專利名稱：測(cè)量煙顆粒的粒徑的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種測(cè)量煙顆粒的粒徑的方法及裝置。
技術(shù)背景
火災(zāi)探測(cè)是防止火災(zāi)發(fā)生的重要手段，火災(zāi)發(fā)生時(shí)一般都釋放大量煙顆粒，因此， 通過(guò)對(duì)煙霧的感知與識(shí)別可以實(shí)現(xiàn)早期火災(zāi)探測(cè)。粒徑是火災(zāi)煙顆粒的重要物理參數(shù)，深入研究火災(zāi)煙顆粒的粒徑特性，對(duì)發(fā)展光電感煙火災(zāi)探測(cè)技術(shù)，降低光電感煙探測(cè)器誤報(bào)率具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。
現(xiàn)有技術(shù)中的一種測(cè)量煙顆粒的粒徑的方法為，基于光學(xué)Mie散射理論的角散射法。在顆粒對(duì)入射光散射過(guò)程中，散射光的角分布隨顆粒粒徑分布變化而改變。該方法通過(guò)檢測(cè)煙顆粒的散射光信號(hào)的分布并進(jìn)行反演，獲取散射光信號(hào)中包含的煙顆粒的粒徑分布信息。
上述現(xiàn)有技術(shù)中的測(cè)量煙顆粒的粒徑的方法的缺點(diǎn)為該方法僅利用散射光信號(hào)的散射光強(qiáng)或是偏振度的角分布測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，并未完全利用散射光信號(hào)的全部性質(zhì)，對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的煙顆粒群不能得出符合實(shí)際情況的粒徑分布結(jié)果。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種測(cè)量煙顆粒的粒徑的方法和裝置，以實(shí)現(xiàn)有效地測(cè)量火災(zāi)等煙顆粒的粒徑分布。
一種測(cè)量煙顆粒的粒徑的方法，包括
根據(jù)煙顆粒的散射光的直流分量和諧波分量建立煙顆粒的散射光的散射矩陣；
根據(jù)所述散射矩陣建立煙顆粒的粒徑參數(shù)的目標(biāo)函數(shù)，利用所述散射矩陣和目標(biāo)函數(shù)通過(guò)反演算法，獲取所述目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值，根據(jù)所述最優(yōu)值得到所述煙顆粒的粒徑分布。
一種測(cè)量煙顆粒的粒徑的裝置，包括
散射矩陣建立模塊，用于根據(jù)煙顆粒的散射光的直流分量和諧波分量建立煙顆粒的散射光的散射矩陣；
目標(biāo)函數(shù)建立模塊，用于根據(jù)所述散射矩陣建立模塊所建立的散射矩陣建立煙顆粒的粒徑參數(shù)的目標(biāo)函數(shù)；
煙顆粒粒徑分布計(jì)算模塊，用于利用所述散射矩陣建立模塊所建立的散射矩陣和所述目標(biāo)函數(shù)建立模塊所建立的目標(biāo)函數(shù)通過(guò)反演算法，獲取所述目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值，根據(jù)所述最優(yōu)值得到所述煙顆粒的粒徑分布。
由上述本發(fā)明的實(shí)施例提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實(shí)施例從完全反映顆粒的光散射特性的Mueller矩陣出發(fā)，結(jié)合全局搜索能力很強(qiáng)的模擬退火算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)火災(zāi)等煙顆粒的光散射球形模型下的粒徑反演，從而可以有效地測(cè)量火災(zāi)等煙顆粒的粒徑分布。


為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為本發(fā)明實(shí)施例一提供的一種測(cè)量煙顆粒的粒徑的方法的原理示意圖2為本發(fā)明實(shí)施例一提供的一種測(cè)量煙顆粒的粒徑的方法的具體處理流程圖3為本發(fā)明實(shí)施例一提供的一種煙顆粒的粒徑的參數(shù)σ與參數(shù) 之間的關(guān)系曲線圖4為本發(fā)明實(shí)施例二提供了一種測(cè)量煙顆粒的粒徑的裝置的具體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
