CN110553955B - 一种基于光散射场的颗粒物粒径分布测量方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光散射场的颗粒物粒径分布测量方法及系统，方法包括：将入射光射向待测环境中待测区域；采用曲面反射镜在入射光入射方向一侧收集该区域中所有颗粒在观测角度范围内的散射光信号；采用光学镜头对散射光信号整形处理，后采用光电转换器采集观测角度范围内每个角度对应的独立散射光信号；基于各角度散射光信号，通过反向推演计算得到颗粒物粒径分布。本发明仅采用曲面反射镜、光学镜头、光电转换器，结构简单，成本低，可实现观测角度范围内各角度散射光信号的独立采集，获得大范围高角分辨率的散射角谱，为粒径分布准确求解提供较多通道的散射光信号，在实现准确颗粒物粒径分布测量功能的同时，结构简单，成本较低，实用性强。
Description
技术领域
本发明属于颗粒物测量传感领域，更具体地，涉及一种基于光散射场的颗粒物粒径分布测量方法及系统。
背景技术
颗粒物在人类生产和生活活动中扮演着重要的角色，与人类的生产生活息息相关。在部分工业生产中我们经常需要知晓产品的颗粒粒度大小信息，以便于评估产品的品质和性能。在具体的应用中如火灾探测领域，获得颗粒物的粒度信息后可以实现更精准的火灾报警。而空气中悬浮的颗粒物更是直接会影响到人们的身体健康。因此，获取空气中颗粒物的粒度信息对于评估空气质量好坏，更加全面地表征颗粒物对人体的危害意义重大。
颗粒物的粒径分布是指分散在流体(气/液)中的颗粒物在不同粒径上的数量组成的一簇分布列。颗粒物的粒径分布可以直观地表达出颗粒物分散系中不同粒径大小颗粒物的数量或所占的比例。鉴于粒径分布的重大工业意义且又对于空气雾霾的研究和治理至关重要，经过多年的发展目前已经有多种采用不同技术原理的仪器设备，测量粒径分布的相关技术原理也得到了长足的发展。德国Sympatec公司的HELOS，通过测量多通道的Furanhofer衍射光信号获取颗粒物粒径分布信息。美国TSI公司的APS和SMPS分别通过空气动力学和电迁移率方法也可对颗粒物的粒径信息进行分级计数测量。此类仪器在实际应用中表现出了良好的准确率，但遗憾的是由于其结构精密复杂，因此这类仪器的体积一般都较为庞大，且价格昂贵，从而也进一步限制了其在室外的测量应用，以及大规模推广。
在中国发明专利说明书CN109856019A中公开了一种颗粒系粒径分布的测量方法。该方法利用近场散射技术，建立散射光强度分布于颗粒物粒径的积分方程关系式并离散化，再通过正则化方法得到粒径分布的近似解，最后通过chahine迭代算法进行迭代计算得到粒径分布的收敛解，从而实现颗粒群粒径分布的测量。公开号CN107677573A的中国发明专利中也公开了一种基于多角度的多峰值颗粒群粒径分布检测方法。通过采用多个光电转换器接收颗粒物在不同角度上的散射光信号，进而再通过反演算法对粒径分布进行求解。
这两例发明专利中均为采用光学原理的测量方法。前者通过用显微透镜聚集接收近场散射光，以期从得到的图像中提取较高角分辨率的高维散射光信号。由于其提取得到的散射光信号角谱带宽仅集中在散射角180度左右的前向狭窄范围内。因此其对不同大小粒径的光学散射特性差异区分度有限，从而导致粒径分布求解时的病态性较强，而且由于角度范围狭窄，其散射角通道数也较少。而后者直接通过固定或旋转的方式设置光电接收器阵列来采集高维的散射光信号。这样的设计在结构上便于实现，但是将会导致最终的硬件结构较为复杂，同时还需在测量结果的准确率和结构复杂度上作出取舍，因为更高的测量准确率就需要设置更多的光电接收器，从而也导致进一步增加了结构的复杂度。其公开文本中给出的一个可选的简化方式为将光电接收器设置在一个旋转的圆盘上，在采集散射光信号时，通过旋转圆盘得到不同角度的散射光信号。然而这种方式带来的另外一个问题是必须要保证待测颗粒物的稳定性，否则不同测量角度的光电探测器采集得到的光信号就对应了不同状态的颗粒物，如此在后期反演粒径分布时将会引入极大的误差。从公开文本中的示意图可以看到该专利中的目标待测分散系为液体分散系，如此固然能增大待测颗粒物的稳定性，但也给应用范围带来了局限性，且不利于测量操作。
