是与散射平面垂直的入射线偏振光到与散射平面垂直的散射线偏振光的传输特性，F₂₂(θ)/F₁₁(θ)若不为常数1，则反映了散射体的非球形特性，所述F₃₃(θ)是与散射平面呈±45°夹角的线偏振入射光到与散射平面呈±45°夹角的线偏振散射光的传输特性，所述F₃₄(θ)是圆偏振入射光到与散射平面呈±45°角的线偏振散射光的传输特性，所述F₄₄(θ)是圆偏振入射光到圆偏振散射光的传输特性。上述归一化矩阵中的F₁₂(θ)实际上是指F₁₂(θ)＝F₁₂(θ)/F₁₁(θ)。

上述归一化的Muller散射矩阵是单个烟颗粒的散射矩阵，上述矩阵元素F₁₁(θ)、F₁₂(θ)、F₂₂(θ)、F₃₃(θ)、F₃₄(θ)和单个烟颗粒的粒径D相关，并且是根据不同的光学器件组合下测量得到的上述散射光的直流分量，一阶谐波二阶谐波分量的组成的线性方程组计算得出。

本发明实施例需要分别选取不同的θ来建立不同的Muller散射矩阵，上述公式1中的θ可以是一系列的探测角度，在实施例中θ是从5度角到160度角，每5度角测一个实验数据，但是本反演方法与θ无关，其他的角度系列的散射光分布也同样适用。

步骤22、根据所述散射矩阵建立烟颗粒的粒径参数的目标函数。

粒径的测量实质上是指通过一个物理过程或一种物理特性，把被测量的颗粒与同一种材料构成的球体颗粒做比较而得出的。在光散射测量颗粒粒径中，如果某烟颗粒的散射光特性与粒径为D的球体颗粒的散射光特性一致，则我们称该烟颗粒的粒径为D，这个粒径称为等效光学粒径。

大量实验发现，火灾等烟颗粒的颗粒数目随粒径的变化近似满足如下的对数正态分布：

$\frac{\mathrm{dN}}{\mathrm{dD}}=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}D\ln \mathrm{\σ}}\exp (-\frac{1}{2}{\left(\frac{\ln D-\ln \stackrel{\‾}{D}}{\ln \mathrm{\σ}}\right)}^2)$ 公式

2

其中σ是烟颗粒的粒径的分布参数，所述

是所有烟颗粒的粒径的尺寸参数的平均值，N是颗粒数目。参数σ与参数

之间的关系曲线如图3所示，σ是变量D的标准差，σ的变化决定曲线分布是狭窄还是平缓，称为分布参数；

是变量D的平均值，影响曲线的分布中心，称为尺寸参数。在粒径分布函数式中，只有一个变量D，因此决定了两个参数σ、

以后，曲线的分布就完全确定了，因此就得到了烟颗粒的粒径分布。

上述公式2是一个典型的双参数分布函数，因此可以采用非独立模式来对烟颗粒的粒径分布进行反演。

设待求解的烟颗粒的粒径分布函数为

烟颗粒的粒径参数的目标函数

公式

3

上述公式3中的

所述F_ij(D，θ)是粒径为D的单个烟颗粒的归一化的Muller散射矩阵中的某一个矩阵元素。因为根据光散射的线性叠加原理，颗粒群的Muller散射矩阵是单个烟颗粒的Muller散射矩阵的线性叠加，上述F_ij(θ)的计算公式中D的变化范围是从30nm到1500nm，间隔2nm，即d₀＝30nm，d_M＝1500nm。所述E_ij(θ)表示烟颗粒群中所有烟颗粒的归一化的Muller散射矩阵的某一个矩阵元素的叠加。

针对上述公式1，E_ij(θ)为E₁₁(θ)，E₁₂(θ)，E₂₂(θ)，E₃₃(θ)，E₃₄(θ)，E₄₄(θ)。例如 $E_{11}\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{D=d_o}{\overset{D=d_M}{\mathrm{\Σ}}}{f}_{\mathrm{orig}}\left(r\right)F_{11}(D,\mathrm{\θ}),$ 或 $E_{34}\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{D=d_o}{\overset{D=d_M}{\mathrm{\Σ}}}{f}_{\mathrm{orig}}\left(r\right)F_{34}(D,\mathrm{\θ})$ 等等，仍然是一个矩阵元素，只不过是所有烟颗粒的对应的单个矩阵元素的叠加。

