基于自回归模型的超细颗粒动态光散射模拟

为了获取超细颗粒动态散射光模拟信号, 在分析超细颗粒动态散射光信号特性的基础上, 通过建立动态光散射随机过程的自回归(AR)模型, 利用Levison-Durbin递推算法确定模型参数, 并给出了单峰、双峰分布颗粒信号模拟的模型阶数确定方法, 从而提出了一种基于AR模型的态光散射信号模拟方法。分别对50 nm, 300 nm, 1000 nm, 50 nm与1000 nm, 100 nm与500 nm, 300 nm与1000 nm的单峰、双峰分布颗粒在模型阶数分别为1, 1, 1, 57, 28, 40时进行了模拟, 得到的模拟信号的光强自相关函数与理论值吻合, 用累积法对单峰分布颗粒反演和双指数法对双峰分布颗粒反演, 相对误差分别小于0.58%和3.7%, 因此, 单峰分布颗粒信号模拟需一阶模型, 双峰分布颗粒信号模拟粒径不同所需阶数不同。     

双峰分布颗粒体系的多角度动态光散射数据反演（英文）

采用多角度动态光散射和加权正则化反演方法,对4组模拟的双峰分布颗粒体系(100/600nm,200/600nm,300/600nm和350/600nm)分别选取1、3、6和10个散射角进行测量.粒度反演结果表明,采用加权正则化方法反演双峰颗粒体系的多角度动态光散射测量数据,可获得峰值位置比小于2∶1且含有大粒径(350nm)颗粒的双峰颗粒粒度分布.采用标准聚苯乙烯乳胶颗粒进行实测的结果验证了这一结论.得到含大粒径颗粒的双峰粒度分布反演结果的原因在于,多角度动态光散射能提供更多的大粒径颗粒的粒度信息,加权正则化反演方法能减少测量数据中的噪声,因而多角度动态光散射测量数据的加权反演能实现峰值位置比小于2∶1且含有大粒径颗粒的双峰颗粒体系的测量.     

双峰分布颗粒体系的多角度动态光散射数据反演

采用多角度动态光散射和加权正则化反演方法,对4组模拟的双峰分布颗粒体系(100/600 nm,200/600 nm,300/600 nm和350/600 nm)分别选取1、3、6和10个散射角进行测量.粒度反演结果表明,采用加权正则化方法反演双峰颗粒体系的多角度动态光散射测量数据,可获得峰值位置比小于2∶1且含有大粒径(＞350 nm)颗粒的双峰颗粒粒度分布.采用标准聚苯乙烯乳胶颗粒进行实测的结果验证了这一结论.得到含大粒径颗粒的双峰粒度分布反演结果的原因在于,多角度动态光散射能提供更多的大粒径颗粒的粒度信息,加权正则化反演方法能减少测量数据中的噪声,因而多角度动态光散射测量数据的加权反演能实现峰值位置比小于2∶1且含有大粒径颗粒的双峰颗粒体系的测量.     

非独立模式算法下粒径分布反演及分类的研究

在光全散射法颗粒粒径测量中,提出一种非独立模式算法下粒径分布反演及分类的方法。对被测颗粒系分别按照不同的粒径分布函数同时进行反演,并依据反演误差大小判断被测颗粒系符合哪种分布函数。仿真实验结果表明,在非独立模式下,完全可以利用已知的不同分布函数的反演误差作为分类依据,从而更准确地确定被测颗粒系的粒径分布。采用的遗传反演算法能够在3个可见光波长下得到较准确的粒径分布,反演结果稳定可靠,最大限度地减少了多个波长的使用,从而对光源有更大的选择余地。对透射消光测量结果加入5%随机噪声时,单峰分布颗粒系的反演误差小于5%,多峰分布颗粒系的反演误差小于10%。整个算法运行时间小于2 s。该方法具有原理简单,计算速度快等优点,能够满足颗粒粒径在线测量的要求。     