发明内容
本发明提供一种基于光散射场的颗粒物粒径分布测量方法及系统，用以解决现有颗粒物粒径分布测量方法在为了采集高角分辨率的高维散射光信号时而采用的测量系统结构复杂导致测量成本较高的技术问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于光散射场的颗粒物粒径分布测量方法，包括：
S1、将入射光射向待测环境中待测区域；
S2、采用曲面反射镜，在所述入射光入射方向的一侧，收集该待测区域中所有颗粒在观测角度范围内的散射光信号；采用光学镜头对所述散射光信号进行整形处理，之后，采用光电转换器采集所述观测角度范围内每个角度对应的独立的散射光信号；
S3、基于各角度的所述散射光信号，通过反向推演，计算得到颗粒物粒径分布。
本发明的有益效果是：由于在颗粒物粒径分布测量中，最终的粒径分布测量结果均需从采集到的光信号中反向求解得到，所以获取更高维的散射光信号是光学测量方法的关键，本发明仅采用曲面反射镜、光学镜头和光电转换器，结构简单且成本低，其可实现观测角度范围内所有角度对应的散射光信号的独立采集，获得大范围、高角分辨率的散射角谱，为粒径分布的准确求解，提供较多通道的散射光信号。最后基于各角度的散射光信号，反向推演得到颗粒物粒径分布。其中，关于采用曲面反射镜在入射光入射方向的一侧，需要说明的是，在入射光的照射下，颗粒物由于其散射效应而将向整个空间各个方向中辐射散射光信号，形成散射光场。根据Mie散射理论，当颗粒物都近似为等效球体看待时，待颗粒物的散射光场也可近似看作关于入射光方向轴对称。因此只需获得散射光场的“一半”，即可得到颗粒物在空间中的全部散射光信号。因此，在入射光入射方向的一侧，接收实际所需的观测角度范围内的散射光场。另外，为了能够接收到观测角度范围内所有角度的散射信号，就要在大尺度空间内的较大的接收面，此时会出现采集面和接收面的面积不匹配的问题，同时考虑到干扰光线的影响，因而为了在环境中成功准确地分拣到所有角度对应的独立的散射信号，对接收的所有散射信号进行整形处理，以准确采集到观测角度范围内所有角度对应的独立的散射信号。综上，本发明实现了现有大型昂贵仪器设备拥有的测量功能，同时成本较低。
上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述S3包括：
基于各角度的所述散射光信号，采用正则化方法和迭代算法，或者，采用深度学习卷积神经网络，计算得到颗粒物粒径分布。
本发明的进一步有益效果是：本发明采用现有方法进行计算，兼容性较强。
进一步，所述S2中，所述在所述入射光入射方向的一侧，具体为：在所述入射光入射方向的一侧且所述曲面反射镜的中轴线与所述入射方向垂直。
进一步，所述观测角度范围为0-180度。
本发明的进一步有益效果是：本发明探测半场所有的独立散射信号，以为颗粒粒径分布计算提供足够多的散射信号，使得测量得到的颗粒物粒径分布更加准确和全面。
进一步，所述S2具体为：
采用曲面反射镜，在所述入射光入射方向的一侧，收集并反射该待测区域中所有颗粒在观测角度范围内的散射光信号，以对所述观测角度范围内所有角度的散射光信号的方向进行平行或类平行转换；
采用光学镜头，在相互独立无交叉时，对所有角度的散射光信号进行信号间距离缩放、去干扰处理，使各角度的散射光信号独立投影到比所述观测角度范围的面积小的投影区域；
