CN106644852A - 基于超短脉冲激光辐照同时获取球形颗粒光学常数与粒径分布的测量方法 - Google Patents

Abstract

基于超短脉冲激光辐照同时获取球形颗粒光学常数与粒径分布的测量方法，本发明涉及参与性介质辐射物性测量技术领域。本发明为了解决基于逆问题求解的参与性介质辐射参数测量中，实验测量值误差大、测量信号较弱的问题。本发明利用脉冲激光照射颗粒系统样品表面，通过改变试件的厚度以及入射激光的波长，然后测量不同角度的时域透射及反射信号，然后结合这些信号并通过逆问题求解技术获得球形颗粒光学常数与颗粒系粒径分布。本发明通过建立测量颗粒系统光学常数与颗粒系粒径分布的正、逆问题模型，在已知介质其他物性参数的前提下而提出。本发明适用于同时获取球形颗粒光学常数与粒径分布的测量场合。

Description

基于超短脉冲激光辐照同时获取球形颗粒光学常数与粒径分 布的测量方法

技术领域

本发明涉及参与性介质辐射物性测量技术领域。

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。

粒径分布及光学性质的准确测量对于环境监测，清洁能源利用，以及生物医疗等方面具有重要意义。近年来，参与性介质粒子系粒径测量越来越朝着自动化和微小颗粒粒径测量的方向发展，研究内容大多数集中于测量的在线实现和参与性介质粒子系粒径分布的反演两部分。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。

由于实际测量过程中，实验设备存在一定的测量误差，而且某些工况测量信号比较微弱，单一的信息不能完成辐射物性的测量，本发明提出的测量方法在逆问题求解的基础上，引入了多厚度测量方法，结合瞬态时域透反射信号的多信息融合技术，能够强化测量信号，大大减小了由于某次测量过程中的误差而导致测量失效的概率。

发明内容

本发明为了解决基于逆问题求解的参与性介质辐射参数测量中，实验测量值误差大、测量信号较弱的问题，提出了基于超短脉冲激光辐照同时获取球形颗粒光学常数与粒径分布的测量方法。

基于超短脉冲激光辐照同时获取球形颗粒光学常数与粒径分布的测量方法，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、脉冲宽度为t_p的矩形脉冲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；调节位于旋转平台上的探测器的位置，获得待测样本颗粒系在第一样本容器右侧和左侧表面透射以及反射输出的两个不同角度的时域信号T_mea(θ₁,L₁,λ₁)和R_mea(θ₂,L₁,λ₁)，其中：0<θ₁<90°，并且90°<θ₂<180°；

再利用波长为λ₂、脉冲宽度为t_p的矩形脉冲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；调节位于旋转平台上探测器的位置，获得待测样本颗粒系在第一样本容器右侧和左侧表面透射以及反射输出的两个不同角度的时域信号T_mea(θ₁,L₁,λ₂)和R_mea(θ₂,L₁,λ₂)，其中：0<θ₁<90°，并且90°<θ₂<180°；

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和左侧表面透射以及反射输出的两个不同角度的信号T_mea(θ₁,L₂,λ₁)和R_mea(θ₂,L₂,λ₁)，及第二样本容器右侧和左侧表面透射以及反射输出的两个不同角度的时域信号T_mea(θ₁,L₂,λ₂)和R_mea(θ₂,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)和k(λ)分别表示粒子折射指数和吸收指数，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假定的粒径分布值，计算获得待测样本颗粒系的吸收系数K_a和散射系数K_s；

步骤五、分别对上述各种情况，即：波长分别为λ₁和λ₂的激光入射厚度为L₁和L₂的样本，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K_a和散射系数K_s以及步骤五中获得的辐射强度场，计算获得样本容器特定角度的时域透射和反射信号预测值T_est(θ₁,L_j,λ_k)和R_est(θ₂,L_j,λ_k)，其中j和k等于1或者2：

