CN104634705A - 一种基于连续激光的球形颗粒光谱复折射率与颗粒系粒径分布的获得方法 - Google Patents

Abstract

一种基于连续激光的球形颗粒光谱复折射率与颗粒系粒径分布的获得方法，属于颗粒光学特性测量技术领域。它为了解决常规的球形颗粒光谱复折射率与颗粒系粒径分布获得方法不能直接测量以及测量结果不准确的问题。本发明通过建立球形颗粒系反射信号、透射信号和准直透射信号测量的正问题和逆问题求解模型，同时反演得到球形颗粒的光谱复折射率以及颗粒系粒径分布情况。本发明采用连续激光，该激光器价格低且模型简单，便于理论求解；采用Mie理论模型，能够精确的反应出颗粒的电磁散射特性；采用量子微粒群优化算法，具有简单、高效和灵敏度高等优点。本发明适用于颗粒光学特性的测量。

Description

一种基于连续激光的球形颗粒光谱复折射率与颗粒系粒径分布的获得方法

技术领域

本发明涉及一种基于连续激光技术的球形颗粒光谱复折射率与颗粒系粒径分布同时反演方法，属于颗粒光学特性测量技术领域。

背景技术

颗粒系统涉及冶金、动力、建筑、医药、生物、航空航天、军事以及大气科学等众多领域。颗粒的吸收散射以及发射等性质在许多工程及环境系统内扮演着重要的角色，因此对颗粒的光谱复折射率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。

颗粒光学特性的实验研究方法有反射法、透射法和散射法等，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谱复折射率进行计算。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。

发明内容

本发明的目的是为了解决常规的球形颗粒光谱复折射率与颗粒系粒径分布的获得方法不能直接测量以及测量结果不准确的问题，提供一种基于连续激光的球形颗粒光谱复折射率与颗粒系粒径分布的获得方法。

本发明所述的一种基于连续激光的球形颗粒光谱复折射率与颗粒系粒径分布的获得方法包括以下步骤：

步骤一，制作厚度分别为L1和L2的样本容器，将待测颗粒以相同浓度装入两个样本容器内，并保证两个样本容器内的样本颗粒系始终处于悬浮状态；

步骤二，利用波长为λ₁的连续激光沿着与厚度为L₁的样本容器表面垂直的方向入射到该样本容器内的样本颗粒系，所述表面为该样本颗粒系的左侧表面，用探测器在该样本颗粒系的左侧表面测量半球反射信号，在该样本颗粒系的右侧表面测量半球透射信号以及准直透射信号，分别获得该样本颗粒系的半球反射信号R_mea(L₁,λ₁)、半球透射信号T_mea(L₁,λ₁)和准直透射信号T_c,mea(L₁,λ₁)；同理，使用另一波长λ₂的连续激光重复上述操作，获得该样本颗粒系的半球反射信号R_mea(L₁,λ₂)、半球透射信号T_mea(L₁,λ₂)和准直透射信号T_c,mea(L₁,λ₂)；

步骤三，将厚度为L₁的样本容器替换为厚度为L₂的容器，重复步骤二的操作；

步骤四，利用逆问题求解思路假设出样本颗粒系对应波长的光谱复折射率为m(λ)＝n(λ)+ik(λ)，λ＝λ₁或λ₂，通过Mie理论计算出单个颗粒的吸收截面和散射截面，然后结合已知的该样本颗粒系的颗粒总数和假设的粒径分布情况，计算得出该样本颗粒系的吸收系数κ_a和散射系数κ_s；

步骤五，利用R_mea(L₁,λ₁)、T_mea(L₁,λ₁)、T_c,mea(L₁,λ₁)、R_mea(L₁,λ₂)、T_mea(L₁,λ₂)和T_c,mea(L₁,λ₂)对辐射传输方程进行求解，获得计算域内的辐射强度场；