為便于對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的理解，下面將結(jié)合附圖以幾個(gè)具體實(shí)施例為例做進(jìn)一步的解釋說(shuō)明，且各個(gè)實(shí)施例并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的限定。
實(shí)施例一
該實(shí)施例提供的一種測(cè)量煙顆粒的粒徑的方法的原理示意圖如圖1所示，煙霧從產(chǎn)生裝置中用管道從噴嘴噴出，經(jīng)過(guò)調(diào)制的入射光被煙顆粒散射，光電倍增管隨著旋轉(zhuǎn)臂的旋轉(zhuǎn)，在不同角度上接收散射光。散射光信號(hào)經(jīng)過(guò)鎖相放大器和濾波器，采集存入計(jì)算機(jī)。在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行煙顆粒的粒徑分別的計(jì)算處理，具體處理流程如圖2所示，包括如下的處理步驟
步驟21、根據(jù)煙顆粒的散射光的直流分量和諧波分量建立煙顆粒的散射光的 Mueller (米勒)散射矩陣。
光源產(chǎn)生的激光先經(jīng)過(guò)起偏器和電光調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制，再將激光發(fā)射到煙顆粒所在的區(qū)域，上述激光將被煙顆粒散射產(chǎn)生散射光。上述散射光經(jīng)過(guò)一個(gè)四分之一波片和驗(yàn)偏器后被探測(cè)器接收，探測(cè)器測(cè)量接收到的上述散射光的光強(qiáng)信號(hào)。
上述探測(cè)器測(cè)得的光強(qiáng)信號(hào)分為兩路，一路經(jīng)過(guò)低通濾波后輸出直流分量，另一路輸入到可以同時(shí)檢測(cè)兩階諧波的鎖相放大器，由鎖相放大器輸出光強(qiáng)信號(hào)的一階與二階諧波分量。根據(jù)上述直流分量和諧波分量的線性方程組建立煙顆粒的散射光的散射矩陣， 該散射矩陣可以為Mueller散射矩陣。
如圖1所示，可以在一個(gè)固定散射角位置放置一探測(cè)器，作為監(jiān)視器，用來(lái)監(jiān)視測(cè)量過(guò)程中樣本散射的變化，對(duì)探測(cè)器測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行修正。計(jì)算機(jī)通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制導(dǎo)軌轉(zhuǎn)動(dòng)，從而可以控制散射測(cè)量角，探測(cè)器在導(dǎo)軌上可以移動(dòng)，使探測(cè)器接近或遠(yuǎn)離位于中心的測(cè)量樣本。
對(duì)上述獲取的直流分量和一階二階諧波分量進(jìn)行低通濾波放大，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)公式采樣。由直流分量與一階二階諧波分量的線性方程組可以得到Mueller矩陣元素，將除 F11(Q)以外的矩陣元素分別除以Fn( θ )，并且F11(Q)其他角度的值除以Fn( θ)在0度角的值，即是F11(Q) =Fn(0 ‘ )/Fn(0° )，對(duì)Mueller矩陣進(jìn)行歸一化，獲得歸一化的 Mueller散射矩陣，該歸一化的Mueller散射矩陣的形式為
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量煙顆粒的粒徑的方法，其特征在于，包括根據(jù)煙顆粒的散射光的直流分量和諧波分量建立煙顆粒的散射光的散射矩陣；根據(jù)所述散射矩陣建立煙顆粒的粒徑參數(shù)的目標(biāo)函數(shù)，利用所述散射矩陣和目標(biāo)函數(shù)通過(guò)反演算法，獲取所述目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值，根據(jù)所述最優(yōu)值得到所述煙顆粒的粒徑分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量煙顆粒的粒徑的方法，其特征在于，所述的根據(jù)煙顆粒的散射光的直流分量和諧波分量建立煙顆粒的散射光的散射矩陣，包括獲取激光通過(guò)煙顆粒所在的區(qū)域產(chǎn)生的散射光，對(duì)所述散射光進(jìn)行低通濾波得到直流分量，通過(guò)鎖相放大器檢測(cè)得到所述散射光的一階和二階諧波分量；根據(jù)所述直流分量、一階和二階諧波分量的組成的線性方程組建立煙顆粒的散射光的米勒Mueller散射矩陣F ；