所述δ是烟颗粒群中所有颗粒的归一化的Muller散射矩阵的全部矩阵元素的叠加。针对上述公式1，目标函数δ展开为

$\mathrm{\δ}=$

$\underset{\mathrm{\θ}={\mathrm{\θ}}_0}{\overset{{\mathrm{\θ}}_M}{\mathrm{\Σ}}}[{(E_{11}\left(\mathrm{\θ}\right)-E_{11}^{\′}\left(\mathrm{\θ}\right))}^2+{(E_{12}\left(\mathrm{\θ}\right)-E_{12}^{\′}\left(\mathrm{\θ}\right))}^2+{(E_{22}\left(\mathrm{\θ}\right)-E_{22}^{\′}\left(\mathrm{\θ}\right))}^2+{(E_{33}\left(\mathrm{\θ}\right)-E_{33}^{\′}\left(\mathrm{\θ}\right))}^2$

$+{(E_{34}\left(\mathrm{\θ}\right)-E_{34}^{\′}\left(\mathrm{\θ}\right))}^2+{(E_{44}\left(\mathrm{\θ}\right)-E_{44}^{\′}\left(\mathrm{\θ}\right))}^2]/M$

上述公式3中的E′_ij(θ)在D和θ角固定的情况下是一个固定的实验数值，所述M表示所述θ的取值个数，所述θ₀表示所述θ的最小值，所述θ_M表示所述θ的最大值，上述θ₀和θ_M是一系列N+1个实验测量值，下标表示它们的顺序，在本实施例中如果测量从15度角到60度角每隔5度的散射光，则θ₀＝15，θ_M＝60，此时的M＝9。

步骤23、利用所述散射矩阵和目标函数通过反演算法，获取所述目标函数的最优值，根据所述最优值得到所述烟颗粒的粒径分布。

粒径反演是典型的病态问题，本发明实施例结合了全局搜索能力强的模拟退火算法，保证对任意初值都能渐进收敛到设定值上。

根据所述参数σ、的取值区间随机选取所述f_orig(r)的初始值将所述f_orig(r)的取值次数设置为1，根据所述X₀计算出所述目标函数的初始值f(X₀)，将所述f(X₀)作为所述f_orig(r)的第一次的最优值。

根据所述参数σ、

的取值区间随机选取所述f_orig(r)的取值

将所述f_orig(r)的取值次数加1，根据所述X₁计算出所述目标函数的取值f(X₁)。

根据所述f(X₁)和所述目标函数的上一次的最优值之间的大小关系判断确定所述目标函数的当前最优值，当所述f_orig(r)的取值次数达到了设定的迭代次数，并且所述目标函数的当前最优值小于设定的门限值，则确定所述目标函数的当前最优值为所述目标函数的最终值。

判断所述f_orig(r)的取值次数是否达到了设定的迭代次数，如果不是，继续根据所述参数σ、

的取值区间随机选取所述f_orig(r)的取值

开根据所述X₁计算出所述目标函数的取值f(X₁)，执行所述目标函数的当前最优解的判断确定过程；否则，当所述目标函数的当前最优值小于设定的门限值时，则确定所述目标函数的当前最优值为所述目标函数的最终值；当所述目标函数的当前最优值不小于设定的门限值时，将所述f_orig(r)的取值次数重新设置为1，继续根据所述参数σ、

的取值区间随机选取所述f_orig(r)的取值

并根据所述X₁计算出所述目标函数的取值f(X₁)，执行所述目标函数的当前最优解的判断确定过程。

获取所述目标函数的最终值对应的所述f_orig(r)的取值，根据该f_orig(r)的取值获取烟颗粒的粒径分布。

上述反演算法的具有处理流程如下：

(1)随机产生一个初始最优值，该初始最优值是在参数σ、

可能取值的区间内的一个随机数，例如在烟颗粒情况下为30纳米到1500纳米之间，以该初始最优值为当前最优值X(0)＝X₀，其中X₀为一个向量，即

将所述f_orig(r)的取值次数设置为1。

将X₀对应的

带入到上述E_ij(θ)的计算公式中，并根据上述目标函数计算X₀对应的目标函数值f(X₀)。设置充分大的初始温度T＝T₀，初始降温次数NUM＝0，上述T₀为正整数，比如，T₀＝1000，降温策略为T_NUM＝0.8×T_NUM-1。

