本發(fā)明涉及粒子散射相函數(shù)的測量裝置及測量方法。

背景技術(shù)：

粒子的散射相函數(shù)與吸收系數(shù)、散射系數(shù)等構(gòu)成顆粒彌散介質(zhì)的基本輻射特性參數(shù)，在大氣遙感、海洋光學(xué)、燃燒過程模擬、光生物反應(yīng)器、太陽能利用等涉及顆粒彌散介質(zhì)輻射傳輸?shù)念I(lǐng)域均有重要應(yīng)用。粒子散射相函數(shù)的測量有間接測量和直接測量兩種方法。間接測量方法一般基于輻射傳遞正問題的求解結(jié)合反演算法獲得散射相函數(shù)。這種方法需要事先假定散射相函數(shù)的參數(shù)化模型，一般不能得到顆粒的準(zhǔn)確散射相函數(shù)。對于直接測量方法，一般通過周向布置的探測器來進(jìn)行測量，通過探測器檢測不同散射角度的散射光信號。傳統(tǒng)的直接測量方法為浸入式測量，即將探測器浸入在液體內(nèi)部，因?yàn)榭梢员苊馊萜鞯慕缑娣瓷涓蓴_從而較準(zhǔn)確的獲得顆粒的散射相函數(shù)。但是該模式需要大量樣品，不能在懸浮顆粒樣品量少的條件下準(zhǔn)確獲得其散射相函數(shù)，同時探測器有受到樣品污染的風(fēng)險。雖然將探測器放置在透明容器外部時可不需要大的樣品池，探測器也不會被污染，測試方便，但是會受到玻璃容器表面反射及內(nèi)部界面多重反射的影響而引起很大測量誤差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有方法將探測器放置在透明容器外部時玻璃容器表面反射及內(nèi)部界面多重反射的影響引起的測量誤差大以及現(xiàn)有測量方法不能在懸浮顆粒樣品量少的條件下準(zhǔn)確獲得其散射相函數(shù)的問題，而提出一種粒子散射相函數(shù)測量裝置及測量方法。

一種粒子散射相函數(shù)測量裝置包括激光器(1)、斬光器(2)、分束器(3)、靜態(tài)探測器(探測器1)(4)、動態(tài)探測器(探測器2)(5)、圓形比色皿(6)、平凸透鏡(7)、前置放大器(8)和鎖相放大器(9)；

激光器(1)發(fā)射激光，激光通過斬光器(2)到達(dá)分束器(3)，激光經(jīng)分束器(3)后分為2束激光，2束光成90度角，其中一束激光法向照射裝有粒子混懸液的圓形比色皿(6)，動態(tài)探測器(探測器2)(5)測量圓形比色皿(6)中粒子混懸液的粒子系光強(qiáng)信號；

動態(tài)探測器(探測器2)(5)與圓形比色皿(6)之間設(shè)置2個平凸透鏡(7)；

動態(tài)探測器(探測器2)(5)與步進(jìn)電機(jī)信號連接，步進(jìn)電機(jī)控制動態(tài)探測器(5)(探測器2)移動，對圓形比色皿(6)中粒子混懸液的粒子系光強(qiáng)信號進(jìn)行多角度測量；

另一束激光法向照射靜態(tài)探測器(4)(探測器1)，靜態(tài)探測器(4)測量激光的光強(qiáng)信號；

動態(tài)探測器(探測器2)(5)與靜態(tài)探測器(4)分別連接前置放大器(8)和鎖相放大器(9)，將測量得到的粒子系光強(qiáng)信號和激光的光強(qiáng)信號傳遞給前置放大器(8)和鎖相放大器(9)。

一種粒子散射相函數(shù)測量方法具體過程為：

步驟一、實(shí)驗(yàn)測量盛裝在透明圓形比色皿中的標(biāo)準(zhǔn)粒子系在不同散射角下的散射光強(qiáng)分布；

步驟二、對標(biāo)準(zhǔn)粒子的粒徑分布進(jìn)行測定，通過米散射理論計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)粒子系散射相函數(shù)理論值，求解標(biāo)準(zhǔn)粒子系在不同散射角下的散射光強(qiáng)分布與標(biāo)準(zhǔn)粒子系散射相函數(shù)理論值的比值，得到不同散射角下標(biāo)準(zhǔn)粒子系散射相函數(shù)的修正系數(shù)；

步驟三、實(shí)驗(yàn)測量盛裝在透明圓形比色皿中的待測粒子系在不同散射角下的散射光強(qiáng)分布，利用得到的標(biāo)準(zhǔn)粒子系散射相函數(shù)的修正系數(shù)去修正待測粒子系在不同散射角下的散射光強(qiáng)分布，得到待測粒子系的散射相函數(shù)。