基于多尺度变换的动态光散射粒径反演范围的自适应调整

 通过多尺度变换实现了反演范围的自适应调整,使其更接近真实范围。分别采用反演范围固定算法与自适应算法对200～600 nm单峰和200～900 nm双峰分布颗粒的模拟相关函数进行了反演,结果表明：自适应算法的结果更接近理论分布,抗干扰能力更强。相对于固定算法,单峰分布颗粒最多可缩小峰值误差4.73%,缩小峰宽误差185 nm。双峰分布颗粒在0～0.001噪声水平时,峰值误差分别小于11.33%,12.45%,峰宽误差分别小于35,160 nm,而固定算法在噪声水平大于0.000 1时,难以得到合理的反演结果。反演范围自适应调整方法能够有效优化粒径反演结果。     

利用低相干光纤动态光散射法测量浓悬浮液中多分散颗粒粒径分布

本文针对高浓度散射介质,用低相干光纤动态光散射技术测量浓悬浮液中多分散颗粒系的粒径及其粒径分布。利用迭代CONTIN算法对实验数据进行反演运算,得到多分散颗粒系的粒径分布结果。结果表明,浓悬浮液中多分散颗粒系的峰值粒径测量值与给定的两种标准粒径值相吻合,其误差在4%之内,粒径分布曲线中各散射颗粒所反映的散射体光强分布与根据Mie散射计算得到的理论值相吻合。实验结果证明低相干光纤动态光散射实验系统能准确测量浓悬浮液中多分散颗粒粒径及粒径分布。     

基于颗粒粒度信息分布特征的动态光散射加权反演

宽分布和双峰分布颗粒的准确反演是动态光散射技术至今未能有效解决的难题,尤其峰值位置比小于2:1且含有大粒径颗粒(350 nm)的双峰分布.造成这一难题的主要原因包括:1)单角度测量数据的粒度信息含量不足;2)常规反演方法对测量数据的噪声抑制以及粒度信息利用缺乏针对性.对测量数据(即光强自相关函数)的研究发现,数据噪声主要分布在长延迟时段,而粒度信息集中分布在衰减延迟时段.基于此,本文提出了采用粒度信息分布为底数、调节参数为指数的权重系数对自相关函数进行加权反演的约束正则化方法.由于采用了与粒度信息分布一致的权重系数,该方法既充分利用了衰减延迟时段的粒度信息,又有效地抑制了长延迟时段的数据噪声.不同噪声水平下,宽分布和双峰分布颗粒体系的反演结果表明,与常规反演方法相比,这一方法可以获得更为准确的宽分布和近双峰分布的反演结果.     

双峰分布的超细颗粒动态光散射信号模拟及精度分析

为获取双峰分布超细颗粒的动态光散射模拟信号,通过建立动态光散射随机过程的AR模型,利用修正的Levison-Durbin递推算法确定模型参数和阶数的方法模拟光散射信号.分别对10 nm与90 nm,200 nm与1 000 nm双峰分布颗粒的动态光散射信号进行模拟,得到的模拟信号光强自相关函数与理论值吻合,用双指数法对颗粒粒径反演,相对误差小于3.55%.通过分析模型阶数、采样时间、采样频率、模拟数据长度等参数对模拟精度的影响,得出双峰分布颗粒光散射信号的模拟精度与各参数的关系:在低于阈值阶数时,模型阶数选择对精度影响大,模型阶数越高,信号模拟的精度越高,高于阈值阶数时,模型阶数选择对精度影响不大,可选阈值阶数模型模拟信号.选定一定的采样时间,采样频率越高,模拟数据长度越长,模拟精度越高.     

动态光散射测量粒径分布的格雷码编码遗传算法反演运算

采用格雷码编码的遗传算法对动态光散射测量的粒径分布进行反演运算,数字测试结果表明,对于无噪声的分布,算法能精确的反演出各种粒子分布图像;对于加了一定噪声的分布,算法显示出较好的稳定性,能反演出主峰的分布图像.聚苯乙烯乳球的实验结果表明,该算法能反演双分布的粒径分布图像.与标准遗传算法和反演蒙特卡罗算法相比,该算法具有较高的搜索效率,能够用较少的计算时间快速搜索到最优解.格雷码编码遗传算法是一种更有效的随机反演算法.     