采用光电转换器，在所述投影区域采集每个角度对应的独立的散射光信号。
本发明的进一步有益效果是：本发明在对探测到的观测角度范围内所有角度的散射光信号的方向进行平行或类平行转换，以使得各角度对应的散射信号的独立而互不影响，以保证后续各角度的散射信号的独立接收。另外，将相互独立无交叉的散射光线进行光线间距缩放、去干扰处理，把散射到大尺度空间内的不同角度对应的散射光线投影到较小面积的区域上并避免干扰光线的影响，以能够在较小区域里采用较小尺寸的采集器采集各角度对应的独立的散射信号，一方面，减小传感器的体积，节省空间，另一方面，提高采集精度，进而提高粒径分布的测量精度。因此，本发明通过巧妙的光路设计，将高维散射光场信号进行整形转换，最终通过光电转换器(如CCD，CMOS，光电二极管阵列等)接收，获得了从后向到前向的大范围、高角分辨率的散射角谱，为粒径分布的准确求解提供更多通道的散射光信号，充分利用光学方法的优点，实现颗粒物粒径分布的快速、无损测量，且成本较低。
进一步，所述转换为平行转换。
本发明的进一步有益效果是：将探测的所有角度的散射信号的方向进行转换，使得各角度的散射信号之间的方向平行，以能够更加可靠的对互相没有影响的散射信号进行后续整形，提高后续整形的可靠性。另外，通过进行平行转换，方便后续整形组件的搭建。
本发明还提供一种基于光散射场的颗粒物粒径分布测量系统，包括：
曲面反射镜，用于在所述入射光入射方向的一侧，收集该待测区域中所有颗粒在观测角度范围内的散射光信号；
光学镜头，用于对所述散射光信号进行整形处理，
光电转换器，用于采集所述观测角度范围内每个角度对应的独立的散射光信号；
处理器，用于基于各角度的所述散射光信号，通过反向推演，计算得到颗粒物粒径分布。
本发明的有益效果是：由于在颗粒物粒径分布测量中，最终的粒径分布测量结果均需从采集到的光信号中反向求解得到，所以获取更高维的散射光信号是光学测量方法的关键，本发明创造性的组合曲面反射镜、光学镜头、光电转换器，结构简单，成本低，其可实现观测角度范围内所有角度对应的散射光信号的独立采集，获得大范围、高角分辨率的散射角谱，为粒径分布的准确求解，提供较多通道的散射光信号。最后采用处理器基于各角度的散射光信号，反向推演得到颗粒物粒径分布。其中，关于将曲面反射镜设置在入射光入射方向的一侧，需要说明的是，在入射光的照射下，颗粒物由于其散射效应而将向整个空间各个方向中辐射散射光信号，形成散射光场。根据Mie散射理论，当颗粒物都近似为等效球体看待时，待颗粒物的散射光场也可近似看作关于入射光方向轴对称。因此只需获得散射光场的“一半”，即可得到颗粒物在空间中的全部散射光信号。因此，曲面反射镜在入射光入射方向的一侧，收集实际所需的观测角度范围内的散射光场。另外，为了能够接收到观测角度范围内所有角度的散射信号，就要在大尺度空间内的较大的接收面，此时会出现采集面和接收面的面积不匹配的问题，同时考虑到干扰光线的影响，因而为了在环境中成功准确地分拣到所有角度对应的独立的散射信号，引入光学镜头对接收的所有散射信号进行整形处理，以准确采集到观测角度范围内所有角度对应的独立的散射信号。本发明系统实现了现有大型昂贵仪器设备拥有的测量功能，且结构简单，成本较低。
进一步，所述处理器具体用于：
基于各角度的所述散射光信号，采用正则化方法和迭代算法，或者，采用深度学习卷积神经网络，计算得到颗粒物粒径分布。
进一步，所述在所述入射光入射方向的一侧，具体为：所述曲面反射镜在所述入射光入射方向的一侧且其中轴线与所述入射方向垂直；
所述观测角度范围为0-180度。
进一步，所述曲面反射镜具体用于：
收集并反射待测区域中所有颗粒在观测角度范围内各角度的散射信号，以对所述观测角度范围内所有角度的散射光信号的方向进行平行或类平行转换；