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測(cè)量煙顆粒的粒徑的方法，其特征在于，所述的根據(jù)所述散射矩陣建立煙顆粒的粒徑參數(shù)的目標(biāo)函數(shù)包括設(shè)待求解的煙顆粒的粒徑分布函數(shù)為/,(O= ( σ, D 所述σ是煙顆粒的粒徑的分布參數(shù)，所述 是所述煙顆粒的粒徑的尺寸參數(shù)；ΘΜ煙顆粒的粒徑參數(shù)的目標(biāo)函數(shù)5= Σ (Eij(O)-Ε^θ))2 IM
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的測(cè)量煙顆粒的粒徑的方法，其特征在于，所述的根據(jù)所述散射矩陣和目標(biāo)函數(shù)通過(guò)反演算法，獲取所述目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值，根據(jù)所述最優(yōu)值得到所述煙顆粒的粒徑分布，包括根據(jù)所述參數(shù)σ、石的取值區(qū)間隨機(jī)選取所述f ig(r)的初始值Χ0=( σ0, D0 )，將所述 forig(r)的取值次數(shù)設(shè)置為1，根據(jù)所述L計(jì)算出￡^) = ( ， 。)^(Do,^),并計(jì)算出所述)(。 對(duì)應(yīng)的所述目標(biāo)函數(shù)的初始值f (Xtl),將所述f (Xtl)作為所述f ig(r)的第一次的最優(yōu)值；根據(jù)所述參數(shù)。、石的取值區(qū)間隨機(jī)選取所述f ig(r)的取值X1= ( σ0, D0 )，將所述 forig(r)的取值次數(shù)加1，根據(jù)所述&計(jì)算出所述目標(biāo)函數(shù)的取值f(X》；根據(jù)所述f (X1)和所述目標(biāo)函數(shù)的上一次的最優(yōu)值之間的大小關(guān)系確定所述目標(biāo)函數(shù)的當(dāng)前最優(yōu)值，當(dāng)所述f ig(r)的取值次數(shù)達(dá)到了設(shè)定的迭代次數(shù)，并且所述目標(biāo)函數(shù)的當(dāng)前最優(yōu)值小于設(shè)定的門限值，則確定所述標(biāo)函數(shù)的當(dāng)前最優(yōu)值為所述目標(biāo)函數(shù)的最終值；獲取所述目標(biāo)函數(shù)的最終值對(duì)應(yīng)的所述f ig(r)的取值，根據(jù)該f ig(r)的取值獲取煙顆粒的粒徑分布。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的測(cè)量煙顆粒的粒徑的方法，其特征在于，所述的根據(jù)所述 f(X)和所述目標(biāo)函數(shù)的上一次的最優(yōu)值之間的大小關(guān)系確定所述目標(biāo)函數(shù)的當(dāng)前最優(yōu)值，當(dāng)所述f ig(r)的取值次數(shù)達(dá)到了設(shè)定的迭代次數(shù)，并且所述目標(biāo)函數(shù)的當(dāng)前最優(yōu)值小于設(shè)定的門限值，則確定所述目標(biāo)函數(shù)的當(dāng)前最優(yōu)值為所述目標(biāo)函數(shù)的最終值，包括計(jì)算目標(biāo)函數(shù)值的增量Δ ·，Af = MX1Pf(Xtl),所述fog為所述目標(biāo)函數(shù)的上一次的最優(yōu)值，若Af <0，則f(X》為所述目標(biāo)函數(shù)的當(dāng)前最優(yōu)解；若Af >0，判斷ρ = exp(-Af/T0)是否大于0到1之間的一個(gè)隨機(jī)數(shù)，所述Ttl為設(shè)定的整數(shù)，如果是，則MX1) 為所述目標(biāo)函數(shù)的當(dāng)前最優(yōu)解；否則，所述目標(biāo)函數(shù)的當(dāng)前最優(yōu)解仍然為f (Xtl)；判斷所述f ig(r)的取值次數(shù)是否達(dá)到了設(shè)定的迭代次數(shù)，如果不是，繼續(xù)根據(jù)所述參數(shù)σ、己的取值區(qū)間隨機(jī)選取所述f。