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測量顆粒粒徑分布的方法及裝置.pdf

摘要
申請專利號:

CN201410126595.5

申請日:

2014.03.31

公開號:

CN103983546A

公開日:

2014.08.13

當前法律狀態:

撤回

有效性:

無權

法律詳情: 發明專利申請公布后的視為撤回IPC(主分類):G01N 15/02申請公布日:20140813|||實質審查的生效IPC(主分類):G01N 15/02申請日:20140331|||公開
IPC分類號: G01N15/02 主分類號: G01N15/02
申請人: 中國科學院高能物理研究所
發明人: 楊福桂; 王秋實; 李明; 盛偉繁
地址: 100049 北京市石景山區玉泉路19號(乙院)
優先權:
專利代理機構: 北京志霖恒遠知識產權代理事務所(普通合伙) 11435 代理人: 孟阿妮
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201410126595.5

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2016.10.12|||2014.09.10|||2014.08.13

法律狀態類型:

發明專利申請公布后的視為撤回|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明提供了一種測量顆粒粒徑分布的方法及裝置,其中,測量顆粒粒徑分布的方法包括:通過陣列探測器測量顆粒群散射光強的角分布,其中,所述角分布中的離散角度對應所述陣列探測器的各個離散探測像素;選定粒徑區間及采樣粒徑,根據所述粒徑區間和所述采樣粒徑計算所述采樣粒徑的粒徑參數,并基于Mie散射計算系數矩陣;將所述系數矩陣與所述角分布作為最大似然函數迭代反演方法的參數,計算所述顆粒群的最終粒徑分布。本發明能夠對低信噪比測量數據實現準確的粒徑分布反演計算。

權利要求書

權利要求書
1.  一種測量顆粒粒徑分布的方法,其特征在于,包括:
通過陣列探測器測量顆粒群散射光強的角分布,其中,所述角分布中的離散角度對應所述陣列探測器的各個離散探測像素;
選定粒徑區間及采樣粒徑,根據所述粒徑區間和所述采樣粒徑計算所述采樣粒徑的粒徑參數,并基于Mie散射計算系數矩陣;
將所述系數矩陣與所述角分布作為最大似然函數迭代反演方法的參數,計算所述顆粒群的最終粒徑分布。

2.  根據權利要求1所述的測量顆粒粒徑分布的方法,其特征在于,所述將所述系數矩陣與所述角分布作為最大似然函數迭代反演方法的參數,計算所述顆粒群的最終粒徑分布的步驟包括:
將所述系數矩陣與所述角分布作為最大似然函數迭代反演方法的參數,計算兩個相鄰迭代過程的第一粒徑分布與第二粒徑分布;
計算所述第二粒徑分布于所述第一粒徑分布之間的誤差值;
若確定所述誤差值小于設定值,停止反演迭代計算,并將所述第二粒徑分布作為所述顆粒群的所述最終粒徑分布。

3.  根據權利要求2所述的測量顆粒粒徑分布的方法,其特征在于,所述將所述系數矩陣與所述角分布作為最大似然函數迭代反演方法的參數,計算兩個相鄰迭代過程的第一粒徑分布與第二粒徑分布的步驟具體通過如下公式計算得到:
fi(n+1)=fi(n)Σj=1N(hij)kΣp=1N(hij)kImeans,jΣl=1Mflnhlj]]>
其中,為所述第一粒徑分布,表示第n次迭代所產生的對應粒徑參數xi的比重;為所述第二粒徑分布,表示第n+1次迭代所產生的對應粒徑參數xi的比重;Imeans(θj)為所述角分布,所述離散角度θj對應各個離散探測像素,j=1、2、…、N,N表示離散探測像素的像素個數;hij為所述系數矩陣中的矩陣元素;k的取值范圍為0.1~2.0。

4.  根據權利要求3所述的測量顆粒粒徑分布的方法,其特征在于,通過如下公式計算得到所述兩個相鄰迭代過程之間的誤差值:
E=1NΣj=1N(Ij(n)-Ij(n+1)Imeas,j)2]]>
其中,是第n次迭代后得到的理論光強角分布。