步骤七、利用测量的时域透射及反射信号T_mea(θ₁,L_j,λ_k)和R_mea(θ₂,L_j,λ_k)以及步骤六中的预测值T_est(θ₁,L_j,λ_k)和R_est(θ₂,L_j,λ_k)，计算获得逆问题算法中的目标函数F_obj：

式中t₀表示探测器的测量时间；

步骤八、判断目标函数F_obj是否小于设定阈值ε，若是，将步骤四中获得的两组光学常数m(λ)以及粒径分布作为真实的球形颗粒光学常数和粒径分布输出，结束测量；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。

本发明首先设计悬浮颗粒系的瞬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不同角度的时域透射及反射信号，利用逆问题理论模型重建出颗粒系的光学常数以及粒径分布。本发明实验采用瞬态激光，激光器廉价购买方便，且模型简单，便于理论求解。本发明所测量的材料粒径分布以及光学常数结果误差小于3％。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为具体实施方式一中，颗粒系统受到一个矩形脉冲激光入射的辐射传输过程以及测量装置的结构示意图。其中：标记1为旋转平台，2为样品，3为探测器，α为探测器接收角，A为脉冲激光；

具体实施方式

具体实施方式一、本实施方式所述基于短脉冲激光辐照的球形颗粒光学常数与颗粒系粒径分布的同时测量方法，该方法的具体操作步骤为：

基于超短脉冲激光辐照同时获取球形颗粒光学常数与粒径分布的测量方法，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、脉冲宽度为t_p的矩形脉冲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；调节位于旋转平台上的探测器的位置，获得待测样本颗粒系在第一样本容器右侧和左侧表面透射以及反射输出的两个不同角度的时域信号T_mea(θ₁,L₁,λ₁)和R_mea(θ₂,L₁,λ₁)，其中：0<θ₁<90°，并且90°<θ₂<180°；

再利用波长为λ₂、脉冲宽度为t_p的矩形脉冲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；调节位于旋转平台上探测器的位置，获得待测样本颗粒系在第一样本容器右侧和左侧表面透射以及反射输出的两个不同角度的时域信号T_mea(θ₁,L₁,λ₂)和R_mea(θ₂,L₁,λ₂)，其中0<θ₁<90°，并且：90°<θ₂<180°；

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和左侧表面透射以及反射输出的两个不同角度的信号T_mea(θ₁,L₂,λ₁)和R_mea(θ₂,L₂,λ₁)，及第二样本容器右侧和左侧表面透射以及反射输出的两个不同角度的时域信号T_mea(θ₁,L₂,λ₂)和R_mea(θ₂,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)和k(λ)分别表示粒子折射指数和吸收指数，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假定的粒径分布值，计算获得待测样本颗粒系的吸收系数K_a和散射系数K_s；

步骤五、分别对上述各种情况，即：波长分别为λ₁和λ₂的激光入射厚度为L₁和L₂的样本，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K_a和散射系数K_s以及步骤五中获得的辐射强度场，计算获得样本容器特定角度的时域透射和反射信号预测值T_est(θ₁,L_j,λ_k)和R_est(θ₂,L_j,λ_k)，其中j和k等于1或者2：

步骤七、利用测量的时域透射及反射信号T_mea(θ₁,L_j,λ_k)和R_mea(θ₂,L_j,λ_k)以及步骤六中的预测值T_est(θ₁,L_j,λ_k)和R_est(θ₂,L_j,λ_k)，计算获得逆问题算法中的目标函数F_obj：

式中t₀表示探测器的测量时间；

步骤八、判断目标函数F_obj是否小于设定阈值ε，若是，将步骤四中获得的两组光学常数m(λ)以及粒径分布作为真实的球形颗粒光学常数和粒径分布输出，结束测量；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。

本实施方式首先设计悬浮颗粒系的瞬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不同角度的时域透射及反射信号，利用逆问题理论模型重建出颗粒系的光学常数以及粒径分布。忽略入射激光对颗粒系的加热作用，被测颗粒系的时域透射及反射信号测量过程可以被考虑成一个一维瞬态纯辐射传输问题。