Hg(r)的取值X1= ( σ0, D0 ),開根據(jù)所述&計(jì)算出所述目標(biāo)函數(shù)的取值f (X1),執(zhí)行所述目標(biāo)函數(shù)的當(dāng)前最優(yōu)解的判斷過(guò)程；否則，當(dāng)所述目標(biāo)函數(shù)的當(dāng)前最優(yōu)值小于設(shè)定的門限值時(shí)，則確定所述目標(biāo)函數(shù)的當(dāng)前最優(yōu)值為所述目標(biāo)函數(shù)的最終值；當(dāng)所述目標(biāo)函數(shù)的當(dāng)前最優(yōu)值不小于設(shè)定的門限值時(shí)，將所述f ig(r)的取值次數(shù)重新設(shè)置為1，繼續(xù)根據(jù)所述參數(shù)ο、 的取值區(qū)間隨機(jī)選取所述f ig(r)的取值 Xi= ( σ0 , D0 ),并根據(jù)所述&計(jì)算出所述目標(biāo)函數(shù)的取值f(Xi)，執(zhí)行所述目標(biāo)函數(shù)的當(dāng)前最優(yōu)解的判斷過(guò)程。
6.一種測(cè)量煙顆粒的粒徑的裝置，其特征在于，包括。散射矩陣建立模塊，用于根據(jù)煙顆粒的散射光的直流分量和諧波分量建立煙顆粒的散射光的散射矩陣；目標(biāo)函數(shù)建立模塊，用于根據(jù)所述散射矩陣建立模塊所建立的散射矩陣建立煙顆粒的粒徑參數(shù)的目標(biāo)函數(shù)；煙顆粒粒徑分布計(jì)算模塊，用于利用所述散射矩陣建立模塊所建立的散射矩陣和所述目標(biāo)函數(shù)建立模塊所建立的目標(biāo)函數(shù)通過(guò)反演算法，獲取所述目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值，根據(jù)所述最優(yōu)值得到所述煙顆粒的粒徑分布。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的測(cè)量煙顆粒的粒徑的裝置，其特征在于所述的散射矩陣建立模塊，還用于獲取激光通過(guò)煙顆粒所在的區(qū)域產(chǎn)生的散射光，對(duì)所述散射光進(jìn)行低通濾波得到直流分量，通過(guò)鎖相放大器檢測(cè)得到所述散射光的一階和二階諧波分量；根據(jù)所述直流分量、一階和二階諧波分量的組成的線性方程組建立煙顆粒的散射光的米勒Mueller散射矩陣F ；
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的測(cè)量煙顆粒的粒徑的裝置，其特征在于所述的目標(biāo)函數(shù)建立模塊，還用于設(shè)待求解的煙顆粒的粒徑分布函數(shù)為 fonA^= (σ, D 所述σ是煙顆粒的粒徑的分布參數(shù)，所述己是所述煙顆粒的粒徑的尺寸參數(shù)；煙顆粒的粒徑參數(shù)的目標(biāo)函數(shù)
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的測(cè)量煙顆粒的粒徑的裝置，其特征在于所述的煙顆粒粒徑分布計(jì)算模塊，還用于根據(jù)所述參數(shù)ο、5的取值區(qū)間隨機(jī)選取所述f ig(r)的初始值Χ0=( σ0, D0 ),將所述f ig(r)的取值次數(shù)設(shè)置為1，根據(jù)所述\計(jì)算出；汐)= (σ0, ο) ^(D0,φ，并計(jì)算出所述\對(duì)應(yīng)的所述目標(biāo)函數(shù)的初始值MXci)，將所述 f(X0)作為所述f ig(r)的第一次的最優(yōu)值；根據(jù)所述參數(shù)。