5.  一種測量顆粒粒徑分布的裝置,其特征在于,包括:陣列探測器與信號采集與處理模塊;其中,
所述陣列探測器用于測量顆粒群散射光強的角分布,其中,所述角分布中的離散角度對應所述陣列探測器的各個離散探測像素;
所述信號采集與處理模塊用于從所述顆粒群中選定粒徑區間及采樣粒徑,根據所述粒徑區間和所述采樣粒徑計算所述采樣粒徑的粒徑參數,并基于Mie散射計算系數矩陣;將所述系數矩陣與所述角分布作為最大似然函數迭代反演方法的參數,計算所述顆粒群的最終粒徑分布。

6.  根據權利要求5所述的測量顆粒粒徑分布的裝置,其特征在于,所述信號采集與處理模塊包括:
第一計算單元,用于將所述系數矩陣與所述角分布作為最大似然函數迭代反演方法的參數,計算兩個相鄰迭代過程的第一粒徑分布與第二粒徑分布;
第二計算單元,用于計算所述第二粒徑分布于所述第一粒徑分布之間的誤差值;
確定單元,用于若確定所述誤差值小于設定值,停止反演迭代計算,并將所述第二粒徑分布作為所述顆粒群的所述最終粒徑分布。

7.  根據權利要求6所述的測量顆粒粒徑分布的裝置,其特征在于,所述第一計算單元計算兩個相鄰迭代過程的第一粒徑分布與第二粒徑分布通過如下公式計算得到:
fi(n+1)=fi(n)Σj=1N(hij)kΣp=1N(hij)kImeans,jΣl=1Mflnhlj]]>
其中,為所述第一粒徑分布,表示第n次迭代所產生的對應粒 徑參數xi的比重;為所述第二粒徑分布,表示第n+1次迭代所產生的對應粒徑參數xi的比重;Imeans(θj)為所述角分布,所述離散角度θj對應各個離散探測像素,j=1、2、…、N,N表示離散探測像素的像素個數;hij為所述系數矩陣中的矩陣元素;k的取值范圍為0.1~2.0。

8.  根據權利要求7所述的測量顆粒粒徑分布的裝置,其特征在于,所述第二計算單元通過如下公式計算得到所述誤差值:
E=1NΣj=1N(Ij(n)-Ij(n+1)Imeas,j)2]]>
其中,是第n次迭代后得到的理論光強角分布。

