多角度动态光散射颗粒测量技术中的去噪方法研究

摘要

多角度动态光散射技术选取多个散射角度测量散射光信号,并对其作自相关运算得到对应角度的光强自相关函数,通过对自相关函数数据的加权分析获取颗粒粒径分布信息。该技术克服了单一角度颗粒粒径信息不完整的缺陷,对于宽分布和双峰分布的颗粒体系,能够给出更为准确的测量结果。然而,与单角度动态光散射技术相比,多角度动态光散射技术在提供大量测量信息的同时,也引入了更多的测量噪声,从而增加了数据处理的复杂性和粒径分布反演的困难度,因此如何有效消除由于测量角度增加引入的噪声对于多角度动态光散射颗粒测量至关重要。本文针对多角度动态光散射颗粒测量技术中的去噪方法展开了较为深入的研究,主要研究内容包括:
　　1.在单角度动态光散射测量原理基础上,分析了多角度动态光散射颗粒测量技术的基本理论。多角度动态光散射技术通过转动装置在0~180度范围内选取多个散射角度进行光强自相关函数数据测量,根据各角度散射光强的贡献,按不同的权重系数,将各角度光强自相关函数数据结合到一个数据分析中,通过反演获取颗粒粒径分布信息,在此过程中,噪声的引入最终会导致光强自相关函数数据偏离真实值,从而降低颗粒粒径反演的准确性。
　　2.研究了多角度动态光散射技术中的相关函数基线去噪方法。与单角度动态光散射技术相比,多角度动态光散射技术由于测量角度的增多引入了更多的基线测量噪声,从而导致反演获取的颗粒粒径分布出现虚假峰。针对此问题提出了相关函数基线去噪方法,300/600nm的双峰模拟分布和306/974nm的双峰实测分布反演结果表明,采用该去噪方法明显减小或消除了虚假峰,可以更好地从受基线噪声污染的光强自相关函数数据中反演出双峰分布。
　　3.研究了多角度动态光散射颗粒测量技术中角度校准噪声对不同颗粒体系反演结果的影响。采用Johnson's SB函数模拟单峰分布以及多峰分布,并对真实散射角度添加不同水平的角度相关噪声作为含噪测量角度。反演结果表明,小粒径颗粒的单峰分布比中、大粒径颗粒的单峰分布更易受角度校准噪声的影响,含小粒径颗粒的双峰分布比不含小粒径颗粒的双峰分布受角度校准噪声的影响大,宽峰分布比窄峰分布抗噪能力差。
　　4.研究了多角度动态光散射技术中的权重系数去噪方法。基线测量噪声的存在导致光强均值偏离真实值,从而导致依赖于光强均值的权重系数估计不准确,为此提出了多角度动态光散射技术中的权重系数去噪方法。对100~900nm和100~650nm两组单峰颗粒体系以及360~900nm和100~900nm两组双峰颗粒体系的相关函数数据添加不同水平的噪声作为模拟数据,标称直径为306/974nm的双峰分布数据为实验数据。模拟和实验结果表明,采用该去噪方法,权重系数误差明显减小,且反演获得的颗粒粒径分布的性能参数和峰值误差显著减小。
　　多角度动态光散射可以同时分析不同散射角度的光强信号,避免了对未知颗粒体系散射角度选择的不准确性,提供了更多的颗粒粒径分布信息,因而有着比单角度动态光散射技术更为广阔的应用前景。然而,因散射角度增加所引入的测量噪声,制约了这一技术的应用,使得该技术在近二十余年来发展缓慢。本文所做的工作,可有效消除噪声对多角度动态光散射颗粒测量的影响,显著提高颗粒粒径分布测量的准确性,从而有助于推动多角度动态光散射颗粒测量技术的发展。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 动态光散射颗粒测量技术中去噪方法发展状况

1.3 本文研究的主要内容

1.4 本章小结

第二章 多角度动态光散射基本理论

2.1 动态光散射基本原理

2.2 多角度动态光散射基本理论

2.3 多角度动态光散射颗粒测量中的噪声引入

2. 4 本章小结

第三章 多角度动态光散射技术中的基线去噪

3.1 多角度动态光散射基线去噪理论

3.2 正则化算法

3.3 数值模拟及结果分析

3.4 实验结果及分析

3.5 本章小结

第四章 多角度动态光散射技术中的角度校准噪声

4.1 基于Johnson's SB分布函数的数值模拟

4.2 角度校准噪声对反演结果的影响及分析

4.3 本章小结

第五章 多角度动态光散射技术中的权重系数去噪

5.1 多角度动态光散射权重系数去噪理论

5.2 改进的Chahine算法

5.3 数值模拟及结果分析

5.4 实验结果及分析

5.5 本章小结

第六章 结论与建议

6.1 结论

6.2 建议

致谢

参考文献

在学期间公开发表论文及著作情况