發(fā)明效果

由于本發(fā)明充分考慮了玻璃對測量產(chǎn)生的影響，采用分步計(jì)算的方式，即首先實(shí)驗(yàn)測量盛裝在透明圓形比色皿中標(biāo)準(zhǔn)粒子的散射光強(qiáng)分布，然后用lorenz-mie模擬計(jì)算得到已知粒徑分布的標(biāo)準(zhǔn)粒子系散射相函數(shù)理論值，標(biāo)準(zhǔn)粒子散射光強(qiáng)分布與理論散射相函數(shù)值對比得到不同散射角下標(biāo)準(zhǔn)粒子系散射相函數(shù)的修正系數(shù)，最后實(shí)驗(yàn)測量待測粒子的散射光強(qiáng)分布，利用得到的標(biāo)準(zhǔn)粒子系散射相函數(shù)的修正系數(shù)去修正待測粒子的散射光強(qiáng)分布，得到待測粒子的散射相函數(shù)，為一種非浸入式測量方法，裝置簡單，同時測量時需要的樣品量少，降低了測量誤差。

如圖4是聚苯乙烯粒子系散射相函數(shù)實(shí)驗(yàn)測量值與lorenz-mie理論值隨散射角的分布。聚苯乙烯混懸液(供應(yīng)商：天津市倍思樂色譜技術(shù)開發(fā)中心)的基液為蒸餾水，單分散聚苯乙烯標(biāo)準(zhǔn)微球直徑為0.5μm。聚苯乙烯在532nm波長下的折射指數(shù)是1.59。如圖所示，修正并歸一化后聚苯乙烯粒子系散射相函數(shù)實(shí)驗(yàn)測量值與lorenz-mie理論值兩曲線吻合較好，進(jìn)而說明該方法能夠消除器皿的影響，提高粒子系散射相函數(shù)測量的精度。

附圖說明

圖1是具體實(shí)施方式一提出的粒子系散射相函數(shù)測量實(shí)驗(yàn)原理圖；

圖2是實(shí)施例提出的二氧化硅粒子系散射相函數(shù)圖；

圖3是實(shí)施例提出的散射相函數(shù)的修正系數(shù)圖；

圖4是實(shí)施例提出的聚苯乙烯粒子系散射相函數(shù)圖；

圖5是具體實(shí)施方式三提出的一種粒子散射相函數(shù)測量方法流程圖。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的一種粒子散射相函數(shù)測量裝置包括激光器(1)、斬光器(2)、分束器(3)、靜態(tài)探測器(探測器1)(4)、動態(tài)探測器(探測器2)(5)、圓形比色皿(6)、平凸透鏡(7)、前置放大器(8)和鎖相放大器(9)；

激光器(1)發(fā)射激光(參考激光)，激光通過斬光器(2)到達(dá)分束器(3)，激光經(jīng)分束器(3)后分為2束激光，2束光成90度角，其中一束激光法向照射裝有粒子混懸液的圓形比色皿(6)，動態(tài)探測器(探測器2)(5)測量圓形比色皿(6)中粒子混懸液的粒子系光強(qiáng)信號；

動態(tài)探測器(探測器2)(5)與圓形比色皿(6)之間設(shè)置2個平凸透鏡(7)；

動態(tài)探測器(探測器2)(5)與步進(jìn)電機(jī)信號連接，步進(jìn)電機(jī)控制動態(tài)探測器(5)(探測器2)移動，對圓形比色皿(6)中粒子混懸液的粒子系光強(qiáng)信號進(jìn)行多角度測量，就可以獲得一定波長在多角度下的散射光強(qiáng)分布的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；

另一束激光法向照射靜態(tài)探測器(4)(探測器1)，靜態(tài)探測器(4)測量激光的光強(qiáng)信號；以靜態(tài)探測器(探測器1)的測量信號作為參考光強(qiáng)信號，

動態(tài)探測器(探測器2)(5)與靜態(tài)探測器(4)分別連接前置放大器(8)和鎖相放大器(9)，將測量得到的粒子系光強(qiáng)信號和激光的光強(qiáng)信號傳遞給前置放大器(8)和鎖相放大器(9)。

實(shí)驗(yàn)裝置中探測器1和探測器2的測量信號接入前置放大器和鎖相放大器，這可以顯著提高對微弱散射信號的探測靈敏度。

具體實(shí)施方式二：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：所述2個平凸透鏡(7)的凸面相對設(shè)置，兩個平凸透鏡的平面分別面向圓形比色皿(6)和動態(tài)探測器(探測器2)(5)設(shè)置。