非球形颗粒系粒径分布的机器学习反演算法

动态光散射技术在微米与亚微米级颗粒系粒径分析领域中具有广泛应用,但缺乏非球形颗粒系粒径分布（PSD）的反演模型和算法,限制了其在生物医疗等领域中的应用。基于机器学习方法,设计了基于广义回归神经网络（GRNN）的PSD反演模型和算法,可应用于多角度动态光散射法的粒径分析场景中。以生物医疗领域中的双凹圆饼形和椭球形血红细胞作为典型的非球形颗粒物模型,通过仿真实验测试了所设计的算法。实验结果表明,与传统的正则化Tikhonov算法相比,所设计的反演算法粒径分析准确性更好且耗时更短。对多角度动态光散射法中的散射角度数量进行了仿真实验。结果表明,仅使用2个散射角度处获得的数据依然能实现非球形颗粒系粒径分布的准确反演。     

动态光散射测量的复惩罚正则化反演

多峰颗粒体系粒度及其分布的测量是动态光散射技术的难点,本文在Tikhonov正则化方法的目标函数中加入具有平坦约束功能的惩罚项,增强对解的约束提高对多峰颗粒体系的反演性能.190/443nm、282/953nm、457/553nm双峰分布颗粒体系、564nm单峰分布颗粒体系和292/591/889nm三峰颗粒体系的模拟数据,以及306/974nm、300/502nm双峰颗粒体系的实测数据的反演表明,在正则化反演中增加具有平坦约束功能的惩罚项,可有效消除反演的颗粒粒度分布中出现的毛刺与虚假峰,提高算法的峰值分辨能力和抗噪能力.该研究在发挥多角度动态光散射技术测量中、大超细颗粒时具有信息量多的优势,实现宽范围的双峰及多峰分布颗粒体系的准确测量.     

动态光散射技术的角度依赖性

与单角度动态光散射技术相比,多角度动态光散射(MDLS)颗粒测量技术能够提高颗粒粒度分布的测量准确性。但在MDLS技术中,测量角度的选择常常与被测颗粒体系的分布有关。对100nm、500nm的单峰模拟分布和300nm与600nm混合的双峰模拟分布的颗粒体系,分别在1、3、6、9个散射角条件下进行了测量。颗粒粒度反演结果表明,随着散射角个数的增大,颗粒粒度分布更趋于真实的颗粒粒度分布。对数量比为5:1的100nm与503nm双峰分布的聚苯乙烯颗粒,分别在1、3、5、10个散射角条件下进行了测量,实测结果表明采用单角度测量只能得到单峰分布,3个及更多散射角可得到双峰分布,并且双峰的数量比随散射角数量的增加逐渐趋近真实的数量比。因此,MDLS颗粒测量技术能够改善颗粒粒度分布的测量结果,但这种改善程度会随散射角的增多逐渐降低。由于散射角个数的增多会增加散射角的校准噪声和光强相关函数的测量噪声,因而会导致在有些情况下颗粒粒度分布的测量结果反而变差。     

基于Tikhonov正则参量后验选择策略的PCS颗粒粒度反演方法

采用基于Morozov偏差原理的后验策略来选择最优正则参量,并采用此方法对单峰和多峰分布颗粒系的模拟电场自相关函数进行了反演,结果表明,对于单峰颗粒体系,当电场自相关函数的扰动误差小于0.05时,反演得到的峰值准确,当电场自相关函数的扰动误差大于0.05时,反演得到的峰值偏离所模拟的颗粒粒径.正则参量初始值在0.000 02～2范围内,在反演所得的峰值准确的基础上,正则参量初始值越小,反演得到的分布宽度越窄.收敛误差在0.000 05～50范围内,在保持反演结果稳定的基础上,收敛误差取值越大,反演得到的分布宽度越窄.对于多峰颗粒体系,当颗粒系中的颗粒粒径差别较小时,峰值向平均值偏移,当颗粒系中的颗粒粒径差别较大时,小颗粒粒径分布以噪音的形式出现.     