则所述光学镜头具体用于：
在所述观测角度范围内所有角度的散射光信号的方向相互独立无交叉时，对所有角度的散射光信号进行信号间距离缩放、去干扰处理，使各角度的散射光信号独立投影到面积小于所述观测角度范围的投影区域；
所述光电转换器具体用于：
在所述投影区域，采集每个角度对应的独立的散射光信号。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于光散射场的颗粒物粒径分布测量方法的流程框图；
图2为本发明实施例提供的颗粒物散射光场示意图；
图3为本发明实施例提供的光路整形示意图；
图4为图3对应的传感器剖视图；
图5为本发明实施例提供的实际所有角度对应的颗粒物二维光散射场图像；
图6为本发明实施例提供的采集所得的颗粒物二维光散射场图像及其分析流程和分析结果图；
图7本发明实施例提供的基于光散射场的颗粒物粒径分布测量的流程示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
1、抛物面反射镜，2、第一透镜，3、第一光阑，4、第二透镜，5、第二光阑，6、第三透镜，7、CCD接收面，8、抛物面反射镜顶盖，9、抛物面反射镜轴向平移微调旋钮，10、抛物面反射镜固定滑块，11、抛物面反射镜平移导轨，12、环境样本进口，13、入射光孔，14、装置基准套筒，15、透镜间隔离圆形挡板，16、第一透镜和第二透镜的固定滑块，17、CCD遮光罩，18、排气孔，19、抛物面反射镜焦点。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例一
一种基于光散射场的颗粒物粒径分布测量方法100，如图1所示，包括：
步骤110、将入射光射向待测环境中待测区域；
步骤120、采用曲面反射镜，在入射光入射方向的一侧，收集该待测区域中所有颗粒在观测角度范围内的散射光信号；采用光学镜头对散射光信号进行整形处理，之后，采用光电转换器采集观测角度范围内每个角度对应的独立的散射光信号；
步骤130、基于各角度的散射光信号，通过反向推演，计算得到颗粒物粒径分布。
需要说明的是，待测环境中的不同粒径的颗粒物分布均匀，因此，可通过测量一个待测区域，即可获得该待测环境中的颗粒物粒径分布。另外，入射光可为激光或光电二极管等。
根据Mie散射理论，颗粒物对入射光的散射光信号中包含有颗粒物团簇的粒径分布、光学折射率等特性信息以及不同大小粒径对应的颗粒物数量(可由此计算体积浓度和表面积浓度)等统计信息。颗粒物团簇的散射光可描述为：
P＝CN∫f(d)q(d,m,λ,θ)dd (1)
其中，CN是颗粒物的数量浓度，f(d)是颗粒物的粒径分布函数，q(d,m,λ,θ)是单颗粒的散射或衍射系数，d是粒子直径，m是颗粒物的折射率，λ是入射光波长，θ是散射光信号的观测角。
由式(1)可知，对于同一种颗粒物，当入射光波长λ和散射光观测角θ不同时，颗粒物团簇的散射光信号会随之发生变化，即颗粒物团簇对不同波长的入射光具有不同的散射效应，且在不同角度上散射效应也有着较大差异。颗粒物的光学测量方法就是利用这一差异性，通过有限通道的散射光信号(不同波长×不同角度的组合)解算出颗粒物团簇的特性信息和统计信息。根据以往的研究工作发现，通过两个通道的散射光信号即可初步解算出颗粒物团簇的质量浓度(体积浓度)和表面积浓度等统计信息，但对于粒径分布等更加深入的特性信息尚无法求解。为了获得更加全面的颗粒物信息，求解出粒径分布等特性信息，增加散射光信号的维度即扩充散射光信号的通道数的思路应运而生。而散射光信号的通道数为入射光波长
的数量i和接收观测角
的数量j的组合i×j，因此，通过增加入射光波长的数量或者接收观测角的数量，即可扩充散射光信号的通道数。