該方式只能接收垂直探頭方向的光線，從而可消除雜散光的影響。

先根據(jù)需要選取一定波長的激光器(或其它形式的單色光源)，激光器發(fā)射激光，激光通過斬光器到達(dá)分束器，激光經(jīng)分束器后分為2束激光，其中一激光法向照射裝有粒子混懸液的圓形比色皿池，然后通過步進(jìn)電機(jī)調(diào)整動態(tài)探測器(探測器2)的角度進(jìn)行多角度測量，就可以獲得一定波長在多角度下的散射光強(qiáng)分布的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；

另一束激光照射靜態(tài)探測器(探測器1)，以靜態(tài)探測器(探測器1)的測量信號作為參考光強(qiáng)信號，

探測器2與圓形比色皿池之間放置兩個平凸透鏡，且兩個平凸透鏡的凸相對設(shè)置，兩個平凸透鏡的平面分別面向圓形比色皿池和探測器2設(shè)置，(動態(tài)探測器(探測器2)的前面放置兩個平凸透鏡)，該方式只能接收垂直探頭方向的光線，從而可消除雜散光的影響。實(shí)驗(yàn)裝置中探測器1和探測器2的測量信號接入前置放大器和鎖相放大器，這可以顯著提高對微弱散射信號的探測靈敏度。

動態(tài)探測器的周向移動通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，提供水平入射方向從0到180°的動態(tài)測量范圍；

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式三：結(jié)合圖5說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的一種粒子散射相函數(shù)測量方法具體是按照以下步驟實(shí)施的：

步驟一、實(shí)驗(yàn)測量盛裝在透明圓形比色皿中的標(biāo)準(zhǔn)粒子系在不同散射角下的散射光強(qiáng)分布；

步驟二、對標(biāo)準(zhǔn)粒子的粒徑分布進(jìn)行測定，通過米散射理論計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)粒子系散射相函數(shù)理論值，求解標(biāo)準(zhǔn)粒子系在不同散射角下的散射光強(qiáng)分布與標(biāo)準(zhǔn)粒子系散射相函數(shù)理論值的比值，得到不同散射角下標(biāo)準(zhǔn)粒子系散射相函數(shù)的修正系數(shù)；

步驟三、實(shí)驗(yàn)測量盛裝在透明圓形比色皿中的待測粒子系在不同散射角下的散射光強(qiáng)分布，利用得到的標(biāo)準(zhǔn)粒子系散射相函數(shù)的修正系數(shù)去修正待測粒子系在不同散射角下的散射光強(qiáng)分布，得到待測粒子系的散射相函數(shù)；即完成了一種測量粒子系散射相函數(shù)的參比法。

本實(shí)施方式效果：

本實(shí)施方式充分考慮了透明玻璃器皿對于粒子系散射相函數(shù)測量的影響，彌補(bǔ)了現(xiàn)存方法中測量粒子系散射相函數(shù)的缺陷，提高了測量精度如圖4。圖4是修正后結(jié)果與lorenz-mie計(jì)算得到的散射相函數(shù)理論值進(jìn)行對比，而本發(fā)明方法得到的數(shù)值結(jié)果與理論值吻合較好，消除了玻璃器皿對于散射相函數(shù)測量的影響。

由于本實(shí)施方式充分考慮了玻璃對測量產(chǎn)生的影響，采用分步計(jì)算的方式，即首先實(shí)驗(yàn)測量盛裝在透明圓形比色皿中標(biāo)準(zhǔn)粒子的散射光強(qiáng)分布，然后用lorenz-mie模擬計(jì)算得到已知粒徑分布的標(biāo)準(zhǔn)粒子系散射相函數(shù)理論值，標(biāo)準(zhǔn)粒子散射光強(qiáng)分布與理論散射相函數(shù)值對比得到不同散射角下標(biāo)準(zhǔn)粒子系散射相函數(shù)的修正系數(shù)，最后實(shí)驗(yàn)測量待測粒子的散射光強(qiáng)分布，利用得到的標(biāo)準(zhǔn)粒子系散射相函數(shù)的修正系數(shù)去修正待測粒子的散射光強(qiáng)分布，對修正后的待測粒子散射光強(qiáng)分布進(jìn)行歸一化處理，得到待測粒子的散射相函數(shù)。本發(fā)明是要解決現(xiàn)有測量方法測量時忽略玻璃器皿影響從而產(chǎn)生偏差的問題，提出一種簡潔方便且又能獲得高精度粒子系散射相函數(shù)的測量方法。