(2)设置循环计数器初值k＝1，并设置最大循环次数LOOPmax，即设定的迭代次数。

(3)根据所述参数σ、

的取值区间随机选取所述f_orig(r)的取值

将所述f_orig(r)的取值次数加1，根据所述X₁计算出所述目标函数的取值f(X₁)。并计算目标函数值的增量Δf，Δf＝f(X₁)-f(X₀)。

(4)若Δf＜0，接受X₁为当前最优解；若Δf＞0，且p＝exp(-Δf/T₀)大于0到1之间的一个随机数，接受X₁为当前最优解；否则当前最优解仍然为X₀。循环计数器k加1。

(5)若k＜LOOPmax，k＝k+1，转向第三步；如果k＞LOOPmax，但不满足停止规则，本反演方法中的停止规则可以设置为误差函数的一个门限值δ_E，误差函数如果小于这个值，就认为得出分布函数的参数。停止规则要根据具体的使用情况来设定，在工业测量中精度要求低，速度要求高的情况下通常会设置较高的门限值。根据温度下降函数降温T＝T_NUM，降温次数NUM＝NUM+1，转向第二步。若k＞LOOPmax，且满足停止规则，则确定所述目标函数的当前最优值为所述目标函数的最终值，计算结束。

获取所述目标函数的最终值对应的所述f_orig(r)的取值

根据

获取烟颗粒的粒径分布。

上述反演算法在实际运用中可根据所需要的粒径反演精度进行调整。对于工业应用中在线测量对精度要求不是很高，而对粒径测量实时性要求比较高的情况下，可以减少测量角度，以及减少使用的Mueller散射矩阵元素的数量，并且可以加快降温速率，如将降温策略改为T_n＝0.7×T_n-1，也可以根据实际中粒径分布的范围缩小随机增量的搜索空间。

实施例二

该实施例提供了一种测量烟颗粒的粒径的装置，该装置可以设置于图1所示的计算机中，其具体实现结构如图4所示，具体可以包括：

散射矩阵建立模块41，用于根据烟颗粒的散射光的直流分量和谐波分量建立烟颗粒的散射光的散射矩阵；

目标函数建立模块42，用于根据所述散射矩阵建立模块所建立的散射矩阵建立烟颗粒的粒径参数的目标函数；

烟颗粒粒径分布计算模块43，用于利用所述散射矩阵建立模块所建立的散射矩阵和所述目标函数建立模块所建立的目标函数通过反演算法，获取所述目标函数的最优值，根据所述最优值得到所述烟颗粒的粒径分布。

具体的，所述的散射矩阵建立模块41，还用于获取激光通过烟颗粒所在的区域产生的散射光，对所述散射光进行低通滤波得到直流分量，通过锁相放大器检测得到所述散射光的一阶和二阶谐波分量；

根据所述直流分量、一阶和二阶谐波分量的组成的线性方程组建立烟颗粒的散射光的米勒Mueller散射矩阵F；

$F=\left(\begin{array}{cccc}{F}_{11}\left(\mathrm{\θ}\right)& F_{12}\left(\mathrm{\θ}\right)& 0& 0\\ F_{12}\left(\mathrm{\θ}\right)& F_{22}\left(\mathrm{\θ}\right)& 0& 0\\ 0& 0& F_{33}\left(\mathrm{\θ}\right)& F_{34}\left(\mathrm{\θ}\right)\\ 0& 0& -F_{34}\left(\mathrm{\θ}\right)& F_{44}\left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right)$

所述θ是所述激光发射到烟颗粒所在的区域的入射角度，所述F₁₁(θ)是入射光强度与散射光强度之间的传输特性，所述F₁₂(θ)是与散射平面平行的线偏振光，以及与散射平面垂直的线偏振光的消偏振率，所述F₂₂(θ)是与散射平面垂直的入射线偏振光到与散射平面垂直的散射线偏振光的传输特性，所述F₃₃(θ)是与散射平面呈±45°夹角的线偏振入射光到与散射平面呈±45°夹角的线偏振散射光的传输特性，所述F₃₄(θ)是圆偏振入射光到与散射平面呈±45°角的线偏振散射光的传输特性，所述F₄₄(θ)是圆偏振入射光到圆偏振散射光的传输特性；