因此，在颗粒物粒径分布测量中，最终的粒径分布测量结果均需从采集到的光信号中反向求解得到，所以获取更高维的散射光信号是光学测量进行准确测量的关键。本方法采用普通低成本元器件搭建的光学传感器，结构简单，成本低，其可实现观测角度范围内所有角度对应的散射光信号的独立采集，获得大范围、高角分辨率的散射角谱，为粒径分布的准确求解，提供较多通道的散射光信号。最后基于各角度的散射光信号，反向推演得到颗粒物粒径分布。
另外，由于增加入射光波长的方法对入射光的选择要求比较高，且成本不易控制，因此增加接收观测角θ的数量就成了更优地选择。如图2中的(a)所示的颗粒物在空间中对入射光的散射效果。在入射光的照射下，由于颗粒物的散射效应，其将向整个空间各个方向中辐射散射光信号，形成散射光场。根据Mie散射理论，当颗粒物都近似为等效球体看待时，颗粒物的散射光场也可近似看作关于入射光方向轴对称。因此只需获得光场的“一半”，即可得到颗粒物在空间中的全部散射光信号。而本例目的就是把颗粒物的散射光场其中的“半场”范围内的散射光信号按照其对应的散射角θ分别独立地接收，如图2中的(b)中灰色区域。在单波长入射光的照射下，前述散射光信号的通道数量就由散射角θ的分辨率(即散射角的个数)决定。
本例在入射光的照射下，颗粒物由于其散射效应而将向整个空间各个方向中辐射散射光信号，形成散射光场。根据Mie散射理论，当颗粒物都近似为等效球体看待时，待颗粒物的散射光场也可近似看作关于入射光方向轴对称。因此只需获得散射光场的“一半”，即可得到颗粒物在空间中的全部散射光信号。因此，在入射光入射方向的一侧，接收实际所需的观测角度范围内的散射光场。另外，为了能够接收到观测角度范围内所有角度的散射信号，就要在大尺度空间内的较大的接收面，此时会出现采集面和接收面的面积不匹配的问题，同时考虑到干扰光线(干扰光线主要来自在非测量区的颗粒物的散射光，环境因素影响较小)的影响，因而为了在环境中成功准确地分拣到所有角度对应的独立的散射信号，对收集的所有散射信号进行整形处理，以准确采集到观测角度范围内所有角度对应的独立的散射信号。
优选的，观测角度范围为0-180度。
本方法探测半场所有的独立散射信号，以为颗粒粒径分布计算提供足够多的散射信号，使得测量得到的颗粒物粒径分布更加准确和全面。
优选的，步骤120具体为：
采用曲面反射镜，在入射光入射方向的一侧，收集并反射该待测区域中所有颗粒在观测角度范围内的散射光信号，以对观测角度范围内所有角度的散射光信号的方向进行平行或类平行转换；采用光学镜头，在相互独立无交叉时，对所有角度的散射光信号进行信号间距离缩放、去干扰处理，使各角度的散射光信号独立投影到面积小于观测角度范围的投影区域；采用光电转换器，在投影区域采集每个角度对应的独立的散射光信号。
需要说明的是，类平行即为接近平行，接近的程度只要保证在采用光学镜头对所有角度的散射光信号进行信号间距离缩放、去干扰处理之前，各角度的散射光信号不交叉即可。
优选的，上述在入射光入射方向的一侧，具体为：在入射光入射方向的一侧且曲面反射镜的中轴线与入射方向垂直，测量结果较佳，且光学组件的搭建方便。
优选的，上述转换为平行转换。
将探测的所有角度的散射信号的方向进行转换，使得各角度的散射信号之间的方向平行，以能够更加可靠的对互相没有影响的散射信号进行后续整形，提高后续整形的可靠性。另外，通过进行平行转换，方便后续整形组件的搭建。
例如，如图3所示，对颗粒物散射光场进行整形、修正、传递过程。曲面反射镜采用为抛物面反射镜1、光学镜头采用第一透镜2、第一光阑3、第二透镜4、第二光阑5、第三透镜6构成，光电转换器采用CCD感光接收面，其接收面为图3中7标识所示，图中，O为抛物面反射镜的光学焦点，待测物即位于此处，另外，水平方向不同的线条代表不同角度对应的散射信号。
