光全散射法颗粒粒径分布反演算法的研究

论文摘要

光全散射颗粒粒径的测量方法是通过测量多个波长下的消光值来获得待测颗粒系的粒径分布,在这种测量方法的数据处理中都会遇到第一类Fredholm积分方程的求解问题。目前对此类方程还不能进行理论求解,因此必须采用适当的反演方法。本课题受国家自然科学基金资助,旨在研究光全散射法颗粒粒径分布的反演算法,使光全散射法更适合于颗粒粒径的在线测量。论文重点研究了球形颗粒和非球形颗粒粒径分布的反演算法。主要完成以下几方面的研究工作:1.光全散射法颗粒粒径分布的反演是通过求解第一类Fredholm积分方程来获得待测颗粒系的粒径分布,因此需要事先确定积分方程的上下限即粒径测量范围。通过在可见、可见-红外波段对典型单峰及双峰R-R分布的球形颗粒系在独立模式下的反演结果进行分析、比较,以确定在这两个波段内典型球形颗粒系的粒径测量范围。同时,在消光系数的计算中,考虑前向散射对消光值的影响,采用修正的Mie消光系数代替原始Mie消光系数,以便得到更准确的粒径测量范围。2.为解决光全散射法颗粒粒径分布反演中存在的求解过程复杂、反演结果不稳定等问题,提出四种可应用于球形颗粒的非独立模式反演算法。针对Mie消光系数计算繁琐、耗时较长的特点,采用反常衍射近似方法计算球形颗粒的消光系数,并在此基础上通过优化算法反演球形颗粒系的粒径分布。为了降低反演方程的不适定性,提高反演算法的抗干扰能力,提出基于矩方法的球形颗粒粒径分布的反演算法。通过计算粒径分布函数的原点矩能够直接导出粒径分布的特征参数,进而实现粒径分布的重建。为解决非独立模式下需要事先确定待测颗粒系粒径分布的函数类型这一问题,提出粒径分布的分类反演方法,将粒径分布反演误差的大小作为划分依据判断该待测颗粒系粒径最符合哪种分布函数。在光全散射法颗粒粒径测量中,待测颗粒系的消光光谱包含有颗粒粒径、折射率等信息。在可见消光光谱分析的基础上提出一种最佳波长的选择方法,以便能够更准确地确定待测颗粒系的粒径分布。为了更可靠地证明所提算法的有效性,在数值模拟的基础上对上述四种算法进行实测数据验证。3.在采用光全散射法反演粒径分布时,一般假定颗粒的形状是球形。采用球形模型能够使问题易于处理,但是球形模型是很不真实的。在研究非球形颗粒粒径分布反演方法的基础上,将提出的可应用于球形颗粒的反演算法对非球形颗粒进行验证。由于基于矩方法的反演算法采用一个高阶多项式对消光系数进行拟合,该方法只适用球形颗粒粒径分布的反演,所以仅将另外三种算法应用到非球形颗粒粒径分布的反演过程中。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景及研究的意义
• 1.2 颗粒粒径测量中的一些基本概念
• 1.3 颗粒粒径测量的主要方法
• 1.4 光全散射颗粒粒径测量方法的研究现状
• 1.4.1 国外研究情况
• 1.4.2 国内研究情况
• 1.5 论文研究的主要内容
• 第2章 光全散射法球形颗粒粒径测量范围的研究
• 2.1 光全散射球形颗粒粒径的测量方法
• 2.1.1 光全散射法的测量原理
• 2.1.2 球形颗粒粒径分布的反演方法
• 2.2 光全散射法球形颗粒的粒径测量范围
• 2.2.1 可见光波段的粒径测量范围
• 2.2.2 可见-红外波段的粒径测量范围
• 2.3 本章小结
• 第3章 非独立模式下球形颗粒粒径分布的反演
• 3.1 基于反常衍射近似的球形颗粒粒径分布的反演
• 3.1.1 球形颗粒在反常衍射近似下的消光系数
• 3.1.2 数值模拟
• 3.2 基于矩方法的球形颗粒粒径分布的反演
• 3.2.1 基于矩方法的粒径分布测量原理
• 3.2.2 数值模拟
• 3.3 球形颗粒粒径分布的分类反演
• 3.3.1 分类反演方法
• 3.3.2 数值模拟
• 3.4 球形颗粒的可见消光光谱分析及最佳波长的选择
• 3.4.1 可见消光光谱分析
• 3.4.2 最佳波长的选择
• 3.5 本章小结
• 第4章 非独立模式下非球形颗粒粒径分布的反演
• 4.1 基于反常衍射近似的非球形颗粒粒径分布的反演
• 4.1.1 椭球颗粒在反常衍射近似下的消光系数
• 4.1.2 圆柱颗粒在反常衍射近似下的消光系数
• 4.1.3 椭球颗粒粒径分布的反演
• 4.1.4 有限长圆柱颗粒粒径分布的反演
• 4.2 非球形颗粒粒径分布的分类反演
• 4.2.1 椭球颗粒粒径分布的反演
• 4.2.2 有限长圆柱颗粒粒径分布的反演
• 4.3 非球形颗粒的可见消光光谱分析及最佳波长的选择
• 4.3.1 椭球颗粒的可见消光光谱分析及最佳波长的选择
• 4.3.2 有限长圆柱颗粒的可见消光光谱分析及最佳波长的选择
• 4.4 本章小结
• 第5章 球形颗粒粒径分布反演算法的实测数据验证
• 5.1 基于反常衍射近似的粒径分布反演算法
• 5.2 基于矩方法的粒径分布反演算法
• 5.3 球形颗粒粒径分布的分类反演方法
• 5.4 球形颗粒粒径分布的最佳波长的选择方法
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历