将所述米勒Mueller散射矩阵F中的除了F₁₁(θ)以外的其他矩阵元素都除以F₁₁(θ)，并且F₁₁(θ)其他角度的值除以F₁₁(θ)在0度角的值，得到归一化的Mueller散射矩阵F。

具体的，所述的目标函数建立模块42，还用于设待求解的烟颗粒的粒径分布函数为

所述σ是烟颗粒的粒径的分布参数，所述

是所述烟颗粒的粒径的尺寸参数；

烟颗粒的粒径参数的目标函数

所述

所述F_ij(D，θ)是粒径为D的单个烟颗粒的归一化的Muller散射矩阵中的某一个矩阵元素，所述E_ij(θ)是烟颗粒群中所有烟颗粒的归一化的Muller散射矩阵的某一个矩阵元素的叠加，所述δ是烟颗粒群中所有烟颗粒的归一化的Muller散射矩阵的全部矩阵元素的叠加，所述d₀表示所述D的最小值，所述d_M表示所述D的最大值，所述E′_ij(θ)在D和θ角固定的情况下是一个固定的实验数值，所述M表示所述θ的取值个数，所述θ₀表示所述θ的最小值，所述θ_k表示所述θ的最大值。

具体的，所述的烟颗粒粒径分布计算模块33，还用于根据所述参数σ、

的取值区间随机选取所述f_orig(r)的初始值

将所述f_orig(r)的取值次数设置为1，根据所述X₀计算出

并计算出所述X₀对应的所述目标函数的初始值f(X₀)，将所述f(X₀)作为所述f_orig(r)的第一次的最优值；

根据所述参数σ、的取值区间随机选取所述f_orig(r)的取值

将所述f_orig(r)的取值次数加1，根据所述X₁计算出所述目标函数的取值f(X₁)；

根据所述f(X₁)和所述目标函数的上一次的最优值之间的大小关系确定所述目标函数的当前最优值，当所述f_orig(r)的取值次数达到了设定的迭代次数，并且所述目标函数的当前最优值小于设定的门限值，则确定所述标函数的当前最优值为所述目标函数的最终值；

获取所述目标函数的最终值对应的所述f_orig(r)的取值，根据该f_orig(r)的取值获取烟颗粒的粒径分布。

具体的，所述的烟颗粒粒径分布计算模块43，还用于计算目标函数值的增量Δf，Δf＝f(X₁)-f(X₀)，所述f(X₀)为所述目标函数的上一次的最优值，若Δf＜0，则f(X₁)为所述目标函数的当前最优解；若Δf＞0，判断p＝exp(-Δf/T₀)是否大于0到1之间的一个随机数，所述T₀为设定的整数，如果是，则f(X₁)为所述目标函数的当前最优解；否则，所述目标函数的当前最优解仍然为f(X₀)；

判断所述f_orig(r)的取值次数是否达到了设定的迭代次数，如果不是，继续根据所述参数σ、

的取值区间随机选取所述f_orig(r)的取值

开根据所述X₁计算出所述目标函数的取值f(X₁)，执行所述目标函数的当前最优解的判断过程；否则，当所述目标函数的当前最优值小于设定的门限值时，则确定所述标函数的当前最优值为所述目标函数的最终值；当所述目标函数的当前最优值不小于设定的门限值时，将所述f_orig(r)的取值次数重新设置为1，继续根据所述参数σ、

的取值区间随机选取所述f_orig(r)的取值

开根据所述X₁计算出所述目标函数的取值f(X₁)，执行所述目标函数的当前最优解的判断过程。

应用本发明实施例的装置测量烟颗粒的粒径的具体过程与前述方法实施例类似，此处不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。

综上所述，本发明实施例从完全反映颗粒的光散射特性的Mueller矩阵出发，结合全局搜索能力很强的模拟退火算法，实现了对火灾等烟颗粒的光散射球形模型下的粒径反演，从而可以有效地测量火灾等烟颗粒的粒径分布。

本发明实施例克服了随机噪声对粒径反演结果的影响很大的问题，在相对强度为信号最大值3％的随机噪声干扰下，反演结果的误差都小于0.3％，解决现有粒径反演方法抗干扰能力不强的问题。