具体实施方式二、本实施方式对实施方式一作进一步说明，步骤四和步骤七中的逆问题采用改进的磷虾群智能算法实实现。改进的磷虾算法为：

步骤A、初始化：设置控制参数的初始值，包括：磷虾数量、移动速度、最大迭代次数；

步骤B、评估：计算各个磷虾所处位置的适应度函数；记录位置最好和最差的个体；

步骤C、移动：根据下述方程改变磷虾位置：

X_i(t+1)＝X_i(t)+△_s(Ni+F_i+D_i)

其中：X_i(t+1)和X_i(t)分别表示第i个磷虾在第t代的位置，N_i、F_i,和D_i分别表示由于其他磷虾、实物位置以及随机游动导致的第i个磷虾的速度值；△s表示磷虾的步长大小，其大小由下式决定：

其中△s_max和△s_min表示预先设定的步长最大值与最小值；t表示当前迭代次数，t_max表示最大迭代次数；

步骤D、计算新一代磷虾的位置；

步骤E、重复步骤B直到适应度函数的值小于10^-6或者迭代次数大于预先设定的值。

具体实施方式三、本实施方式对实施方式一作进一步说明，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：c₀为光速；I是在z位置θ方向上的辐射强度；β_λ和σ_sλ分别代表着粒子系的消光系数和散射系数，下角标λ代表着入射激光的波长；φ(θ′,θ)表示从θ′方向入射并从θ方向散射出去的待测颗粒系的散射相函数。

具体实施方式四：本实施方式对实施方式三作进一步说明，设定的粒径分布值的计算公式为：

式中R-R，N-N和L-N分别表示待测颗粒系为罗辛-罗姆勒分布，正态分布以及对数正态分布。

本实施方式中可近似的表示粒子系的峰值粒径。

Claims (4)

1.基于超短脉冲激光辐照同时获取球形颗粒光学常数与粒径分布的测量方法，其特征是：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、脉冲宽度为t_p的矩形脉冲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；调节位于旋转平台上的探测器的位置，获得待测样本颗粒系在第一样本容器右侧和左侧表面透射以及反射输出的两个不同角度的时域信号T_mea(θ₁,L₁,λ₁)和R_mea(θ₂,L₁,λ₁)，其中：0<θ₁<90°，并且90°<θ₂<180°；

再利用波长为λ₂、脉冲宽度为t_p的矩形脉冲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；调节位于旋转平台上探测器的位置，获得待测样本颗粒系在第一样本容器右侧和左侧表面透射以及反射输出的两个不同角度的时域信号T_mea(θ₁,L₁,λ₂)和R_mea(θ₂,L₁,λ₂)，其中：0<θ₁<90°，并且90°<θ₂<180°；

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和左侧表面透射以及反射输出的两个不同角度的信号T_mea(θ₁,L₂,λ₁)和R_mea(θ₂,L₂,λ₁)，及第二样本容器右侧和左侧表面透射以及反射输出的两个不同角度的时域信号T_mea(θ₁,L₂,λ₂)和R_mea(θ₂,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)和k(λ)分别表示粒子折射指数和吸收指数，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假定的粒径分布值，计算获得待测样本颗粒系的吸收系数κ_a和散射系数κ_s；

步骤五、分别对上述各种情况，即：波长分别为λ₁和λ₂的激光入射厚度为L₁和L₂的样本，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κ_a和散射系数κ_s以及步骤五中获得的辐射强度场，计算获得样本容器特定角度的时域透射和反射信号预测值T_est(θ₁,L_j,λ_k)和R_est(θ₂,L_j,λ_k)，其中j和k等于1或者2：

步骤七、利用测量的时域透射及反射信号T_mea(θ₁,L_j,λ_k)和R_mea(θ₂,L_j,λ_k)以及步骤六中的预测值T_est(θ₁,L_j,λ_k)和R_est(θ₂,L_j,λ_k)，计算获得逆问题算法中的目标函数F_obj：

