[发明专利]一种基于短脉冲激光透反射信号的球形颗粒光谱复折射率测量方法

说明书

技术领域

本发明属于颗粒光学特性测量技术领域。

背景技术

在自然界及工业生产中，很多物质及产品呈现颗粒状态，据统计，工业中有50%以上的产品与中间产物呈颗粒状。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。颗粒的光谱复折射率属于颗粒的基本物性参数，与颗粒的组成成分、温度水平及表面的状况等因素有关。然而，颗粒的光谱复折射率不能通过实验直接测量得到，通常都采用某些实验测得的参数结合相关的反演理论模型进行计算。

常见的颗粒光学特性的实验研究方法有反射法、透射法和散射法。其中，反射法是通过测量颗粒压片的反射率，结合相应的理论模型，求颗粒光谱复折射率的反问题研究方法。该方法得到主要是块状的物质的光谱复折射率，由于实验所制压片的表面并不光滑，不服从镜反射原理，因此使得实验测得结果有很大偏差。透射法是通过测量颗粒压片的透射率，并结合K-K关系式和相应的理论模型，反演求解颗粒的光谱复折射率的研究方法。该方法可以使得颗粒保持自然状态，并且实验所需设备简单、精度高、操作方便和适应范围广等优点，但是K-K关系式需要考虑全波长范围的积分，而实验中的激光器通常都是有限波长范围，这就增加了实验测量和理论计算的难度，降低了实验的精确度。散射法是通过测量激光照射到颗粒系上后，不同方向的散射光的强度，然后结合相应的理论模型求解颗粒的光谱复折射率的反问题研究方法。该方法能很好的保持颗粒的自然状态，但是确定某一波长下的光谱复折射率至少需要测三个不相关方向的散射量，这就增加实验测量过程的难度。

综上所述现有的球形颗粒光谱复折射率测量方法仍然存在测量过程复杂和精确度低的问题。

发明内容

本发明为了解决现有的球形颗粒光谱复折射率测量方法仍然存在测量过程复杂和精确度低的问题。提出了一种基于短脉冲激光透反射信号的球形颗粒光谱复折射率测量方法。

本发明所述一种基于短脉冲激光透反射信号的球形颗粒光谱复折射率测量方法，该方法的具体步骤为：

步骤一、将待测颗粒装在有机玻璃样本容器中，将待测颗粒溶于溶液中，并搅拌均匀，使颗粒系处于悬浮流动状态；

步骤二，利用脉冲宽度为t_p的波长为λ的短脉冲激光沿着与样本容器表面法线成θ_c角的方向入射到样本容器左侧表面；其中，10^-12s≤t_p≤10^-9s，0<θ_c<π/2，0.3μm<λ<2.5μm；

步骤三、采用单光子计数器在样本颗粒容器的左侧表面测量时间分辨半球反射信号，在样本颗粒容器的右侧表面测量时间分辨半球透射信号，并记录样本颗粒的左侧边界处的时间分辨半球反射信号R_exp(t,λ)和右侧边界处的时间分辨半球透射信号τ_exp(t,λ)；

步骤四、利用粒径分析仪测量样本颗粒系的粒径，并根据粒径的分布规律获得粒径分布函数P(D)；

步骤五、利用待测颗粒光谱复折射率方程m(λ)=n(λ)+ik(λ)，通过待测颗粒的折射率范围对该待测物质的折射率n进行取值，通过待测颗粒的吸收因子的取值范围对该待测颗粒的吸收因子k进行取值，获得该种待测颗粒单个颗粒的光谱复折射率m(λ)；其中i为虚数单位；（煤灰颗粒的n∈[1.18,1.92]，k∈[0.01,1.13]）

步骤六、通过现有Mie理论，利用步骤五获得的该种待测颗粒的光谱复折射率m(λ)，获得单个颗粒的光谱吸收截面C_abs,pred(D,λ)和光谱散射截面C_sca,pred(D,λ)；

步骤七、利用步骤六获得的单个颗粒的光谱吸收截面C_abs,pred(D,λ)和光谱散射截面C_sca,pred(D,λ)，获得颗粒系的吸收系数κ_a(λ)和散射系数κ_s(λ)；

步骤八、利用步骤七获得颗粒系的吸收系数κ_a(λ)和散射系数κ_s(λ)，通过对辐射传输方程求解，获得计算域内的辐射强度场I(x,θ,t,λ)；

步骤九、通过公式：