[發(fā)明專利]一種基于短脈沖激光透反射信號(hào)的球形顆粒光譜復(fù)折射率測(cè)量方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310467042.1
• 申請(qǐng)日: 2013-10-09
• 公開（公告）號(hào): CN103487356A
• 公開（公告）日: 2014-01-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 賀振宗;齊宏;任亞濤;孫雙成;阮立明;談和平
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N15/00
• 分類號(hào): G01N15/00;G01N15/02
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標(biāo)事務(wù)所 23109
• 代理人: 岳泉清

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于顆粒光學(xué)特性測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

在自然界及工業(yè)生產(chǎn)中，很多物質(zhì)及產(chǎn)品呈現(xiàn)顆粒狀態(tài)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，工業(yè)中有50%以上的產(chǎn)品與中間產(chǎn)物呈顆粒狀。顆粒的吸收散射以及發(fā)射等性質(zhì)在許多工程及環(huán)境系統(tǒng)內(nèi)扮演著重要的角色，因此對(duì)顆粒的光譜復(fù)折射率的求解就顯得尤為重要。顆粒的光譜復(fù)折射率屬于顆粒的基本物性參數(shù)，與顆粒的組成成分、溫度水平及表面的狀況等因素有關(guān)。然而，顆粒的光譜復(fù)折射率不能通過實(shí)驗(yàn)直接測(cè)量得到，通常都采用某些實(shí)驗(yàn)測(cè)得的參數(shù)結(jié)合相關(guān)的反演理論模型進(jìn)行計(jì)算。

常見的顆粒光學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)研究方法有反射法、透射法和散射法。其中，反射法是通過測(cè)量顆粒壓片的反射率，結(jié)合相應(yīng)的理論模型，求顆粒光譜復(fù)折射率的反問題研究方法。該方法得到主要是塊狀的物質(zhì)的光譜復(fù)折射率，由于實(shí)驗(yàn)所制壓片的表面并不光滑，不服從鏡反射原理，因此使得實(shí)驗(yàn)測(cè)得結(jié)果有很大偏差。透射法是通過測(cè)量顆粒壓片的透射率，并結(jié)合K-K關(guān)系式和相應(yīng)的理論模型，反演求解顆粒的光譜復(fù)折射率的研究方法。該方法可以使得顆粒保持自然狀態(tài)，并且實(shí)驗(yàn)所需設(shè)備簡(jiǎn)單、精度高、操作方便和適應(yīng)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，但是K-K關(guān)系式需要考慮全波長范圍的積分，而實(shí)驗(yàn)中的激光器通常都是有限波長范圍，這就增加了實(shí)驗(yàn)測(cè)量和理論計(jì)算的難度，降低了實(shí)驗(yàn)的精確度。散射法是通過測(cè)量激光照射到顆粒系上后，不同方向的散射光的強(qiáng)度，然后結(jié)合相應(yīng)的理論模型求解顆粒的光譜復(fù)折射率的反問題研究方法。該方法能很好的保持顆粒的自然狀態(tài)，但是確定某一波長下的光譜復(fù)折射率至少需要測(cè)三個(gè)不相關(guān)方向的散射量，這就增加實(shí)驗(yàn)測(cè)量過程的難度。

綜上所述現(xiàn)有的球形顆粒光譜復(fù)折射率測(cè)量方法仍然存在測(cè)量過程復(fù)雜和精確度低的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有的球形顆粒光譜復(fù)折射率測(cè)量方法仍然存在測(cè)量過程復(fù)雜和精確度低的問題。提出了一種基于短脈沖激光透反射信號(hào)的球形顆粒光譜復(fù)折射率測(cè)量方法。

本發(fā)明所述一種基于短脈沖激光透反射信號(hào)的球形顆粒光譜復(fù)折射率測(cè)量方法，該方法的具體步驟為：

步驟一、將待測(cè)顆粒裝在有機(jī)玻璃樣本容器中，將待測(cè)顆粒溶于溶液中，并攪拌均勻，使顆粒系處于懸浮流動(dòng)狀態(tài)；

步驟二，利用脈沖寬度為t_p的波長為λ的短脈沖激光沿著與樣本容器表面法線成θ_c角的方向入射到樣本容器左側(cè)表面；其中，10^-12s≤t_p≤10^-9s，0<θ_c<π/2，0.3μm<λ<2.5μm；

步驟三、采用單光子計(jì)數(shù)器在樣本顆粒容器的左側(cè)表面測(cè)量時(shí)間分辨半球反射信號(hào)，在樣本顆粒容器的右側(cè)表面測(cè)量時(shí)間分辨半球透射信號(hào)，并記錄樣本顆粒的左側(cè)邊界處的時(shí)間分辨半球反射信號(hào)R_exp(t,λ)和右側(cè)邊界處的時(shí)間分辨半球透射信號(hào)τ_exp(t,λ)；

步驟四、利用粒徑分析儀測(cè)量樣本顆粒系的粒徑，并根據(jù)粒徑的分布規(guī)律獲得粒徑分布函數(shù)P(D)；

步驟五、利用待測(cè)顆粒光譜復(fù)折射率方程m(λ)=n(λ)+ik(λ)，通過待測(cè)顆粒的折射率范圍對(duì)該待測(cè)物質(zhì)的折射率n進(jìn)行取值，通過待測(cè)顆粒的吸收因子的取值范圍對(duì)該待測(cè)顆粒的吸收因子k進(jìn)行取值，獲得該種待測(cè)顆粒單個(gè)顆粒的光譜復(fù)折射率m(λ)；其中i為虛數(shù)單位；（煤灰顆粒的n∈[1.18,1.92]，k∈[0.01,1.13]）

步驟六、通過現(xiàn)有Mie理論，利用步驟五獲得的該種待測(cè)顆粒的光譜復(fù)折射率m(λ)，獲得單個(gè)顆粒的光譜吸收截面C_abs,pred(D,λ)和光譜散射截面C_sca,pred(D,λ)；

步驟七、利用步驟六獲得的單個(gè)顆粒的光譜吸收截面C_abs,pred(D,λ)和光譜散射截面C_sca,pred(D,λ)，獲得顆粒系的吸收系數(shù)κ_a(λ)和散射系數(shù)κ_s(λ)；

步驟八、利用步驟七獲得顆粒系的吸收系數(shù)κ_a(λ)和散射系數(shù)κ_s(λ)，通過對(duì)輻射傳輸方程求解，獲得計(jì)算域內(nèi)的輻射強(qiáng)度場(chǎng)I(x,θ,t,λ)；

步驟九、通過公式：