說明書

說明書測量顆粒粒徑分布的方法及裝置
技術領域
本發明涉及顆粒粒徑測量技術領域,特別涉及一種測量顆粒粒徑分布的方法及裝置。
背景技術
顆粒粒徑的測量在諸如大氣科學、燃燒、化學工程等科研與工程領域有非常重要的意義。基于Mie散射的激光散射顆粒粒徑測量方法是目前研究最為廣泛的一種技術,它保持了傳統光學測量技術的特有優點,包括無接觸、精度高、速度快、實時性等。對粒徑逆散射問題進行建模,探測信號角分布函數可以表達為:
I(θ)=∫0h(r,λ,θ,m)f(r)dr]]>
其中,λ是入射光的波長,m=mRe-imIm是顆粒相對周圍介質的相對折射率,r是顆粒半徑徑,積分核h(r,λ,θ,m)是半徑為r的單個顆粒在θ角位置上的散射光強貢獻,可使用Mie散射或者Fraunhofer衍射計算,f(r)則是待求解的直徑在r到r+dr之間的顆粒數密度。分布函數限定法首先預先假設待測顆粒滿足一定的分布模型,接著使用優化擬合算法求解這種分布模型所依賴的幾個重要參數。但是大多數情況下,由于分布函數形式是未知的,或者是多峰的,因此會產生非常大的誤差,此外,由于大部分的算法僅適用于衍射近似成立的情形,因此大大降低了算法的小粒徑反演的性能。
發明內容
在下文中給出關于本發明的簡要概述,以便提供關于本發明的某些方面的基本理解。應當理解,這個概述并不是關于本發明的窮舉性概述。它并不是意圖確定本發明的關鍵或重要部分,也不是意圖限定本發明的范圍。其目的僅僅是以簡化的形式給出某些概念,以此作為稍后論述的更詳細描述的前序。
本發明提供一種測量顆粒粒徑分布的方法,該測量顆粒粒徑分布的 方法包括如下步驟:
通過陣列探測器測量顆粒群散射光強的角分布,其中,所述角分布中的離散角度對應所述陣列探測器的各個離散探測像素;
選定粒徑區間及采樣粒徑,根據所述粒徑區間和所述采樣粒徑計算所述采樣粒徑的粒徑參數,并基于Mie散射計算系數矩陣;
將所述系數矩陣與所述角分布作為最大似然函數迭代反演方法的參數,計算所述顆粒群的最終粒徑分布。
本發明提供了一種測量顆粒粒徑分布的裝置,其中,該測量顆粒粒徑分布的裝置包括:陣列探測器與信號采集與處理模塊;
所述陣列探測器用于測量顆粒群散射光強的角分布,其中,所述角分布中的離散角度對應所述陣列探測器的各個離散探測像素;
所述信號采集與處理模塊用于從所述顆粒群中選定粒徑區間及采樣粒徑,根據所述粒徑區間和所述采樣粒徑計算所述采樣粒徑的粒徑參數,并基于Mie散射計算系數矩陣;將所述系數矩陣與所述角分布作為最大似然函數迭代反演方法的參數,計算所述顆粒群的最終粒徑分布。
本發明提供的測量顆粒粒徑分布的方法及裝置,通過將所述系數矩陣與所述角分布作為最大似然函數迭代反演方法的參數,計算顆粒群的最終粒徑分布,能夠對低信噪比測量數據實現準確的粒徑分布反演計算,獲得較好的粒徑分布;此外,由于最大似然函數迭代反演不會引起迭代發散,且速度較快,因此適合實時測量,并大大降低了對實驗條件的要求。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案,下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹,顯而易見地,下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例,對于本領域普通技術人員來講,在不付出創造性勞動的前提下,還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為本發明一個實施例提供的測量顆粒粒徑分布的方法的流程示意圖。
圖2為本發明另一個實施例提供的測量顆粒粒徑分布的裝置的結構圖。
圖3為本發明實施例所適用的測量顆粒粒徑分布的系統結構圖。
圖4為本發明實施例符合R-R分布、對數正態和伽馬分布的顆粒粒徑的分布圖。
圖5為圖4所示的顆粒群的散射光場的分布圖。
圖6為通過本發明實施例進行實驗的反演結果的分布圖。
圖7為通過本發明實施例進行實驗的迭代收斂圖。
具體實施方式
為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚,下面將結合本發明實施例中的附圖,對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述,顯然,所描述的實施例是本發明一部分實施例,而不是全部的實施例。在本發明的一個附圖或一種實施方式中描述的元素和特征可以與一個或更多個其它附圖或實施方式中示出的元素和特征相結合。應當注意,為了清楚的目的,附圖和說明中省略了與本發明無關的、本領域普通技術人員已知的部件和處理的表示和描述。基于本發明中的實施例,本領域普通技術人員在沒有付出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例,都屬于本發明保護的范圍。