、石的取值區(qū)間隨機(jī)選取所述f ig(r)的取值X1= ( σ0, D0 )，將所述 forig(r)的取值次數(shù)加1，根據(jù)所述&計(jì)算出所述目標(biāo)函數(shù)的取值f(X》；根據(jù)所述f (X1)和所述目標(biāo)函數(shù)的上一次的最優(yōu)值之間的大小關(guān)系確定所述目標(biāo)函數(shù)的當(dāng)前最優(yōu)值，當(dāng)所述f ig(r)的取值次數(shù)達(dá)到了設(shè)定的迭代次數(shù)，并且所述目標(biāo)函數(shù)的當(dāng)前最優(yōu)值小于設(shè)定的門限值，則確定所述目標(biāo)函數(shù)的當(dāng)前最優(yōu)值為所述目標(biāo)函數(shù)的最終值；獲取所述目標(biāo)函數(shù)的最終值對(duì)應(yīng)的所述f ig(r)的取值，根據(jù)該f ig(r)的取值獲取煙顆粒的粒徑分布。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的測(cè)量煙顆粒的粒徑的裝置，其特征在于 所述的煙顆粒粒徑分布計(jì)算模塊，還用于計(jì)算目標(biāo)函數(shù)值的增量Δι，Af = f (X1Pf (X。)，所述f (X0)為所述目標(biāo)函數(shù)的上一次的最優(yōu)值，若AfSO^lJf(X1)為所述目標(biāo)函數(shù)的當(dāng)前最優(yōu)解；若八€>0，判斷？ = ^ (-八€/%)是否大于0到1之間的一個(gè)隨機(jī)數(shù)，所述Ttl為設(shè)定的整數(shù)，如果是，則f (X1)為所述目標(biāo)函數(shù)的當(dāng)前最優(yōu)解；否則，所述目標(biāo)函數(shù)的當(dāng)前最優(yōu)解仍然為f (Xtl)；判斷所述f ig(r)的取值次數(shù)是否達(dá)到了設(shè)定的迭代次數(shù)，如果不是，繼續(xù)根據(jù)所述參數(shù)σ、萬(wàn)的取值區(qū)間隨機(jī)選取所述f。Hg(r)的取值X1= ( σ0, D0 ),開根據(jù)所述&計(jì)算出所述目標(biāo)函數(shù)的取值f (X1),執(zhí)行所述目標(biāo)函數(shù)的當(dāng)前最優(yōu)解的判斷過(guò)程；否則，當(dāng)所述目標(biāo)函數(shù)的當(dāng)前最優(yōu)值小于設(shè)定的門限值時(shí)，則確定所述目標(biāo)函數(shù)的當(dāng)前最優(yōu)值為所述目標(biāo)函數(shù)的最終值；當(dāng)所述目標(biāo)函數(shù)的當(dāng)前最優(yōu)值不小于設(shè)定的門限值時(shí)，將所述f ig(r)的取值次數(shù)重新設(shè)置為1，繼續(xù)根據(jù)所述參數(shù)ο、 的取值區(qū)間隨機(jī)選取所述f ig(r)的取值 Xi= ( σ0 , D0 ),并根據(jù)所述&計(jì)算出所述目標(biāo)函數(shù)的取值f(Xi)，執(zhí)行所述目標(biāo)函數(shù)的當(dāng)前最優(yōu)解的判斷過(guò)程。
全文摘要
本發(fā)明實(shí)施例提供了一種測(cè)量煙顆粒的粒徑的方法和裝置。該方法主要包括根據(jù)煙顆粒的散射光的直流分量和諧波分量建立煙顆粒的散射光的散射矩陣；根據(jù)所述散射矩陣建立煙顆粒的粒徑參數(shù)的目標(biāo)函數(shù)，利用所述散射矩陣和目標(biāo)函數(shù)通過(guò)反演算法，獲取所述目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值，根據(jù)所述最優(yōu)值得到所述煙顆粒的粒徑分布。本發(fā)明實(shí)施例從完全反映顆粒的光散射特性的Mueller矩陣出發(fā)，結(jié)合全局搜索能力很強(qiáng)的模擬退火算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)火災(zāi)等煙顆粒的光散射球形模型下的粒徑反演，從而可以有效地測(cè)量火災(zāi)等煙顆粒的粒徑分布。
文檔編號(hào)G01N15/02GK102507399SQ20111033027
公開日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月26日
發(fā)明者張永明, 方俊, 李耀東, 王進(jìn)軍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)