光子学报
2022, 51(11): 1101002
1 上海理工大学 能源与动力工程学院，上海市动力工程多相流动与传热重点实验室，上海 200093
2 中国航发四川燃气涡轮研究院，成都 610500
采用蒙特卡罗方法模拟光子在散射介质中传输的物理过程，研究发散光束对消光法粒径测量的影响。将平行入射光条件下数值结果与Lambert-Beer模型进行对比验证，分析了入射光发散角变化对消光光谱的影响。搭建基于发散光束的消光实验平台，分别在入射光平行和发散条件下测得三种聚苯乙烯乳胶球标准颗粒消光光谱，其与蒙特卡罗模拟结果变化趋势基本一致。数值和实验消光谱的粒径反演结果表明：随发散角增大，测得粒径与标称值误差越大，发散角为5°时粒径的反演误差均在4.62%以内，但发散角为20°时标称粒径0.2、0.8、2.88 μm的颗粒样品测量误差分别为4.25%、12.75%、-9.55%。进行误差修正，通过蒙特卡罗方法建立的发散光束数值模型构造系数矩阵，对粒径0.8 μm的颗粒在发散角为5~20°的实验消光谱反演，误差在2.00%以内。
颗粒测量 消光法 蒙特卡罗方法 发散光束 反演 Particle sizing Light extinction method Monte Carlo method Divergent beam Inversion
1 山东理工大学 电气与电子工程学院，山东 淄博 255049
2 科学集团有限公司，澳大利亚 南澳大利亚州 葛兰许5022
从动态光散射信号中反演纳米颗粒粒度分布，结果准确性和重复性受测量的自相关函数数据点影响，数据点长度不同会导致不同的反演结果。为了解决该问题，提出了一种根据拟合自相关函数的均方根误差来截断自相函数的方法，该方法通过设置拟合误差阈值来自适应地选择最佳自相关函数数据点数。实验结果表明，使用均方根误差阈值方法获得的颗粒粒度分布比其他方法获得的结果具有更高的准确性和更好的重复性。
动态光散射 光子相关光谱 最佳数据点 自相关函数 均方根误差 颗粒粒度分布 纳米颗粒测量 Dynamic light scattering Photon correlation spectroscopy Optimal data points Autocorrelation function Root mean square error Particle size distribution Nanoparticle measurement
1 杭州海康威视数字技术股份有限公司, 杭州 310051
2 浙江大学 能源清洁利用国家重点实验室, 杭州 310027
为了加快颗粒全息图的重建速度, 提出了一种基于多线程编译框架(OpenMP)和统一计算设备架构(CUDA)并行技术的二级并行架构颗粒全息图快速重建方法。第1级并行针对重建截面, 第2级并行针对像素, 同时在这两个维度进行并行重建, 利用OpenMP实现图片级并行, 利用CUDA实现像素级并行。以煤粉颗粒全息图为测试对象, 同时采用单线程重建程序和二级并行重建程序进行全息重建, 比较了两种计算方式的重建结果和计算耗时。结果表明, 二级并行重建结果与单线程重建结果是一致的, 且可大大缩短重建耗时;对于分辨率为5000×5000的全息图, 在重建截面数为40时, 可实现48.3倍的加速比。此计算架构在数字全息的颗粒场实时在线诊断中具有很好的应用前景。
全息 并行 重建 图像处理 颗粒测量 holography parallel reconstruction image processing particle measurement
1 浙江大学 能源清洁利用国家重点实验室，浙江 杭州 310027
2 浙江省能源集团有限公司，浙江 杭州 310007
煤粉细度是燃煤电厂运行过程中的关键参数之一，与锅炉燃烧效率、制粉系统功耗以及设备磨损等问题息息相关。文中对数字全息技术在线监测电厂煤粉细度进行了试验研究。搭建了基于脉冲数字同轴全息的在线测量系统，系统包括取样、测量、收集和数据处理四个主要部分。将测量系统应用于某300 MW机组两根一次风管道内的煤粉细度监测，两根管道内煤粉流来源于不同的两台磨煤机，采用自行开发的重建软件对煤粉全息图进行实时处理并输出煤粉细度结果。对系统收集的经过系统测量后的煤粉样品进行实验室筛分，将筛分结果与现场全息结果进行对比，以验证测量系统的可行性和准确性。结果表明，采用面积分布的全息结果与筛分结果基本一致，平均绝对细度偏差在4%以内。同时诊断出了一台磨煤机煤粉细度与设计值偏离较大，证明所建测量系统用于燃煤电厂煤粉细度的在线监测有较大的应用潜力。
数字全息 煤粉细度 在线监测 颗粒测量 digital holography pulverized coal fineness on-line monitoring particle measurement 红外与激光工程
2021, 50(9): 20200456
1 上海理工大学 上海市动力工程多相流动与传热重点实验室, 上海 200093
2 上海航天动力技术研究所, 上海 201109
为了研究消光光谱颗粒粒径测量方法影响因素, 搭建了消光光谱颗粒粒径测量实验系统, 建立了非线性最小二乘颗粒粒径反演算法, 并选用900 nm、2.1 μm与5.1 μm三种标准颗粒作为待测颗粒样品, 开展了不同波段范围、波长选取数及颗粒浓度下消光光谱颗粒粒径测量实验研究。结果表明: 消光光谱颗粒粒径测量过程中, 光谱波长范围、波长数以及颗粒浓度等参数的选取均会对反演精度造成较大影响; 光谱信噪比是光谱波长范围选取的重要指标; 存在光谱波长选取数精度阈值, 采用该阈值进行颗粒粒径反演, 既可以保证测量精度, 又可以避免光谱数据冗长导致反演计算速度降低; 颗粒粒径反演选取待测颗粒系消光值约0.75时达到最佳。