步骤六，利用步骤四获得的吸收系数和散射系数以及步骤五获得的辐射强度场，结合公式：

$R_{\mathrm{est}}(L,\mathrm{\λ})=\frac{2\mathrm{\π}}{I_{0,\mathrm{\λ}}}{\∫}_{\mathrm{\π}/2}^{\mathrm{\π}}{I}_{\mathrm{\λ}}(0,\mathrm{\θ})\cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\θd\θ}$

$T_{\mathrm{est}}(L,\mathrm{\λ})=\frac{1}{I_{0,\mathrm{\λ}}}[2\mathrm{\π}{\∫}_0^{\mathrm{\π}/2}{I}_{\mathrm{\λ}}(L,\mathrm{\θ})\cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\θd\θ}+I_{c,\mathrm{\λ}}(L,{\mathrm{\θ}}_c)]$

T_c,est(L,λ)＝I_c,λ(L,θ_c)/I_0,λ

获得左侧边界的反射信号的预测值R_est(L,λ)、右侧边界的透射信号的预测值T_est(L,λ)以及右侧边界准直透射信号的预测值T_c,est(L,λ)；式中L表示样本容器的厚度；λ表示激光的波长；I_0,λ是波长为λ的连续激光的强度；x为样本容器的厚度方向，I_λ(0,θ)为θ方向上x＝0处即左侧边界上散射光的辐射强度，θ为辐射方向角；I_λ(L,θ)为θ方向上x＝L处即右侧边界上散射光的辐射强度；I_c,λ(L,θ_c)为连续激光沿着入射方向θ_c衰减到样本右侧壁面时的辐射强度，θ_c为连续激光入射方向角，且θ_c＝0；

步骤七，利用步骤二和三中获得的两组左侧边界处的反射信号R_mea(L,λ)、右侧边界处的透射信号T_mea(L,λ)和步骤六中相应的预测值，结合公式：

$F_{1,\mathrm{obj}}=\underset{i=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}[{\left(\frac{R_{\mathrm{est}}(L_i,{\mathrm{\λ}}_j)-R_{\mathrm{mea}}(L_i,{\mathrm{\λ}}_j)}{R_{\mathrm{mea}}(L_i,{\mathrm{\λ}}_j)}\right)}^2+{\left(\frac{T_{\mathrm{est}}(L_i,{\mathrm{\λ}}_j)-T_{\mathrm{mea}}(L_i,{\mathrm{\λ}}_j)}{T_{\mathrm{mea}}(L_i,{\mathrm{\λ}}_j)}\right)}^2]$

获得逆问题算法中的目标函数F_1,obj；

步骤八，判断步骤七中的目标函数值是否小于设定阈值ε₁，若是，则将步骤四中获得的待测颗粒系的两组颗粒光谱复折射率m(λ)＝n(λ)+ik(λ)作为结果输出，否则返回步骤四重新修正假设的光谱复折射率以及粒径分布情况；

步骤九，重复步骤四至六的操作，其中步骤四的光谱复折射率不需要重新假设，而是使用步骤八输出的两组光谱复折射率；

步骤十，利用步骤二和三中获得的两组右侧边界处的准直透射信号T_c,mea(L,λ)与步骤六中相应的预测值，结合公式：

获得逆问题算法中的目标函数F_2,obj；

步骤十一，判断步骤七中的目标函数是否小于设定阈值ε₂，若是，则将步骤四中获得的待测颗粒系的两组粒径分布作为结果输出，完成基于连续激光技术的球形颗粒光谱复折射率与颗粒系粒径分布同时反演，否则返回步骤四重新修正粒径分布情况。

所述的步骤四和步骤七中的逆问题采用量子微粒群优化算法实现。

步骤五中，采用下述辐射传输方程获得计算域内的辐射场强度：

$\frac{\∂I(x,\mathrm{\θ})}{\∂x}=-({\mathrm{\κ}}_a+{\mathrm{\κ}}_s)I(x,\mathrm{\θ})+\frac{{\mathrm{\κ}}_s}{2}{\∫}_0^{\mathrm{\π}}I(x,{\mathrm{\θ}}^{\′})\mathrm{\Φ}({\mathrm{\θ}}^{\′},\mathrm{\θ})\sin {\mathrm{\θ}}^{\′}{\mathrm{d\θ}}^{\′}$