本发明实施例充分利用了多个Mueller散射矩阵元测量数据，避免了只利用散射光强或是偏振度的角分布测量数据进行反演容易出现的复杂形貌颗粒粒径分布反演的失真现象，解决现有粒径反演方法对测量复杂形貌的烟颗粒群粒径分布时精度不高的问题。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种测量烟颗粒的粒径的方法，其特征在于，包括：

根据烟颗粒的散射光的直流分量和谐波分量建立烟颗粒的散射光的散射矩阵；

根据所述散射矩阵建立烟颗粒的粒径参数的目标函数，利用所述散射矩阵和目标函数通过反演算法，获取所述目标函数的最优值，根据所述最优值得到所述烟颗粒的粒径分布。

2.根据权利要求1所述的测量烟颗粒的粒径的方法，其特征在于，所述的根据烟颗粒的散射光的直流分量和谐波分量建立烟颗粒的散射光的散射矩阵，包括：

获取激光通过烟颗粒所在的区域产生的散射光，对所述散射光进行低通滤波得到直流分量，通过锁相放大器检测得到所述散射光的一阶和二阶谐波分量；

根据所述直流分量、一阶和二阶谐波分量的组成的线性方程组建立烟颗粒的散射光的米勒Mueller散射矩阵F；

$F=\left(\begin{array}{cccc}{F}_{11}\left(\mathrm{\θ}\right)& F_{12}\left(\mathrm{\θ}\right)& 0& 0\\ F_{12}\left(\mathrm{\θ}\right)& F_{22}\left(\mathrm{\θ}\right)& 0& 0\\ 0& 0& F_{33}\left(\mathrm{\θ}\right)& F_{34}\left(\mathrm{\θ}\right)\\ 0& 0& -F_{34}\left(\mathrm{\θ}\right)& F_{44}\left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right)$

所述θ是所述激光发射到烟颗粒所在的区域的入射角度，所述F₁₁(θ)是入射光强度与散射光强度之间的传输特性，所述F₁₂(θ)是与散射平面平行的线偏振光，以及与散射平面垂直的线偏振光的消偏振率，所述F₂₂(θ)是与散射平面垂直的入射线偏振光到与散射平面垂直的散射线偏振光的传输特性，所述F₃₃(θ)是与散射平面呈±45°夹角的线偏振入射光到与散射平面呈±45°夹角的线偏振散射光的传输特性，所述F₃₄(θ)是圆偏振入射光到与散射平面呈±45°角的线偏振散射光的传输特性，所述F₄₄(θ)是圆偏振入射光到圆偏振散射光的传输特性；

将所述米勒Mueller散射矩阵F中的除了F₁₁(θ)以外的其他矩阵元素都除以F₁₁(θ)，并且F₁₁(θ)其他角度的值除以F₁₁(θ)在0度角的值，得到归一化的Mueller散射矩阵F。

3.根据权利要求2所述的测量烟颗粒的粒径的方法，其特征在于，所述的根据所述散射矩阵建立烟颗粒的粒径参数的目标函数包括：

设待求解的烟颗粒的粒径分布函数为所述σ是烟颗粒的粒径的分布参数，所述

是所述烟颗粒的粒径的尺寸参数；

烟颗粒的粒径参数的目标函数

所述

所述F_ij(D，θ)是粒径为D的单个烟颗粒的归一化的Mueller散射矩阵中的某一个矩阵元素，所述E_ij(θ)是烟颗粒群中所有烟颗粒的归一化的Mueller散射矩阵的某一个矩阵元素的叠加，所述δ是烟颗粒群中所有烟颗粒的归一化的Mueller散射矩阵的全部矩阵元素的叠加，所述d₀表示所述D的最小值，所述d_M表示所述D的最大值，所述E′_ij(θ)在D和θ角固定的情况下是一个固定的实验数值，所述M表示所述θ的取值个数，所述θ₀表示所述θ的最小值，所述θ_k表示所述θ的最大值。

4.根据权利要求3所述的测量烟颗粒的粒径的方法，其特征在于，所述的根据所述散射矩阵和目标函数通过反演算法，获取所述目标函数的最优值，根据所述最优值得到所述烟颗粒的粒径分布，包括：