圖1為本發明一個實施例提供的測量顆粒粒徑分布的方法的流程示意圖;如圖1所示,本發明實施例包括如下步驟:
步驟101、通過陣列探測器測量顆粒群散射光強的角分布,其中,角分布中的離散角度對應陣列探測器的各個離散探測像素。
步驟102、選定粒徑區間及采樣粒徑,根據粒徑區間和采樣粒徑計算采樣粒徑的粒徑參數,并基于Mie散射計算系數矩陣。
步驟103、將系數矩陣與角分布作為最大似然函數迭代反演方法的參數,計算顆粒群的最終粒徑分布。
本發明提供的測量顆粒粒徑分布的方法,將所述系數矩陣與所述角分布作為最大似然函數迭代反演方法的參數,計算顆粒群的最終粒徑分布,能夠對低信噪比測量數據實現準確的粒徑分布反演計算,獲得較好的粒徑分布;此外,由于最大似然函數迭代反演不會引起迭代發散,且速度較快,因此適合實時測量,并大大降低了對實驗條件的要求。
具體地,在上述圖1實施例中,在步驟101中,使用陣列探測器測 量顆粒群散射光強的角分布為Imeans(θj),其中,離散角度θj對應各個離散探測像素,j=1、2、…、N,N表示離散探測像素的像素個數。
在上述圖1實施例中,在步驟102中,選定的粒徑區間為[rmin,rmax]及采樣粒徑ri,{i=1,2,…,M},其中,M表示在選定的粒徑區間[rmin,rmax]上離散采樣粒徑的數目。通過采樣粒徑ri,可以計算得到粒徑參數xi=2πri/λ,其中,λ為測量系統所用激光的波長。基于Mie散射理論計算系數矩陣矩陣元素hij是半徑為ri的顆粒在角度θj上的散射光強度;由于Mie散射為本領域技術人員所熟知的理論,因此本發明實施例不再對Mie理論進行描述。
在上述圖1實施例中,在步驟103中,將所述系數矩陣與所述角分布作為最大似然函數迭代反演方法的參數,計算顆粒群的最終粒徑分布具體參見公式(1):
fi(n+1)=fi(n)Σj=1N(hij)kΣp=1N(hij)kImeans,jΣl=1Mflnhlj---(1)]]>
其中,為第一粒徑分布,表示第n次迭代所產生的對應粒徑參數xi的比重;為第二粒徑分布,表示第n+1次迭代所產生的對應粒徑參數xi的比重;Imeans(θj)為角分布,離散角度θj對應各個離散探測像素,j=1、2、…、N,N表示離散探測像素的像素個數;hij為所述系數矩陣中的矩陣元素;k的取值范圍為0.1~2.0,較佳地,k具體可以取值為0.7。
進一步地,通過如下公式(2)計算得到所述兩個相鄰迭代過程之間的誤差值:
E=1NΣj=1N(Ij(n)-Ij(n+1)Imeas,j)2---(2)]]>
其中,是第n次迭代后得到的理論光強角分布。當該值小于設定值ε時,停止反演迭代計算,獲得最終粒徑分布。
圖2為本發明另一個實施例提供的測量顆粒粒徑分布的裝置的結構圖;如圖2所示,陣列探測器21與信號采集與處理模塊22。
其中,陣列探測器21用于測量顆粒群散射光強的角分布,其中,角分布中的離散角度對應陣列探測器21的各個離散探測像素;信號采 集與處理模塊22用于從所述顆粒群中選定粒徑區間及采樣粒徑,根據所述粒徑區間和所述采樣粒徑計算所述采樣粒徑的粒徑參數,并基于Mie散射計算系數矩陣;將系數矩陣與角分布作為最大似然函數迭代反演方法的參數,計算所述顆粒群的最終粒徑分布。
本發明提供的測量顆粒粒徑分布的裝置,通過信號采集與處理模塊22將系數矩陣與角分布作為最大似然函數迭代反演方法的參數,計算顆粒群的最終粒徑分布,能夠對低信噪比測量數據實現準確的粒徑分布反演計算,獲得較好的粒徑分布;此外,由于最大似然函數迭代反演不會引起迭代發散,且速度較快,因此適合實時測量,并大大降低了對實驗條件的要求。
在上述圖2所示實施例中,信號采集與處理模塊22包括:第一計算單元、第二計算單元、確定單元;第一計算單元,用于將所述系數矩陣與所述角分布作為最大似然函數迭代反演方法的參數,計算兩個相鄰迭代過程的第一粒徑分布與第二粒徑分布;第二計算單元,用于計算所述第二粒徑分布于所述第一粒徑分布之間的誤差值;確定單元,用于若確定所述誤差值小于設定值,停止反演迭代計算,并將所述第二粒徑分布作為所述顆粒群的所述最終粒徑分布。
在上述圖2所示實施例中,第一計算單元計算兩個相鄰迭代過程通過上述公式(1)計算得到,在此不再列出公式(1)。