$I(0,\mathrm{\&theta;})=(1-{\mathrm{\&rho;}}_0)I_0+{2\mathrm{\&rho;}}_1{\&Integral;}_{\mathrm{\&pi;}/2}^{\mathrm{\&pi;}}I(0,{\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;})\cos {\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}\sin {\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}d{\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;},0\&le;\mathrm{\&theta;}<\mathrm{\&pi;}/2$

$I(L,\mathrm{\&theta;})=2(1-{\mathrm{\&rho;}}_1){\&Integral;}_0^{\mathrm{\&pi;}/2}I(L,{\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;})\cos {\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}\sin {\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}d{\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;},0\&le;\mathrm{\&theta;}<\mathrm{\&pi;}/2$

式中I(x,θ)为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′为入射方向，Φ(θ′,θ)是从θ′方向入射并从θ方向散射出去的散射相函数，I(0,θ)为θ方向x＝0处即左侧边界上的辐射强度，I(L,θ)为θ方向x＝L处即右侧边界上的辐射强度；

c是介质中的光速；

ρ₀是由环境进入颗粒系时的反射率；

ρ₁为由颗粒系进入环境时的反射率；

I₀是入射的连续激光的辐射强度。

所述步骤四中的颗粒系的粒径分布情况通过下述公式表示：

$f_{R-R}\left(a\right)=\frac{\mathrm{\&sigma;}}{\stackrel{\&OverBar;}{a}}\&times;{\left(\frac{a}{\stackrel{\&OverBar;}{a}}\right)}^{\mathrm{\&sigma;}-1}\&times;\exp [-{\left(\frac{a}{\stackrel{\&OverBar;}{a}}\right)}^{\mathrm{\&sigma;}}]$

$f_{N-N}\left(a\right)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}\mathrm{\&sigma;}}\&times;\exp [-\frac{{(a-\stackrel{\&OverBar;}{a})}^2}{{2\mathrm{\&sigma;}}^2}]$

$f_{L-N}\left(a\right)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}a\ln \mathrm{\&sigma;}}\&times;\exp [-\frac{{(\ln a-\ln \stackrel{\&OverBar;}{a})}^2}{2{\left(\ln \mathrm{\&sigma;}\right)}^2}]$

式中a表示球形颗粒半径；σ表示粒径的平均几何偏差；表示颗粒系的特征尺寸参数，用于表示峰值粒径。

本发明通过建立球形颗粒系反射信号、透射信号和准直透射信号测量的正问题和逆问题求解模型，同时反演得到球形颗粒的光谱复折射率以及颗粒系粒径分布情况。解决了颗粒光谱复折射率以及颗粒系粒径分布不能直接测量和测量结果不准确的问题。优点在于：采用连续激光，该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，能很精确的反应出颗粒的电磁散射特性；采用量子微粒群优化算法，该算法求解优化问题时有简单、高效和灵敏度高等优点。该项发明为研究球形颗粒的光谱复折射率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为本发明所述的一种基于连续激光的球形颗粒光谱复折射率与颗粒系粒径分布的获得方法的原理示意图，图中左侧实心箭头为连续激光入射方向，左侧的空心箭头方向为半球反射信号方向，右侧的空心箭头方向为半球透射信号方向，右侧实心箭头为准直透射信号方向。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于连续激光的球形颗粒光谱复折射率与颗粒系粒径分布的获得方法包括以下步骤：

步骤一，制作厚度分别为L1和L2的样本容器，将待测颗粒以相同浓度装入两个样本容器内，并保证两个样本容器内的样本颗粒系始终处于悬浮状态；

该步骤中，样本颗粒系始终处于悬浮状态可以确保样本容器内的颗粒系是均匀分布；

步骤二，利用波长为λ₁的连续激光沿着与厚度为L₁的样本容器表面垂直的方向入射到该样本容器内的样本颗粒系，所述表面为该样本颗粒系的左侧表面，用探测器在该样本颗粒系的左侧表面测量半球反射信号，在该样本颗粒系的右侧表面测量半球透射信号以及准直透射信号，分别获得该样本颗粒系的半球反射信号R_mea(L₁,λ₁)、半球透射信号T_mea(L₁,λ₁)和准直透射信号T_c,mea(L₁,λ₁)；同理，使用另一波长λ₂的连续激光重复上述操作，获得该样本颗粒系的半球反射信号R_mea(L₁,λ₂)、半球透射信号T_mea(L₁,λ₂)和准直透射信号T_c,mea(L₁,λ₂)；