为了实现测量，可选择不同型号的光学镜头组合，优选的，如下表1所示，组合1能实现50-130度的角度范围的散射光场成像，组合2可实现25-155度的角度范围的散射光场成像。
按照上述任一种组合设计，位于抛物面反射镜焦点处的颗粒物在入射光的照射下向四周空间中辐射出散射光形成散射光场。根据抛物面反射镜的光学特性，从抛物面反射镜焦点处发出的散射光经过抛物面反射镜反射后将转换为平行光。经过抛物面反射镜反射后的平行光先后经过3个非球面透镜和2个光阑的整形，使得对应不同散射角θ的散射光能尽量不发生重合，相互独立地被后端CCD上的像素单元分别接收。内部示意如图4所示，图中抛物面反射镜顶盖8、抛物面反射镜轴向平移微调旋钮9、抛物面反射镜固定滑块10、抛物面反射镜平移导轨11、环境样本进口12、入射光孔13、装置基准套筒14、透镜间隔离圆形挡板15(圆心处开孔作为光阑)、第一透镜和第二透镜的固定滑块16、CCD遮光罩17、排气孔(外接排气泵)18和抛物面反射镜焦点19等，均用于固定和调节抛物面反射镜1、第一透镜2、第一光阑3、第二透镜4、第二光阑5和第三透镜6，以辅助实现颗粒物二维光散射场的成像。
具体的，在测量时，其具体工作流程如下：
(1)在尽可能保证整体结构气密性完整的同时，借助于排气孔18处外接排气泵的动力，带测量颗粒物将从进气口即环境样本进口12处进入传感器内部，测量空间19处将充满待测颗粒物。
(2)在入射光经过入射光孔13照射下颗粒物将向空间辐射出散射光信号；
(3)经过三个透镜的整形、缩放，焦点处颗粒物辐射出的不同散射角对应的散射光将被紧贴第三透镜6安置的CCD上不同位置的像素接收，而焦点外的颗粒物辐射出的散射光由于第一光阑3和第二光阑5的遮蔽，均无法达到CCD；最终散射信号到达CCD上的成像，如图5所示。
结合具体测量情况，通过正则化和迭代算法或者深度学习对采样数据进行处理，最终得到待测颗粒物的粒径分布结果，如图6所示，图6中的a、b、c所示的虚线框内分别为中值粒径为280nm&标准差1.4、中值粒径410nm&标准差1.35、中值粒径1230nm&1.35的采样成像结果以及测量结果和实际结果对比结果。从测量结果可以看出在实际测量中本方法表现出良好的测量性能。
在对探测到的观测角度范围内所有角度的散射光信号的方向进行平行或类平行转换，以使得各角度对应的散射信号的独立而互不影响，以保证后续各角度的散射信号的独立接收。另外，将相互独立无交叉的散射光线进行光线间距缩放、去干扰处理，把散射到大尺度空间内的不同角度对应的散射光线投影到较小面积的区域上并避免干扰光线的影响，以能够在较小区域里采用较小尺寸的采集器采集各角度对应的独立的散射信号，一方面，减小传感器的体积，节省空间，另一方面，提高采集精度，进而提高粒径分布的测量精度。上述通过巧妙的光路设计，将高维散射光场信号进行整形转换，最终通过光电转换器(如CCD，CMOS，光电二极管阵列等)接收，获得了从后向到前向的大范围、高角分辨率的散射角谱，为粒径分布的准确求解提供更多通道的散射光信号，充分利用光学方法的优点，实现颗粒物粒径分布的快速、无损测量，且成本较低。
优选的，步骤130包括：
基于各角度的散射光信号，采用正则化方法和迭代算法，或者采用深度学习卷积神经网络，计算得到颗粒物粒径分布。
当上述观测角θ的分辨率越高，接收观测角的数量j就越大，则散射光信号的通道数i×j＝j就越大。假设接收到的散射光信号P＝{p1,p2,…,pj}，将颗粒物的粒径分布信息f(d)分割为k个通道(对粒径大小分割，形成k个粒径范围)，则粒径分布可描述为K＝{k1,k2,…,kj}(f(k)表示在第k个通道对应的粒径范围内的颗粒物数量)，则式(1)可表达为：