具體實(shí)施方式四：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式三不同的是：所述步驟一中實(shí)驗(yàn)測量盛裝在透明圓形比色皿中的標(biāo)準(zhǔn)粒子系在不同散射角下的散射光強(qiáng)分布；具體過程為：

實(shí)驗(yàn)測量粒子的散射光強(qiáng)分布時，由于散射相函數(shù)的數(shù)量級跨度較大(10⁴～10^-3)，所以當(dāng)探測弱信號時需要用鎖相放大器放大其強(qiáng)度，且需要在不同放大檔位進(jìn)行多次測量來提高其精度。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一相同。

如圖1所示，探測器2與圓形比色皿池之間放置兩個平凸透鏡，且兩個平凸透鏡的凸相對設(shè)置，兩個平凸透鏡的平面分別面向圓形比色皿池和探測器2設(shè)置，計(jì)算并確定焦距位置后將它們放入透鏡套管中，從而保證探測器2只能接收垂直方向o點(diǎn)的光線。

在單次散射條件下，待測粒子在o點(diǎn)的光通量表示為：

式中：q0是入射光通量；tcuv是比色皿容器玻璃的透射比；loa是a點(diǎn)到o點(diǎn)的直線距離；a點(diǎn)為激光通過圓形比色皿池o點(diǎn)與比色皿池的交點(diǎn)，o點(diǎn)為圓形比色皿池和中心位置，βeff是介質(zhì)等效衰減系數(shù)；在散射角為θ時，探測器2探測到的待測粒子光通量為：

式中：φ(θ)是待測粒子散射角為θ的散射相函數(shù)；σ是待測粒子介質(zhì)的散射系數(shù)；lob是b點(diǎn)到o點(diǎn)的直線距離；b點(diǎn)為比色皿池o點(diǎn)與探測器2連線在比色皿池上的交點(diǎn)；δω是探測器2相對于o點(diǎn)的立體角；g(θ)是圓形比色皿皿池與介質(zhì)相互影響的修正系數(shù)；公式(2)轉(zhuǎn)化為：

以標(biāo)準(zhǔn)粒子作為參考時，標(biāo)準(zhǔn)粒子的散射相函數(shù)為：

式中：qd,ref(θ)為在散射角為θ時，待測粒子探測器2探測到的待測粒子的光通量，σref為待測粒子介質(zhì)的散射系數(shù)，ref為待測粒子；

把公式3和4相除可得：

式中：x為一個定值系數(shù)；從公式(5)可得，待測粒子和參考粒子的散射相函數(shù)比值大小只與不同散射角的探測器接收信號數(shù)值和x大小相關(guān)；由此可知，使用單分散標(biāo)準(zhǔn)粒子作為參考系，能消除玻璃器皿對粒子系散射相函數(shù)測量產(chǎn)生的影響。

測量系統(tǒng)中，散射強(qiáng)度分布的實(shí)驗(yàn)測量關(guān)系為：標(biāo)準(zhǔn)粒子系在不同散射角下的散射光強(qiáng)分布sexp(θ)為：

式中：qd，1(θ)為靜態(tài)探測器(探測器1)(4)測量標(biāo)準(zhǔn)粒子系得到的光強(qiáng)信號；qd，2(θ)為動態(tài)探測器(探測器2)(5)探測器2(散射信號探測器)測量標(biāo)準(zhǔn)粒子系得到的光強(qiáng)信號；a為分束系數(shù)，當(dāng)光路確定以后，該系數(shù)應(yīng)為常數(shù)(當(dāng)光路確定后，激光光源強(qiáng)度確定時，激光經(jīng)分束器后，一條激光法向量直接入射到探測器1和另一條激光法向量入射到探測器2，探測器1與探測器2的比值為分束系數(shù))；δω為動態(tài)探測器(探測器2)(5)相對于o點(diǎn)的立體角；o點(diǎn)為透明圓形比色皿的中心位置。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式三相同。

具體實(shí)施方式五：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式三或四不同的是：所述步驟二中對標(biāo)準(zhǔn)粒子的粒徑分布進(jìn)行測定，通過米散射理論計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)粒子系散射相函數(shù)理論值，求解標(biāo)準(zhǔn)粒子系在不同散射角下的散射光強(qiáng)分布與標(biāo)準(zhǔn)粒子系散射相函數(shù)理論值的比值，得到不同散射角下標(biāo)準(zhǔn)粒子系散射相函數(shù)的修正系數(shù)；具體過程為：