步骤三，将厚度为L₁的样本容器替换为厚度为L₂的容器，重复步骤二的操作；

步骤四，利用逆问题求解思路假设出样本颗粒系对应波长的光谱复折射率为m(λ)＝n(λ)+ik(λ)，λ＝λ₁或λ₂，通过Mie理论计算出单个颗粒的吸收截面和散射截面，然后结合已知的该样本颗粒系的颗粒总数和假设的粒径分布情况，计算得出该样本颗粒系的吸收系数κ_a和散射系数κ_s；

该步骤中，首先利用逆问题求解思路给出两个波长下的假设的光谱复折射率的值m(λ₁)＝n(λ₁)+ik(λ₁)和m(λ₂)＝n(λ₂)+ik(λ₂)，以及假设的粒径分布情况，本颗粒系的颗粒总数为以知；

步骤五，利用R_mea(L₁,λ₁)、T_mea(L₁,λ₁)、T_c,mea(L₁,λ₁)、R_mea(L₁,λ₂)、T_mea(L₁,λ₂)和T_c,mea(L₁,λ₂)对辐射传输方程进行求解，获得计算域内的辐射强度场；

步骤二和步骤三中对两个厚度的样本容器分别用两个波长的连续激光进行照射，共照射四次，对这四种情况下的辐射传输方程的求解，获得计算域内的辐射强度场；

步骤六，利用步骤四获得的吸收系数和散射系数以及步骤五获得的辐射强度场，结合公式：

$R_{\mathrm{est}}(L,\mathrm{\&lambda;})=\frac{2\mathrm{\&pi;}}{I_{0,\mathrm{\&lambda;}}}{\&Integral;}_{\mathrm{\&pi;}/2}^{\mathrm{\&pi;}}{I}_{\mathrm{\&lambda;}}(0,\mathrm{\&theta;})\cos \mathrm{\&theta;}\sin \mathrm{\&theta;d\&theta;}$

$T_{\mathrm{est}}(L,\mathrm{\&lambda;})=\frac{1}{I_{0,\mathrm{\&lambda;}}}[2\mathrm{\&pi;}{\&Integral;}_0^{\mathrm{\&pi;}/2}{I}_{\mathrm{\&lambda;}}(L,\mathrm{\&theta;})\cos \mathrm{\&theta;}\sin \mathrm{\&theta;d\&theta;}+I_{c,\mathrm{\&lambda;}}(L,{\mathrm{\&theta;}}_c)]$

T_c,est(L,λ)＝I_c,λ(L,θ_c)/I_0,λ

获得左侧边界的反射信号的预测值R_est(L,λ)、右侧边界的透射信号的预测值T_est(L,λ)以及右侧边界准直透射信号的预测值T_c,est(L,λ)；式中L表示样本容器的厚度；λ表示激光的波长；I_0,λ是波长为λ的连续激光的强度；x为样本容器的厚度方向，I_λ(0,θ)为θ方向上x＝0处即左侧边界上散射光的辐射强度，θ为辐射方向角；I_λ(L,θ)为θ方向上x＝L处即右侧边界上散射光的辐射强度；I_c,λ(L,θ_c)为连续激光沿着入射方向θ_c衰减到样本右侧壁面时的辐射强度，θ_c为连续激光入射方向角，且θ_c＝0；