P＝QmF (2)
其中，Qm为j×k阶的光能系数矩阵，当j＞k时，由式(2)可知，粒径分布F中含有k个未知数(k个颗粒数量)，即只需要k个光信号，利用传统的正则化方法，通过k个方程即可求解得到粒径分布，可见此时光信号的数量有冗余。
基于深度学习，构建反演模型，是近年来热门的新方法，在CT和MRI图像重建方面取得了优异的效果。结合光信号P和粒径分布F之间的映射关系以及转换矩阵Q的数据特征，本例传感器在反演算法上参考AlexNet结构，对基于高维光散射信号重建颗粒物粒径分布的反演算法进行尝试，搭建一维卷积的深度学习网络，以高维光信号P作为输入参数，直接输出目标参量粒径分布。
因此，如图7所示，可通过正向建模，训练得到神经网络，基于神经网络，执行方法100，得到各角度的散射光信号，并采集成像，得到颗粒物二维光散射场图像，图像中每个像素点代表一个观测角度，该像素点的大小为该角度的散射光信号的强度。基于颗粒物二维光散射场图像，分析得到颗粒物粒径分布。采用现有方法进行计算，兼容性较强。
实施例二
一种基于光散射场的颗粒物粒径分布测量系统200，包括：曲面反射镜，光学镜头，光电转换器，以及处理器。其中，曲面反射镜用于在入射光入射方向的一侧，收集该待测区域中所有颗粒在观测角度范围内的散射光信号；光学镜头用于对散射光信号进行整形处理，光电转换器用于采集观测角度范围内每个角度对应的独立的散射光信号；处理器用于基于各角度的散射光信号，通过反向推演，计算得到颗粒物粒径分布。
由于在颗粒物粒径分布测量中，最终的粒径分布测量结果均需从采集到的光信号中反向求解得到，所以获取更高维的散射光信号是光学测量方法的关键，本发明创造性的组合曲面反射镜、光学镜头、光电转换器，结构简单，成本低，其可实现观测角度范围内所有角度对应的散射光信号的独立采集，获得大范围、高角分辨率的散射角谱，为粒径分布的准确求解，提供较多通道的散射光信号。最后采用处理器基于各角度的散射光信号，反向推演得到颗粒物粒径分布。其中，关于将曲面反射镜设置在入射光入射方向的一侧，需要说明的是，在入射光的照射下，颗粒物由于其散射效应而将向整个空间各个方向中辐射散射光信号，形成散射光场。根据Mie散射理论，当颗粒物都近似为等效球体看待时，待颗粒物的散射光场也可近似看作关于入射光方向轴对称。因此只需获得散射光场的“一半”，即可得到颗粒物在空间中的全部散射光信号。因此，曲面反射镜在入射光入射方向的一侧，收集实际所需的观测角度范围内的散射光场。另外，为了能够接收到观测角度范围内所有角度的散射信号，就要在大尺度空间内的较大的接收面，此时会出现采集面和接收面的面积不匹配的问题，同时考虑到干扰光线的影响，因而为了在环境中成功准确地分拣到所有角度对应的独立的散射信号，引入光学镜头对收集的所有散射信号进行整形处理，以准确采集到观测角度范围内所有角度对应的独立的散射信号。本系统实现了现有大型昂贵仪器设备拥有的测量功能，且结构简单，成本较低。
优选的，处理器具体用于：基于各角度的散射光信号，采用正则化方法和迭代算法，或者，采用深度学习卷积神经网络，计算得到颗粒物粒径分布。
优选的，在入射光入射方向的一侧，具体为：曲面反射镜在入射光入射方向的一侧且其中轴线与入射方向垂直；
另外，观测角度范围为0-180度。
优选的，曲面反射镜具体用于：收集并反射待测区域中所有颗粒在观测角度范围内各角度的散射信号，以对观测角度范围内所有角度的散射光信号的方向进行平行或类平行转换；
则光学镜头具体用于：在观测角度范围内所有角度的散射光信号的方向相互独立无交叉时，对所有角度的散射光信号进行信号间距离缩放、去干扰处理，使各角度的散射光信号独立投影到面积小于观测角度范围的投影区域；光电转换器具体用于：在投影区域，采集每个角度对应的独立的散射光信号。