根据所述参数σ、

的取值区间随机选取所述f_orig(r)的初始值将所述f_orig(r)的取值次数设置为1，根据所述X₀计算出

并计算出所述X₀对应的所述目标函数的初始值f(X₀)，将所述f(X₀)作为所述f_orig(r)的第一次的最优值；

根据所述参数σ、

的取值区间随机选取所述f_orig(r)的取值

将所述f_orig(r)的取值次数加1，根据所述X₁计算出所述目标函数的取值f(X₁)；

根据所述f(X₁)和所述目标函数的上一次的最优值之间的大小关系确定所述目标函数的当前最优值，当所述f_orig(r)的取值次数达到了设定的迭代次数，并且所述目标函数的当前最优值小于设定的门限值，则确定所述标函数的当前最优值为所述目标函数的最终值；

获取所述目标函数的最终值对应的所述f_orig(r)的取值，根据该f_orig(r)的取值获取烟颗粒的粒径分布。

5.根据权利要求4所述的测量烟颗粒的粒径的方法，其特征在于，所述的根据所述f(X₁)和所述目标函数的上一次的最优值之间的大小关系确定所述目标函数的当前最优值，当所述f_orig(r)的取值次数达到了设定的迭代次数，并且所述目标函数的当前最优值小于设定的门限值，则确定所述目标函数的当前最优值为所述目标函数的最终值，包括：

计算目标函数值的增量Δf，Δf＝f(X₁)-f(X₀)，所述f(X₀)为所述目标函数的上一次的最优值，若Δf＜0，则f(X₁)为所述目标函数的当前最优解；若Δf＞0，判断p＝exp(-Δf/T₀)是否大于0到1之间的一个随机数，所述T₀为设定的整数，如果是，则f(X₁)为所述目标函数的当前最优解；否则，所述目标函数的当前最优解仍然为f(X₀)；

判断所述f_orig(r)的取值次数是否达到了设定的迭代次数，如果不是，继续根据所述参数σ、

的取值区间随机选取所述f_orig(r)的取值

开根据所述X₁计算出所述目标函数的取值f(X₁)，执行所述目标函数的当前最优解的判断过程；否则，当所述目标函数的当前最优值小于设定的门限值时，则确定所述目标函数的当前最优值为所述目标函数的最终值；当所述目标函数的当前最优值不小于设定的门限值时，将所述f_orig(r)的取值次数重新设置为1，继续根据所述参数σ、

的取值区间随机选取所述f_orig(r)的取值

并根据所述X₁计算出所述目标函数的取值f(X₁)，执行所述目标函数的当前最优解的判断过程。

6.一种测量烟颗粒的粒径的装置，其特征在于，包括：。

散射矩阵建立模块，用于根据烟颗粒的散射光的直流分量和谐波分量建立烟颗粒的散射光的散射矩阵；

目标函数建立模块，用于根据所述散射矩阵建立模块所建立的散射矩阵建立烟颗粒的粒径参数的目标函数；

烟颗粒粒径分布计算模块，用于利用所述散射矩阵建立模块所建立的散射矩阵和所述目标函数建立模块所建立的目标函数通过反演算法，获取所述目标函数的最优值，根据所述最优值得到所述烟颗粒的粒径分布。

7.根据权利要求6所述的测量烟颗粒的粒径的装置，其特征在于：

所述的散射矩阵建立模块，还用于获取激光通过烟颗粒所在的区域产生的散射光，对所述散射光进行低通滤波得到直流分量，通过锁相放大器检测得到所述散射光的一阶和二阶谐波分量；

根据所述直流分量、一阶和二阶谐波分量的组成的线性方程组建立烟颗粒的散射光的米勒Mueller散射矩阵F；

$F=\left(\begin{array}{cccc}{F}_{11}\left(\mathrm{\θ}\right)& F_{12}\left(\mathrm{\θ}\right)& 0& 0\\ F_{12}\left(\mathrm{\θ}\right)& F_{22}\left(\mathrm{\θ}\right)& 0& 0\\ 0& 0& F_{33}\left(\mathrm{\θ}\right)& F_{34}\left(\mathrm{\θ}\right)\\ 0& 0& -F_{34}\left(\mathrm{\θ}\right)& F_{44}\left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right)$