步骤七，利用步骤二和三中获得的两组左侧边界处的反射信号R_mea(L,λ)、右侧边界处的透射信号T_mea(L,λ)和步骤六中相应的预测值，结合公式：

$F_{1,\mathrm{obj}}=\underset{i=1}{\overset{2}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{2}{\mathrm{\&Sigma;}}}[{\left(\frac{R_{\mathrm{est}}(L_i,{\mathrm{\&lambda;}}_j)-R_{\mathrm{mea}}(L_i,{\mathrm{\&lambda;}}_j)}{R_{\mathrm{mea}}(L_i,{\mathrm{\&lambda;}}_j)}\right)}^2+{\left(\frac{T_{\mathrm{est}}(L_i,{\mathrm{\&lambda;}}_j)-T_{\mathrm{mea}}(L_i,{\mathrm{\&lambda;}}_j)}{T_{\mathrm{mea}}(L_i,{\mathrm{\&lambda;}}_j)}\right)}^2]$

获得逆问题算法中的目标函数F_1,obj；

步骤八，判断步骤七中的目标函数值是否小于设定阈值ε₁，若是，则将步骤四中获得的待测颗粒系的两组颗粒光谱复折射率m(λ)＝n(λ)+ik(λ)作为结果输出，否则返回步骤四重新修正假设的光谱复折射率以及粒径分布情况；

该步骤中，重新修正假设的光谱复折射率以及粒径分布情况是指重新假设光谱复折射率的值以及重新假设粒径分布情况；

步骤九，重复步骤四至六的操作，其中步骤四的光谱复折射率不需要重新假设，而是使用步骤八输出的两组光谱复折射率；

步骤十，利用步骤二和三中获得的两组右侧边界处的准直透射信号T_c,mea(L,λ)与步骤六中相应的预测值，结合公式：

$F_{2,\mathrm{obj}}=\underset{i=1}{\overset{2}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left[\frac{R_{c,\mathrm{est}}(L_i,{\mathrm{\&lambda;}}_j)-R_{c,\mathrm{mea}}(L_i,{\mathrm{\&lambda;}}_j)}{R_{c,\mathrm{mea}}(L_i,{\mathrm{\&lambda;}}_j)}\right]}^2$

获得逆问题算法中的目标函数F_2,obj；

步骤十一，判断步骤七中的目标函数是否小于设定阈值ε₂，若是，则将步骤四中获得的待测颗粒系的两组粒径分布作为结果输出，完成基于连续激光技术的球形颗粒光谱复折射率与颗粒系粒径分布同时反演，否则返回步骤四重新修正粒径分布情况。

本实施方式首先设计悬浮颗粒系的稳态辐射传输物理模型，然后建立相应的数学模型和求解方法，通过测量得到颗粒系的半球反射信号、半球透射信号和准直透射信号，利用逆问题理论模型的重建出颗粒系的光谱复折射率以及粒径分布。忽略入射激光其对颗粒系的加热作用，被测颗粒系的反射信号、透射信号和准直透射信号测量过程可以被考虑成一个一维稳态纯辐射传输问题。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的一种基于连续激光的球形颗粒光谱复折射率与颗粒系粒径分布的获得方法的进一步限定，本实施方式中，所述的步骤四和步骤七中的逆问题采用量子微粒群优化算法实现。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的一种基于连续激光的球形颗粒光谱复折射率与颗粒系粒径分布的获得方法的进一步限定，本实施方式中，步骤五中，采用下述辐射传输方程获得计算域内的辐射场强度：

$\frac{\&PartialD;I(x,\mathrm{\&theta;})}{\&PartialD;x}=-({\mathrm{\&kappa;}}_a+{\mathrm{\&kappa;}}_s)I(x,\mathrm{\&theta;})+\frac{{\mathrm{\&kappa;}}_s}{2}{\&Integral;}_0^{\mathrm{\&pi;}}I(x,{\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;})\mathrm{\&Phi;}({\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;},\mathrm{\&theta;})\sin {\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}{\mathrm{d\&theta;}}^{\&prime;}$

$I(0,\mathrm{\&theta;})=(1-{\mathrm{\&rho;}}_0)I_0+{2\mathrm{\&rho;}}_1{\&Integral;}_{\mathrm{\&pi;}/2}^{\mathrm{\&pi;}}I(0,{\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;})\cos {\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}\sin {\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}d{\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;},0\&le;\mathrm{\&theta;}<\mathrm{\&pi;}/2$