在單散射條件下，對標(biāo)準(zhǔn)粒子的粒徑分布進(jìn)行測定(顯微鏡拍照片，用imagej軟件)，通過米散射理論計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)粒子系散射相函數(shù)理論值φmie(θ)，求解標(biāo)準(zhǔn)粒子系在不同散射角下的散射光強(qiáng)分布sexp(θ)與標(biāo)準(zhǔn)粒子系散射相函數(shù)理論值φmie(θ)的比值，得到不同散射角下標(biāo)準(zhǔn)粒子系散射相函數(shù)的修正系數(shù)u(θ)，公式為：

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式三或四相同。

具體實(shí)施方式六：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式三至五之一不同的是：所述步驟三中實(shí)驗(yàn)測量盛裝在透明圓形比色皿中的待測粒子系在不同散射角下的散射光強(qiáng)分布，利用得到的標(biāo)準(zhǔn)粒子系散射相函數(shù)的修正系數(shù)去修正待測粒子系在不同散射角下的散射光強(qiáng)分布，得到待測粒子系的散射相函數(shù)；具體過程為：

待測粒子系在不同散射角下的散射光強(qiáng)分布sexp(θ)′為：

式中，qd,2(θ)′為動態(tài)探測器(探測器2)(5)(散射信號探測器)測量待測粒子系得到的光強(qiáng)信號；qd,1(θ)′為靜態(tài)探測器(探測器1)(4)測量待測粒子系得到的光強(qiáng)信號；

利用得到的標(biāo)準(zhǔn)粒子系散射相函數(shù)的修正系數(shù)u(θ)去修正待測粒子的散射光強(qiáng)分布sexp(θ)′，得到待測粒子系散射相函數(shù)，表示為：

對得到的待測粒子的散射相函數(shù)φ(θ)進(jìn)行歸一化處理，得到待測粒子的散射相函數(shù)。

步驟三中計(jì)算散射相函數(shù)修正系數(shù)時，參考粒子的粒徑分布對其至關(guān)重要，因此需要精確給出。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式三至五之一相同。

采用以下實(shí)施例驗(yàn)證本發(fā)明的有益效果：

實(shí)施例一：

本實(shí)施例是一種粒子散射相函數(shù)測量方法具體是按照以下步驟實(shí)施的：

二氧化硅標(biāo)準(zhǔn)微球(供應(yīng)商：天津市倍思樂色譜技術(shù)開發(fā)中心)被選為驗(yàn)證樣本，其基液為蒸餾水。二氧化硅標(biāo)準(zhǔn)微球直徑為0.5μm，且待測樣本為單分散微球。盛放待測樣本圓形比色皿池的玻璃壁厚為1.5mm。特別注意的是實(shí)驗(yàn)測量的時候光斑要控制的盡量小(光斑直徑小于或者等于1mm)，使光斑入射圓形比色皿時近似于平面入射。激光器的波長為532nm，二氧化硅在此波長下的折射指數(shù)是1.46。

圖2是二氧化硅粒子實(shí)驗(yàn)測量散射光強(qiáng)分布與lorenz-mie散射相函數(shù)理論值隨散射角的分布。在散射角從0°變化至160°時散射光強(qiáng)從10³數(shù)量級降低至10^-2數(shù)量級，由于探測器本身的遮擋，在臨近散射角180°的附近5°數(shù)據(jù)無法有效探測到。圖3是散射相函數(shù)的修正系數(shù)。在每個散射角下的修正系數(shù)是通過實(shí)驗(yàn)測量的散射光強(qiáng)值除以lorenz-mie散射相函數(shù)理論值得到，但由于遮擋作用，臨近散射角180°的附近5°數(shù)據(jù)沒有給出。

圖4是聚苯乙烯粒子系散射相函數(shù)實(shí)驗(yàn)測量值與lorenz-mie理論值隨散射角的分布。聚苯乙烯混懸液(供應(yīng)商：天津市倍思樂色譜技術(shù)開發(fā)中心)的基液為蒸餾水，單分散聚苯乙烯標(biāo)準(zhǔn)微球直徑為0.5μm。聚苯乙烯在532nm波長下的折射指數(shù)是1.59。如圖所示，修正并歸一化后聚苯乙烯粒子系散射相函數(shù)實(shí)驗(yàn)測量值與lorenz-mie理論值兩曲線吻合較好，進(jìn)而說明該方法能夠消除器皿的影響，提高粒子系散射相函數(shù)測量的精度。

以上實(shí)例的結(jié)果表明，本發(fā)明中的方法能夠消除玻璃容器的影響，經(jīng)修正后其結(jié)果更加準(zhǔn)確有效。

本發(fā)明還可有其它多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。