在上述圖2所示實施例中,第二計算單元通過公式(2)計算得到誤差值。
為了更清楚的理解本發明實施例所述的技術方案,下面通過圖3~圖7對本發明實施例進行詳細說明。圖3為本發明實施例所適用的測量顆粒粒徑分布的系統結構圖,圖4為本發明實施例符合R-R分布、對數正態和伽馬分布的顆粒粒徑的分布圖,圖5為圖4所示的顆粒群的散射光場的分布圖,圖6為通過本發明實施例進行實驗的反演結果的分布圖,圖7為通過本發明實施例進行實驗的迭代收斂圖。
如圖3所示,測量顆粒粒徑分布的系統具體包括:激光光源模塊31、樣品池32、傅里葉透鏡33、陣列探測器34、信號采集與處理模塊35。進一步地,激光光源模塊31包括:激光器311、光束擴束器312、濾波光欄313、偏振片314;,激光器311發出窄光束,經過光束擴束器312、濾波 光欄313和偏振片314后,實現激光擴束和雜散光濾除。經處理的光線通過包含待測顆粒的樣品池32,出射光線包括了能夠反映粒徑分布信息的散射光線6和未被散射的入射光線7。接著,這些光線經過傅里葉透鏡33后,同一角度的散射光將聚焦在焦平面上同一位置。信號采集與處理模塊35首先采集散射光光強角分布I(θ),利用最大似然函數迭代反演方法,得到最終粒徑分布fi(n)。
如圖4所示,分別為R-R分布、對數正態(Log-normal)分布、伽瑪(Gamma)分布,其中,橫坐標是顆粒的直徑,縱坐標是對應的百分比(Particle sizing distribution,簡稱為PSD)。圖5為圖4所示的顆粒群的散射光場的分布圖,激光波長為532納米(nm)的綠光,顆粒懸浮在折射率為1.33的水中。
如圖6和圖7所示,通過最大似然函數迭代反演對上述顆粒群進行迭代反演,反演結果包括粒徑分布曲線和迭代收斂曲線。在計算過程中,所選擇的粒徑分布模型為對數正態分布,模擬的光強信號加入了20分貝(dB)的噪聲,通過圖6和圖7的計算結果可以說明,本發明實施例通過最大似然函數迭代反演算法不會引起迭代發散,且速度較快。
以上所述,僅為本發明較佳的具體實施方式,但本發明的保護范圍并不局限于此,任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明披露的技術范圍內,可輕易想到的變化或替換,都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此,本發明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。
在本發明上述各實施例中,實施例的序號僅僅便于描述,不代表實施例的優劣。對各個實施例的描述都各有側重,某個實施例中沒有詳述的部分,可以參見其他實施例的相關描述。
本領域普通技術人員可以理解:實現上述方法實施例的全部或部分步驟可以通過程序指令相關的硬件來完成,前述的程序可以存儲于一計算機可讀取存儲介質中,該程序在執行時,執行包括上述方法實施例的步驟;而前述的存儲介質包括:只讀存儲器(Read-Only Memory,簡稱ROM)、隨機存取存儲器(Random Access Memory,簡稱RAM)、磁碟或者光盤等各種可以存儲程序代碼的介質。
在本發明的裝置和方法等實施例中,顯然,各部件或各步驟是可以分解、組合和/或分解后重新組合的。這些分解和/或重新組合應視為本發明的等效方案。同時,在上面對本發明具體實施例的描述中,針對一種實施方式描述和/或示出的特征可以以相同或類似的方式在一個或更 多個其它實施方式中使用,與其它實施方式中的特征相組合,或替代其它實施方式中的特征。
應該強調,術語“包括/包含”在本文使用時指特征、要素、步驟或組件的存在,但并不排除一個或更多個其它特征、要素、步驟或組件的存在或附加。
最后應說明的是:雖然以上已經詳細說明了本發明及其優點,但是應當理解在不超出由所附的權利要求所限定的本發明的精神和范圍的情況下可以進行各種改變、替代和變換。而且,本發明的范圍不僅限于說明書所描述的過程、設備、手段、方法和步驟的具體實施例。本領域內的普通技術人員從本發明的公開內容將容易理解,根據本發明可以使用執行與在此所述的相應實施例基本相同的功能或者獲得與其基本相同的結果的、現有和將來要被開發的過程、設備、手段、方法或者步驟。因此,所附的權利要求旨在在它們的范圍內包括這樣的過程、設備、手段、方法或者步驟。

關 鍵 詞:
測量 顆粒 粒徑 分布 方法 裝置
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