$I(L,\mathrm{\&theta;})=2(1-{\mathrm{\&rho;}}_1){\&Integral;}_0^{\mathrm{\&pi;}/2}I(L,{\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;})\cos {\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}\sin {\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}d{\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;},0\&le;\mathrm{\&theta;}<\mathrm{\&pi;}/2$

式中I(x,θ)为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′为入射方向，Φ(θ′,θ)是从θ′方向入射并从θ方向散射出去的散射相函数，I(0,θ)为θ方向x＝0处即左侧边界上的辐射强度，I(L,θ)为θ方向x＝L处即右侧边界上的辐射强度；

c是介质中的光速；

ρ₀是由环境进入颗粒系时的反射率；

ρ₁为由颗粒系进入环境时的反射率；

I₀是入射的连续激光的辐射强度。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的一种基于连续激光的球形颗粒光谱复折射率与颗粒系粒径分布的获得方法的进一步限定，本实施方式中，所述步骤四中的颗粒系的粒径分布情况通过下述公式表示：

$f_{R-R}\left(a\right)=\frac{\mathrm{\&sigma;}}{\stackrel{\&OverBar;}{a}}\&times;{\left(\frac{a}{\stackrel{\&OverBar;}{a}}\right)}^{\mathrm{\&sigma;}-1}\&times;\exp [-{\left(\frac{a}{\stackrel{\&OverBar;}{a}}\right)}^{\mathrm{\&sigma;}}]$

$f_{N-N}\left(a\right)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}\mathrm{\&sigma;}}\&times;\exp [-\frac{{(a-\stackrel{\&OverBar;}{a})}^2}{{2\mathrm{\&sigma;}}^2}]$

$f_{L-N}\left(a\right)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}a\ln \mathrm{\&sigma;}}\&times;\exp [-\frac{{(\ln a-\ln \stackrel{\&OverBar;}{a})}^2}{2{\left(\ln \mathrm{\&sigma;}\right)}^2}]$

式中a表示球形颗粒半径；σ表示粒径的平均几何偏差；a表示颗粒系的特征尺寸参数，用于表示峰值粒径。

本实施方式中，表示颗粒系的特征尺寸参数，可以近似地表示峰值粒径。

Claims (4)

1.一种基于连续激光的球形颗粒光谱复折射率与颗粒系粒径分布的获得方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一，制作厚度分别为L1和L2的样本容器，将待测颗粒以相同浓度装入两个样本容器内，并保证两个样本容器内的样本颗粒系始终处于悬浮状态；

步骤二，利用波长为λ₁的连续激光沿着与厚度为L₁的样本容器表面垂直的方向入射到该样本容器内的样本颗粒系，所述表面为该样本颗粒系的左侧表面，用探测器在该样本颗粒系的左侧表面测量半球反射信号，在该样本颗粒系的右侧表面测量半球透射信号以及准直透射信号，分别获得该样本颗粒系的半球反射信号R_mea(L₁,λ₁)、半球透射信号T_mea(L₁,λ₁)和准直透射信号T_c,mea(L₁,λ₁)；同理，使用另一波长λ₂的连续激光重复上述操作，获得该样本颗粒系的半球反射信号R_mea(L₁,λ₂)、半球透射信号T_mea(L₁,λ₂)和准直透射信号T_c,mea(L₁,λ₂)；

步骤三，将厚度为L₁的样本容器替换为厚度为L₂的容器，重复步骤二的操作；

步骤四，利用逆问题求解思路假设出样本颗粒系对应波长的光谱复折射率为m(λ)＝n(λ)+ik(λ)，λ＝λ₁或λ₂，通过Mie理论计算出单个颗粒的吸收截面和散射截面，然后结合已知的该样本颗粒系的颗粒总数和假设的粒径分布情况，计算得出该样本颗粒系的吸收系数κ_a和散射系数κ_s；

