[發明專利]利用單頻調制激光輻照技術測量球形顆粒分形聚集特征參數的方法

有效

• 申請號: 201710445293.8
• 申請日: 2017-06-13
• 公開（公告）號: CN107300514B
• 公開（公告）日: 2019-07-09
• 發明（設計）人: 賀振宗;毛軍逵;韓省思;伍祥瑞
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G01N15/00
• 分類號: G01N15/00;G01N15/02
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 楊曉玲

本發明提供一種利用單頻調制激光輻照技術測量球形顆粒分形聚集特征參數的方法，采用單頻調制激光輻照顆粒系一側表面，用探測器測量顆粒系另一側多角度頻域散射測量信號，同時用粒度分析儀測量得到球形顆粒粒徑分布，利用傅里葉光譜分析儀、Mie散射理論、Kramers?Kranigs關系式及人工蜂群優化算法獲得球形顆粒光學常數，最后基于多角度頻域散射測量信號結合逆問題求解技術間接得到球形顆粒分形聚集特征參數。本發明通過建立測量球形顆粒分形聚集特征參數的正、逆問題模型，在已知顆粒其他物性參數的前提下，提出了運用多體T矩陣理論模型結合人工蜂群優化算法反演獲得球形顆粒分形聚集特征參數的方法。

技術領域

本發明涉及一種利用單頻調制激光輻照技術的球形顆粒分形聚集特征參數的測量方法，屬于顆粒聚集特征測量技術領域。

背景技術

顆粒態物質廣泛存在于能源、大氣、航空、航天等領域，如燃燒室碳黑顆粒、火箭發動機噴射的Al₃O₂顆粒、大氣氣溶膠顆粒、微藻顆粒等，且多呈現出分形聚集狀態。顆粒分形聚集對顆粒吸收散射特性有著重要的影響，因此開展顆粒分形聚集特征參數研究對分析燃燒產物生成機理、微藻生長動力學、大氣輻射傳輸及全球氣候變化等均有重要的指導意義。

現有顆粒分形聚集特征參數測量方法可分為接觸式測量和非接觸式測量。接觸式測量即從顆粒系中取得樣本，再利用掃描電鏡或傳輸電鏡直接測量獲得顆粒分形聚集特征參數。非接觸式測量通常僅借助光學測量手段獲取顆粒系外部輻射信息，并結合逆問題求解技術間接重構碳黑顆粒輻射特性，又稱為反演法。相比于接觸式測量，非接觸式測量方法能實現在線監測，能獲得具有時間和空間分辨能力的測量結果，且不會干擾測量對象，因此更受青睞。

常見的非接觸式測量方法有光譜消光法、紅外發射CT法、雙色法等。與以往非接觸式方法不同，本項發明用單頻調制激光輻照球形顆粒系的一側，然后用探測器獲得另一側的多角度頻域散射信號，然后用粒度分析儀測量顆粒系的粒徑分布情況，并用傅里葉光譜分析儀、K-K關系式、Mie散射理論及人工蜂群優化算法等反演獲得顆粒的光學常數，最后基于測量獲得的多角度頻域散射信號結合逆問題求解技術間接得到球形顆粒分形聚集特征參數。本項發明充分的借助單頻調制激光提供的豐富的與頻率、相位相關的輻射測量信息，能有效解決以往研究中測量精度不高、收斂速度慢及魯棒性低等問題。

發明內容

本發明的主要目的在于：提供一種實驗結合反演算法求解球形顆粒分形聚集特征參數的方法，基本思路是通過實驗測得顆粒系的多角度頻域散射信號，然后結合多體T矩陣理論模型和人工蜂群算法反演得到顆粒分形聚集特征參數。

本發明的方法是：首先將要測量的球形顆粒聚集體做成懸浮顆粒系樣本，然后用單頻調制激光照射顆粒系一側，用探測器測量顆粒系另一側的多角度頻域散射信號，再用粒徑分析儀測量得到顆粒粒徑分布情況，用傅里葉光譜分析儀結合K-K關系式、Mie散射理論及人工蜂群算法獲得顆粒光學常數。將探測器所測得多角度頻域散射信號作為反問題的初始條件，結合多體T矩陣理論模型和人工蜂群優化算法反演得到顆粒分形聚集特征參數。

本發明的具體步驟如下：

一種利用單頻調制激光輻照技術的球形顆粒分形聚集特征參數的測量方法，包括如下步驟：

步驟1：將待測顆粒裝在有機玻璃樣本容器中，使樣本容器中的樣本顆粒系處于懸浮流動狀態；

步驟2：利用脈沖寬度為t_p、波長為λ、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0＜θ_c＜π/2；用探測器在樣本容器右側表面測量不同角度方向θ_j上的頻域散射信號，獲得樣本容器右側表面角度頻域散射信號強度L為樣本容器厚度，θ_j為散射光與樣本容器表面法線的夾角；