相关示例及技术方案同实施例一，在此不再赘述。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于光散射场的颗粒物粒径分布测量方法，其特征在于，包括：
S1、将入射光直接射向待测环境中待测区域；
S2、采用曲面反射镜，在所述入射光入射方向的一侧，收集该待测区域中所有颗粒在实际所需观测角度范围内的散射光信号；采用光学镜头对所述散射光信号进行整形处理，之后，采用光电转换器采集所述观测角度范围内每个角度对应的独立的散射光信号；
具体为：采用曲面反射镜，在所述入射光入射方向的一侧，收集并反射该待测区域中所有颗粒在观测角度范围内的散射光信号，以对所述观测角度范围内所有角度的散射光信号的方向进行平行或类平行转换；采用光学镜头，在相互独立无交叉时，对所有角度的散射光信号进行信号间距离缩放、去干扰处理，使各角度的散射光信号独立投影到比所述观测角度范围的面积小的投影区域；采用光电转换器，在所述投影区域采集每个角度对应的独立的散射光信号；
其中，所述曲面反射镜和所述光学镜头的类型根据所述观测角度范围确定；
S3、基于各角度的所述散射光信号，通过反向推演，计算得到颗粒物粒径分布。
2.根据权利要求1所述的一种基于光散射场的颗粒物粒径分布测量方法，其特征在于，所述S3包括：
基于各角度的所述散射光信号，采用正则化方法和迭代算法，或者，采用深度学习卷积神经网络，计算得到颗粒物粒径分布。
3.根据权利要求1所述的一种基于光散射场的颗粒物粒径分布测量方法，其特征在于，所述S2中，所述在所述入射光入射方向的一侧，具体为：在所述入射光入射方向的一侧且所述曲面反射镜的中轴线与所述入射方向垂直。
4.根据权利要求1所述的一种基于光散射场的颗粒物粒径分布测量方法，其特征在于，所述观测角度范围为0-180度。
5.根据权利要求1至4任一项所述的一种基于光散射场的颗粒物粒径分布测量方法，其特征在于，所述转换为平行转换。
6.一种基于光散射场的颗粒物粒径分布测量系统，其特征在于，包括：
入射光源，用于将入射光直接射向待测环境中待测区域；
曲面反射镜，用于在所述入射光入射方向的一侧，收集该待测区域中所有颗粒在实际所需观测角度范围内的散射光信号；
光学镜头，用于对所述散射光信号进行整形处理，
光电转换器，用于采集所述观测角度范围内每个角度对应的独立的散射光信号；
处理器，用于基于各角度的所述散射光信号，通过反向推演，计算得到颗粒物粒径分布；
其中，所述曲面反射镜具体用于：收集并反射待测区域中所有颗粒在观测角度范围内各角度的散射信号，以对所述观测角度范围内所有角度的散射光信号的方向进行平行或类平行转换；
则所述光学镜头具体用于：在所述观测角度范围内所有角度的散射光信号的方向相互独立无交叉时，对所有角度的散射光信号进行信号间距离缩放、去干扰处理，使各角度的散射光信号独立投影到面积小于所述观测角度范围的投影区域；
所述光电转换器具体用于：在所述投影区域，采集每个角度对应的独立的散射光信号；
其中，所述曲面反射镜和所述光学镜头的选择和设计根据所述观测角度范围确定。
7.根据权利要求6所述的一种基于光散射场的颗粒物粒径分布测量系统，其特征在于，所述处理器具体用于：
基于各角度的所述散射光信号，采用正则化方法和迭代算法，或者，采用深度学习卷积神经网络，计算得到颗粒物粒径分布。
8.根据权利要求6所述的一种基于光散射场的颗粒物粒径分布测量系统，其特征在于，所述在所述入射光入射方向的一侧，具体为：所述曲面反射镜在所述入射光入射方向的一侧且其中轴线与所述入射方向垂直；
所述观测角度范围为0-180度。
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