$F_{obj}={\&Integral;}_0^{t_0}\&lsqb;\underset{j=1}{\overset{2}{\&Sigma;}}\underset{k=1}{\overset{2}{\&Sigma;}}\&lsqb;{\&lsqb;\frac{T_{est}({\mathrm{\&theta;}}_1,L_j,{\mathrm{\&lambda;}}_k)-T_{mea}({\mathrm{\&theta;}}_1,L_j,{\mathrm{\&lambda;}}_k)}{T_{mea}({\mathrm{\&theta;}}_1,L_j,{\mathrm{\&lambda;}}_k)}\&rsqb;}^2+{\&lsqb;\frac{R_{est}({\mathrm{\&theta;}}_2,L_j,{\mathrm{\&lambda;}}_k)-R_{mea}({\mathrm{\&theta;}}_2,L_j,{\mathrm{\&lambda;}}_k)}{R_{mea}({\mathrm{\&theta;}}_2,L_j,{\mathrm{\&lambda;}}_k)}\&rsqb;}^2\&rsqb;\&rsqb;$

式中t₀表示探测器的测量时间；

步骤八、判断目标函数F_obj是否小于设定阈值ε，若是，将步骤四中获得的两组光学常数m(λ)以及粒径分布作为真实的球形颗粒光学常数和粒径分布输出，结束测量；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。

2.根据权利要求1所述的基于超短脉冲激光辐照同时获取球形颗粒光学常数与粒径分布的测量方法，其特征在于，步骤四和步骤七中的逆问题采用改进的磷虾群智能算法实实现，改进的磷虾算法为：

步骤A、初始化：设置控制参数的初始值，包括：磷虾数量、移动速度、最大迭代次数；

步骤B、评估：计算各个磷虾所处位置的适应度函数；记录位置最好和最差的个体；

步骤C、移动：根据下述方程改变磷虾位置：

X_i(t+1)＝X_i(t)+△s(N_i+F_i+D_i)

其中：X_i(t+1)和X_i(t)分别表示第i个磷虾在第t代的位置，N_i、F_i,和D_i分别表示由于其他磷虾、实物位置以及随机游动导致的第i个磷虾的速度值；△s表示磷虾的步长大小，其大小由下式决定：

$\mathrm{\&Delta;}s={\mathrm{\&Delta;s}}_{max}-t\&times;\frac{{\mathrm{\&Delta;s}}_{max}-{\mathrm{\&Delta;s}}_{min}}{t_{max}}$

其中△s_max和△s_min表示预先设定的步长最大值与最小值；t表示当前迭代次数，t_max表示最大迭代次数；

步骤D、计算新一代磷虾的位置；

步骤E、重复步骤B直到适应度函数的值小于10^-6或者迭代次数大于预先设定的值。

3.根据权利要求1或2所述的基于超短脉冲激光辐照同时获取球形颗粒光学常数与粒径分布的测量方法，其特征在于，

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：

$\frac{\&part;I(z,\mathrm{\&theta;})}{c_0\&part;t}+\frac{\&part;I(z,\mathrm{\&theta;})}{\&part;s}=-{\mathrm{\&beta;}}_{\mathrm{\&lambda;}}I(z,\mathrm{\&theta;})+\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_{s\mathrm{\&lambda;}}}{2}{\&Integral;}_0^{\mathrm{\&pi;}}I(z,{\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}){\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{\&lambda;}}({\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;},\mathrm{\&theta;}){\mathrm{sin\&theta;}}^{\&prime;}{\mathrm{d\&theta;}}^{\&prime;}$

式中：c₀为光速；I是在z位置θ方向上的辐射强度；β_λ和σ_sλ分别代表着粒子系的消光系数和散射系数，下角标λ代表着入射激光的波长；Φλ(θ′,θ)表示从θ′方向入射并从θ方向散射出去的待测颗粒系的散射相函数。

4.根据权利要求3所述的基于超短脉冲激光辐照同时获取球形颗粒光学常数与粒径分布的测量方法，其特征在于，设定的粒径分布值的计算公式为：

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

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

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

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、N-N和L-N分别表示待测颗粒系为罗辛-罗姆勒分布，正态分布以及对数正态分布。