[發明專利]一種利用單頻調制激光輻照技術測量球形顆粒光譜復折射率的方法

有效

• 申請號: 201310467043.6
• 申請日: 2013-10-09
• 公開（公告）號: CN103471968A
• 公開（公告）日: 2013-12-25
• 發明（設計）人: 齊宏;賀振宗;任亞濤;孫雙成;阮立明;談和平
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01N15/00
• 分類號: G01N15/00
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 岳泉清

技術領域

本發明屬于顆粒光學特性測量技術領域。

背景技術

在自然界及工業生產中，很多物質及產品呈現顆粒狀態，例如黏土、灰塵和沙子；人類的食物也是往往是顆粒狀，比如大米，豆子、蔗糖和鹽；還有很多加工物，例如煤炭、水泥和化肥等等。顆粒的吸收散射以及發射等性質在許多工程及環境系統內扮演著重要的角色，因此對顆粒的光譜復折射率的求解就顯得尤為重要。顆粒的光譜復折射率屬于顆粒的基本物性參數，與顆粒的組成成分、溫度水平及表面的狀況等因素有關。然而，顆粒的光譜復折射率不能通過實驗直接測量得到，通常都采用某些實驗測得的參數結合相關的反演理論模型進行計算。

常見的顆粒光學特性的實驗研究方法有反射法、透射法和散射法。其中，反射法是通過測量顆粒壓片的反射率，結合相應的理論模型，求顆粒光譜復折射率的反問題研究方法。該方法得到主要是塊狀的物質的光譜復折射率，由于實驗所制壓片的表面并不光滑，不服從鏡反射原理，因此使得實驗測得結果有很大偏差。透射法是通過測量顆粒壓片的透射率，并結合K-K關系式和相應的理論模型，反演求解顆粒的光譜復折射率的研究方法。該方法可以使得顆粒保持自然狀態，并且實驗所需設備簡單、精度高、操作方便和適應范圍廣等優點，但是K-K關系式需要考慮全波長范圍的積分，而實驗中的激光器通常都是有限波長范圍，這就增加了實驗測量和理論計算的難度。散射法是通過測量激光照射到顆粒系上后，不同方向的散射光的強度，然后結合相應的理論模型求解顆粒的光譜復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，但是確定某一波長下的光譜復折射率至少需要測三個不相關方向的散射量，這就增加實驗測量過程的難度。

綜上所述現有的球形顆粒光譜復折射率測量方法仍然存在測量過程復雜和精確度低的問題。

發明內容

本發明為了解決現有的球形顆粒光譜復折射率測量方法仍然存在測量過程復雜和精確度低的問題。提出了一種利用單頻調制激光輻照技術測量球形顆粒光譜復折射率的方法。

本發明所述一種利用單頻調制激光輻照技術測量球形顆粒光譜復折射率的方法，該方法的具體步驟為：

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

步驟二、利用脈沖寬度為t_p的波長為λ的角頻率為ω的單頻調制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表面；其中，10^-12s≤t_p≤10^-9s，0<θ_c<π/2，400MHz<ω<800MHz，0.3μm<λ<2.5μm；

步驟三、采用光電接收器在樣本顆粒容器的左側表面測量頻域半球反射信號，在樣本顆粒容器的右側表面測量頻域半球透射信號，并記錄樣本顆粒的左側邊界處的時頻域半球反射信號和右側邊界處的頻域半球透射信號

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

步驟五、利用待測顆粒光譜復折射率方程m(λ)=n(λ)+ik(λ)，通過待測顆粒的折射率范圍對該待測物質的折射率n進行取值，通過待測顆粒的吸收因子的取值范圍對該待測顆粒的吸收因子k進行取值，獲得該種待測顆粒單個顆粒的光譜復折射率m(λ)；其中i為虛數單位；

步驟六、通過現有Mie理論，利用步驟五獲得的該種待測顆粒的光譜復折射率m(λ)，獲得單個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κ_a(λ)和散射系數κ_s(λ)；

步驟八、利用步驟七獲得顆粒系的吸收系數κ_a(λ)和散射系數κ_s(λ)，通過對輻射傳輸方程求解，獲得計算域內的輻射強度場I_c(ω,λ)；

步驟九、通過公式：