步骤五，利用R_mea(L₁,λ₁)、T_mea(L₁,λ₁)、T_c,mea(L₁,λ₁)、R_mea(L₁,λ₂)、T_mea(L₁,λ₂)和T_c,mea(L₁,λ₂)对辐射传输方程进行求解，获得计算域内的辐射强度场；

步骤六，利用步骤四获得的吸收系数和散射系数以及步骤五获得的辐射强度场，结合公式：

$R_{\mathrm{est}}(L,\mathrm{\&lambda;})=\frac{2\mathrm{\&pi;}}{I_{0,\mathrm{\&lambda;}}}{\&Integral;}_{\mathrm{\&pi;}/2}^{\mathrm{\&pi;}}{I}_{\mathrm{\&lambda;}}(0,\mathrm{\&theta;})\cos \mathrm{\&theta;}\sin \mathrm{\&theta;d\&theta;}$

$T_{\mathrm{est}}(L,\mathrm{\&lambda;})=\frac{1}{I_{0,\mathrm{\&lambda;}}}[2\mathrm{\&pi;}{\&Integral;}_0^{\mathrm{\&pi;}/2}{I}_{\mathrm{\&lambda;}}(L,\mathrm{\&theta;})\cos \mathrm{\&theta;}\sin \mathrm{\&theta;d\&theta;}+I_{c,\mathrm{\&lambda;}}(L,{\mathrm{\&theta;}}_c)]$

T_c,est(L,λ)＝I_c,λ(L,θ_c)/I_0,λ

获得左侧边界的反射信号的预测值R_est(L,λ)、右侧边界的透射信号的预测值T_est(L,λ)以及右侧边界准直透射信号的预测值T_c,est(L,λ)；式中L表示样本容器的厚度；λ表示激光的波长；I_0,λ是波长为λ的连续激光的强度；x为样本容器的厚度方向，I_λ(0,θ)为θ方向上x＝0处即左侧边界上散射光的辐射强度，θ为辐射方向角；I_λ(L,θ)为θ方向上x＝L处即右侧边界上散射光的辐射强度；I_c,λ(L,θ_c)为连续激光沿着入射方向θ_c衰减到样本右侧壁面时的辐射强度，θ_c为连续激光入射方向角，且θ_c＝0；

步骤七，利用步骤二和三中获得的两组左侧边界处的反射信号R_mea(L,λ)、右侧边界处的透射信号T_mea(L,λ)和步骤六中相应的预测值，结合公式：

$F_{1,\mathrm{obj}}=\underset{i=1}{\overset{2}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{2}{\mathrm{\&Sigma;}}}[{\left(\frac{R_{\mathrm{est}}(L_i,{\mathrm{\&lambda;}}_j)-R_{\mathrm{mea}}(L_i,{\mathrm{\&lambda;}}_j)}{R_{\mathrm{mea}}(L_i,{\mathrm{\&lambda;}}_j)}\right)}^2+{\left(\frac{T_{\mathrm{est}}(L_i,{\mathrm{\&lambda;}}_j)-T_{\mathrm{mea}}(L_i,{\mathrm{\&lambda;}}_j)}{T_{\mathrm{mea}}(L_i,{\mathrm{\&lambda;}}_j)}\right)}^2]$

获得逆问题算法中的目标函数F_1,obj；

步骤八，判断步骤七中的目标函数值是否小于设定阈值ε₁，若是，则将步骤四中获得的待测颗粒系的两组颗粒光谱复折射率m(λ)＝n(λ)+ik(λ)作为结果输出，否则返回步骤四重新修正假设的光谱复折射率以及粒径分布情况；

步骤九，重复步骤四至六的操作，其中步骤四的光谱复折射率不需要重新假设，而是使用步骤八输出的两组光谱复折射率；

步骤十，利用步骤二和三中获得的两组右侧边界处的准直透射信号T_c,mea(L,λ)与步骤六中相应的预测值，结合公式：

$F_{2,\mathrm{obj}}=\underset{i=1}{\overset{2}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left[\frac{R_{c,\mathrm{est}}(L_i,{\mathrm{\&lambda;}}_j)-R_{c,\mathrm{mea}}(L_i,{\mathrm{\&lambda;}}_j)}{R_{c,\mathrm{mea}}(L_i,{\mathrm{\&lambda;}}_j)}\right]}^2$

