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

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，本发明专利技术涉及参与性介质辐射物性测量技术领域。本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术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。

A method for simultaneous measurement of optical constants and particle size distribution of spherical particles based on ultrashort pulsed laser radiation

The invention relates to a measuring method for simultaneously obtaining optical constants and particle size distribution of spherical particles based on ultrashort pulsed laser radiation, and relates to the field of measurement technology of the radiation properties of a participating medium. The invention aims to solve the problem that the experimental measurement error is large and the measurement signal is weak in the measurement of the radiation parameters of a participating medium based on inverse problem solving. The invention uses the pulsed laser irradiation system particle sample surface, specimen thickness and incident laser wavelength by changing the different angles and measuring the time-domain transmission and reflection signals, and then combine these signals and by obtaining spherical particles optical constant and particle size distribution of inverse problem solving technique. The invention establishes a positive and an inverse problem model for measuring the optical constants and the particle size distribution of a particle system, and proposes the premise of the other physical parameters of the known medium. The present invention is applicable to simultaneous measurements of optical constants and particle size distributions of spherical particles.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及参与性介质辐射物性测量

技术介绍
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，本专利技术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。
技术实现思路
本专利技术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tp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Tmea(θ1,L1,λ1)和Rmea(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tp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Tmea(θ1,L1,λ2)和Rmea(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Tmea(θ1,L2,λ1)和Rmea(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Tmea(θ1,L2,λ2)和Rmea(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Ka和散射系数Ks；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Ka和散射系数Ks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Test(θ1,Lj,λk)和Rest(θ2,Lj,λk)，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Tmea(θ1,Lj,λk)和Rmea(θ2,Lj,λk)以及步骤六中的预测值Test(θ1,Lj,λk)和Rest(θ2,Lj,λk)，计算获得逆问题算法中的目标函数Fobj：式中t0表示探测器的测量时间；步骤八、判断目标函数Fobj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。本专利技术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。本专利技术实验采用瞬态激光，激光器廉价购买方便，且模型简单，便于理论求解。本专利技术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tp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Tmea(θ1,L1,λ1)和Rmea(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tp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Tmea(θ1,L1,λ2)和Rmea(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Tmea(θ1,L2,λ1)和Rmea(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Tmea(θ1,L2,λ2)和Rmea(θ2,L2,λ2)；步骤四、利用逆问题求解本文档来自技高网...

【技术保护点】
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tp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Tmea(θ1,L1,λ1)和Rmea(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tp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Tmea(θ1,L1,λ2)和Rmea(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Tmea(θ1,L2,λ1)和Rmea(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Tmea(θ1,L2,λ2)和Rmea(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κa和散射系数κs；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κa和散射系数κs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Test(θ1,Lj,λk)和Rest(θ2,Lj,λk)，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Tmea(θ1,Lj,λk)和Rmea(θ2,Lj,λk)以及步骤六中的预测值Test(θ1,Lj,λk)和Rest(θ2,Lj,λk)，计算获得逆问题算法中的目标函数Fobj：Fobj=∫0t0[Σj=12Σk=12[[Test(θ1,Lj,λk)-Tmea(θ1,Lj,λk)Tmea(θ1,Lj,λk)]2+[Rest(θ2,Lj,λk)-Rmea(θ2,Lj,λk)Rmea(θ2,Lj,λk)]2]]]]>式中t0表示探测器的测量时间；步骤八、判断目标函数Fobj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。...

【技术特征摘要】
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tp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Tmea(θ1,L1,λ1)和Rmea(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tp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Tmea(θ1,L1,λ2)和Rmea(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Tmea(θ1,L2,λ1)和Rmea(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Tmea(θ1,L2,λ2)和Rmea(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κa和散射系数κs；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κa和散射系数κs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Test(θ1,Lj,λk)和Rest(θ2,Lj,λk)，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Tmea(θ1,Lj,λk)和Rmea(θ2,Lj,λk)以及步骤六中的预测值Test(θ1,Lj,λk)和Rest(θ2,Lj,λk)，计算获得逆问题算法中的目标函数Fobj：Fobj=∫0t0[Σj=12Σk=12[[Test(θ1,Lj,λk)-Tmea(θ1,Lj,λk)Tmea(θ1,Lj,λk)]2+[Rest(θ2,Lj,λk)-Rmea(θ2,Lj,λk)Rmea(θ2,Lj,λk)]2&r...

【专利技术属性】
技术研发人员：任亚涛，齐宏，张俊友，孙建平，阮立明，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23