消光光谱法 颗粒测量 粒径反演 影响因素 光谱区间 extinction spectroscopy particle measurement particle size inversion influencing factors spectral range
1 中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所, 江苏 南京 210042
2 中国科学院天文光学技术重点实验室, 江苏 南京 210042
3 中国科学院大学, 北京 100049
为了提高LAMOST-HRS(Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopy Telescope-High Resolution Spectrograph)光谱分辨率以及光谱仪效率, 并建立一套可在仪器概念设计阶段分析杂散光的方法, 开展了在不进行BSDF测量的前提下, 对系统杂散光建模、分析的研究。首先根据粗糙度测量数据计算关键参数, 构建Harvey散射模型。接着通过显微镜观察光学面, 由MATLAB进行图像处理获取最大颗粒直径, 构建颗粒污染散射模型。然后导入光谱仪镀膜、光学元件、机械结构。对机械结构进行简化以提高分析效率。最后预估杂散光背景, 分析杂散光路径与组成。结果表明, LAMOST-HRS杂散光主要由光学面散射引起, 杂散辐射率为2.55%, 信噪比为16.01 dB, 达到设计指标要求。
光学工程 杂散辐射率 杂散光分析 散射 表面粗糙度 颗粒测量 optical engineering stray radiation rate stray light analysis scattering surface roughness particle measurement 红外与激光工程
2019, 48(1): 0117003
山东理工大学 电气与电子工程学院, 山东 淄博 255000
角度权重估计是多角度动态光散射测量技术的重要环节, 其方法可依赖于光强均值或光强自相关函数基线。角度误差对颗粒粒度分布测量准确性的影响在很大程度上取决于角度权重系数的估计。通过对模拟和实测动态光散射数据的反演, 研究了角度误差对基线值法和光强均值法进行权重估计对粒度分布反演的影响。结果表明: 采用两种方法进行角度加权, 无角度误差时反演结果无显著差异。存在角度误差时, 误差对光强均值法反演结果的影响大于基线值法, 并且对大颗粒的影响显著大于对小颗粒的影响。导致这一结果的原因在于, 当散射角存在误差时, 基于Mie理论的光强均值法得到的权重系数为理论值, 与实测的光强自相关数据所对应的权重系数存在偏差。而且随着颗粒粒径的增大, Mie散射光强随散射角变化呈现出更为剧烈的波动, 致使这种偏差加大。因此, 采用基于Mie散射理论的光强均值法进行角度加权, 对多角度光散射测量装置应提出较高的精度要求。
散射 散射角 权重估计 基线 颗粒测量 粒度分布 反演 scattering scattering angle weighting coefficient baseline particle size analysis particle size distribution inverse 红外与激光工程
2018, 47(10): 1017004
山东理工大学 电气与电子工程学院, 山东 淄博 255049
针对截断奇异值分解方法进行动态光散射反演存在的颗粒粒度信息丢失问题, 本文在分析自相关函数不同衰减时段粒度信息分布差异的基础上, 提出利用每一角度核矩阵与对应角度下粒度信息在自相关函数不同延迟时刻的分布构建扩展矩阵的扩展截断奇异值分解方法.该方法通过用自相关函数中每一延迟时刻的粒度信息, 调节同一时刻原核矩阵数据对信噪比的贡献, 进而保留了更多的有效奇异值, 减少了由于奇异值截断引起的信息丢失, 在保证抗噪性的基础上, 提高了自相关函数的信息利用率.在1×10－3噪声水平下, 对一组单峰宽分布(260 nm)和三组双峰颗粒分布(250/750 nm)、(270/800 nm)以及(306/974 nm)的模拟动态光散射数据, 进行了单角度、3角度和6角度反演.结果表明, 与截断奇异值分解方法相比, 采用扩展截断奇异值分解方法反演得到的峰值粒度误差和分布误差均明显减小.对306/974 nm颗粒体系的6角度实测数据的反演表明, 采用扩展截断奇异值分解法得到的颗粒峰值粒度误差由非扩展方法的0.032/0.016降至0.029/0.006, 且得到的峰值比更接近真实值.
动态光散射 粒度分布 反演 颗粒测量 奇异值分解 Dynamic light scattering Particle size distribution Inverse problems Particle size Singular value decomposition
1 上海理工大学 能源与动力工程学院, 上海 200093
2 上海理工大学 上海市动力工程多相流动与传热重点实验室, 上海 200093
研究了基于CCD传感的激光粒度测量方法和优化。在系统设计和实验参数优化基础上,设计了CCD传感器的光环尺寸,并基于Mie散射理论,建立了理论计算模型,计算了待测颗粒的理论光能分布。对标称粒径为10.9 μm和57.9 μm的聚苯乙烯乳胶标准颗粒进行实验,获得颗粒散射光能分布图像,提出了一种新的光环中心确定方法,并由编写的图像处理程序分析散射光能分布。颗粒粒径的反演结果与标称尺寸比较表明,用此测量方法得到的颗粒散射光能分布与其理论分布较一致,稳定性与重复性较好。
CCD传感器 颗粒测量 粒度分布 Mie散射理论 图像处理 CCD sensor particle measurement particle size distribution Mie scattering theory image processing