获得逆问题算法中的目标函数F_2,obj；

步骤十一，判断步骤七中的目标函数是否小于设定阈值ε₂，若是，则将步骤四中获得的待测颗粒系的两组粒径分布作为结果输出，完成基于连续激光技术的球形颗粒光谱复折射率与颗粒系粒径分布同时反演，否则返回步骤四重新修正粒径分布情况。

2.根据权利要求1所述的一种基于连续激光的球形颗粒光谱复折射率与颗粒系粒径分布的获得方法，其特征在于：所述的步骤四和步骤七中的逆问题采用量子微粒群优化算法实现。

3.根据权利要求1所述的一种基于连续激光的球形颗粒光谱复折射率与颗粒系粒径分布的获得方法，其特征在于：步骤五中，采用下述辐射传输方程获得计算域内的辐射场强度：

$\frac{\&PartialD;I(x,\mathrm{\&theta;})}{\&PartialD;x}=-({\mathrm{\&kappa;}}_a+{\mathrm{\&kappa;}}_s)I(x,\mathrm{\&theta;})+\frac{{\mathrm{\&kappa;}}_s}{2}{\&Integral;}_0^{\mathrm{\&pi;}}I(x,{\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;})\mathrm{\&Phi;}({\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;},\mathrm{\&theta;})\sin {\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}d{\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}$

$I(0,\mathrm{\&theta;})=(1-{\mathrm{\&rho;}}_0)I_0+{2\mathrm{\&rho;}}_1{\&Integral;}_{\mathrm{\&pi;}/2}^{\mathrm{\&pi;}}I(0,{\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;})\cos {\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}\sin {\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}d{\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;},0\&le;\mathrm{\&theta;}<\mathrm{\&pi;}/2$

$I(L,\mathrm{\&theta;})=2(1-{\mathrm{\&rho;}}_1){\&Integral;}_0^{\mathrm{\&pi;}/2}I(L,{\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;})\cos {\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}\sin {\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}d{\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;},0\&le;\mathrm{\&theta;}<\mathrm{\&pi;}/2$

式中I(x,θ)为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′为入射方向，Φ(θ′,θ)是从θ′方向入射并从θ方向散射出去的散射相函数，I(0,θ)为θ方向x＝0处即左侧边界上的辐射强度，I(L,θ)为θ方向x＝L处即右侧边界上的辐射强度；

c是介质中的光速；

ρ₀是由环境进入颗粒系时的反射率；

ρ₁为由颗粒系进入环境时的反射率；

I₀是入射的连续激光的辐射强度。

4.根据权利要求1所述的一种基于连续激光的球形颗粒光谱复折射率与颗粒系粒径分布的获得方法，其特征在于：所述步骤四中的颗粒系的粒径分布情况通过下述公式表示：

$f_{R-R}\left(a\right)=\frac{\mathrm{\&sigma;}}{\stackrel{\&OverBar;}{a}}\&times;{\left(\frac{a}{\stackrel{\&OverBar;}{a}}\right)}^{\mathrm{\&sigma;}-1}\&times;\exp [-{\left(\frac{a}{\stackrel{\&OverBar;}{a}}\right)}^{\mathrm{\&sigma;}}]$

$f_{N-N}\left(a\right)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}\mathrm{\&sigma;}}\&times;\exp [-\frac{{(a-\stackrel{\&OverBar;}{a})}^2}{{2\mathrm{\&sigma;}}^2}]$

$f_{L-N}\left(a\right)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}a\ln \mathrm{\&sigma;}}\&times;\exp [-\frac{{(\ln a-\ln \stackrel{\&OverBar;}{a})}^2}{2{\left(\ln \mathrm{\&sigma;}\right)}^2}]$

式中a表示球形颗粒半径；σ表示粒径的平均几何偏差；表示颗粒系的特征尺寸参数，用于表示峰值粒径。