所述θ是所述激光发射到烟颗粒所在的区域的入射角度，所述F₁₁(θ)是入射光强度与散射光强度之间的传输特性，所述F₁₂(θ)是与散射平面平行的线偏振光，以及与散射平面垂直的线偏振光的消偏振率，所述F₂₂(θ)是与散射平面垂直的入射线偏振光到与散射平面垂直的散射线偏振光的传输特性，所述F₃₃(θ)是与散射平面呈±45°夹角的线偏振入射光到与散射平面呈±45°夹角的线偏振散射光的传输特性，所述F₃₄(θ)是圆偏振入射光到与散射平面呈±45°角的线偏振散射光的传输特性，所述F₄₄(θ)是圆偏振入射光到圆偏振散射光的传输特性；

将所述米勒Mueller散射矩阵F中的除了F₁₁(θ)以外的其他矩阵元素都除以F₁₁(θ)，并且F₁₁(θ)其他角度的值除以F₁₁(θ)在0度角的值，得到归一化的Mueller散射矩阵F。

8.根据权利要求7所述的测量烟颗粒的粒径的装置，其特征在于：

所述的目标函数建立模块，还用于设待求解的烟颗粒的粒径分布函数为

所述σ是烟颗粒的粒径的分布参数，所述

是所述烟颗粒的粒径的尺寸参数；

烟颗粒的粒径参数的目标函数

所述所述F_ij(D，θ)是粒径为D的单个烟颗粒的归一化的Mueller散射矩阵中的某一个矩阵元素，所述E_ij(θ)是烟颗粒群中所有烟颗粒的归一化的Mueller散射矩阵的某一个矩阵元素的叠加，所述δ是烟颗粒群中所有烟颗粒的归一化的Muller散射矩阵的全部矩阵元素的叠加，所述d₀表示所述D的最小值，所述d_M表示所述D的最大值，所述E′_ij(θ)在D和θ角固定的情况下是一个固定的实验数值，所述M表示所述θ的取值个数，所述θ₀表示所述θ的最小值，所述θ_k表示所述θ的最大值。

9.根据权利要求8所述的测量烟颗粒的粒径的装置，其特征在于：

所述的烟颗粒粒径分布计算模块，还用于根据所述参数σ、

的取值区间随机选取所述f_orig(r)的初始值

将所述f_orig(r)的取值次数设置为1，根据所述X₀计算出

并计算出所述X₀对应的所述目标函数的初始值f(X₀)，将所述f(X₀)作为所述f_orig(r)的第一次的最优值；

根据所述参数σ、

的取值区间随机选取所述f_orig(r)的取值

将所述f_orig(r)的取值次数加1，根据所述X₁计算出所述目标函数的取值f(X₁)；

根据所述f(X₁)和所述目标函数的上一次的最优值之间的大小关系确定所述目标函数的当前最优值，当所述f_orig(r)的取值次数达到了设定的迭代次数，并且所述目标函数的当前最优值小于设定的门限值，则确定所述目标函数的当前最优值为所述目标函数的最终值；

获取所述目标函数的最终值对应的所述f_orig(r)的取值，根据该f_orig(r)的取值获取烟颗粒的粒径分布。

10.根据权利要求9所述的测量烟颗粒的粒径的装置，其特征在于：

所述的烟颗粒粒径分布计算模块，还用于计算目标函数值的增量Δf，Δf＝f(X₁)-f(X₀)，所述f(X₀)为所述目标函数的上一次的最优值，若Δf＜0，则f(X₁)为所述目标函数的当前最优解；若Δf＞0，判断p＝exp(-Δf/T₀)是否大于0到1之间的一个随机数，所述T₀为设定的整数，如果是，则f(X₁)为所述目标函数的当前最优解；否则，所述目标函数的当前最优解仍然为f(X₀)；

判断所述f_orig(r)的取值次数是否达到了设定的迭代次数，如果不是，继续根据所述参数σ、

的取值区间随机选取所述f_orig(r)的取值

开根据所述X₁计算出所述目标函数的取值f(X₁)，执行所述目标函数的当前最优解的判断过程；否则，当所述目标函数的当前最优值小于设定的门限值时，则确定所述目标函数的当前最优值为所述目标函数的最终值；当所述目标函数的当前最优值不小于设定的门限值时，将所述f_orig(r)的取值次数重新设置为1，继续根据所述参数σ、的取值区间随机选取所述f_orig(r)的取值

并根据所述X₁计算出所述目标函数的取值f(X₁)，执行所述目标函数的当前最优解的判断过程。

Images