双峰分布的超细颗粒动态光散射信号模拟及精度分析

为获取双峰分布超细颗粒的动态光散射模拟信号,通过建立动态光散射随机过程的AR模型,利用修正的Levison Durbin递推算法确定模型参数和阶数的方法模拟光散射信号.分别对10 nm与90 nm,200 nm与1 000 nm双峰分布颗粒的动态光散射信号进行模拟,得到的模拟信号光强自相关函数与理论值吻合,用双指数法对颗粒粒径反演,相对误差小于3.55%.通过分析模型阶数、采样时间、采样频率、模拟数据长度等参数对模拟精度的影响,得出双峰分布颗粒光散射信号的模拟精度与各参数的关系:在低于阈值阶数时,模型阶数选择对精度影响大,模型阶数越高,信号模拟的精度越高,高于阈值阶数时,模型阶数选择对精度影响不大,可选阈值阶数模型模拟信号.选定一定的采样时间,采样频率越高,模拟数据长度越长,模拟精度越高.     

基于Tikhonov正则参量后验选择策略的PCS颗粒粒度反演方法

采用基于Morozov偏差原理的后验策略来选择最优正则参量,并采用此方法对单峰和多峰分布颗粒系的模拟电场自相关函数进行了反演,结果表明,对于单峰颗粒体系,当电场自相关函数的扰动误差小于0.05时,反演得到的峰值准确,当电场自相关函数的扰动误差大于0.05时,反演得到的峰值偏离所模拟的颗粒粒径.正则参量初始值在0.000 02～2范围内,在反演所得的峰值准确的基础上,正则参量初始值越小,反演得到的分布宽度越窄.收敛误差在0.000 05～50范围内,在保持反演结果稳定的基础上,收敛误差取值越大,反演得到的分布宽度越窄.对于多峰颗粒体系,当颗粒系中的颗粒粒径差别较小时,峰值向平均值偏移,当颗粒系中的颗粒粒径差别较大时,小颗粒粒径分布以噪音的形式出现.     

表征超声衰减谱粒度的改进和声搜索算法

针对超声衰减谱法颗粒粒径测量,提出一种改进和声搜索算法,在和声搜索算法迭代达到200次时,加入拟牛顿算法,调节和声搜索算法全局和局部搜索能力,提高算法的收敛精度.对服从3种典型粒径分布函数颗粒系进行数值模拟,改进算法反演得出罗辛-拉姆勒(Rosin-Rammler)分布参数值相对误差小于8％,正态分布参数值相对误差小于...     

颗粒系的可见消光光谱分析及最佳波长的选择

在光全散射法颗粒粒径测量中,被测颗粒系的消光光谱包含有颗粒粒径、折射率等信息。对常用的单峰及双峰R-R分布的可见消光光谱进行模拟,分析了可见消光光谱随粒径和相对折射率变化的规律。选取二阶微分可见消光光谱不连续点对应的波长作为测量波长,并将可见光边界波长同时作为测量波长,在非独立模式下,采用遗传优化算法反演粒径分布。仿真计算与实验验证结果表明,通过消光光谱分析,可以预先确定被测颗粒系的分布状况,缩小优化算法中反演参数的搜索范围。结合最佳波长选择方法,使测量的精度和可靠性明显提高。对测量光谱加入1%随机噪声时,单峰及多峰分布粒径反演均能得到满意的结果。     

多分散Au-Ag合金纳米球的光谱消光法反演

贵金属纳米颗粒具有局域表面等离子体共振特性而引起了广泛的关注,其中Au-Ag合金纳米颗粒具有良好的结构稳定性、光热性能以及潜在的抗癌功效而得到普遍研究。在众多应用中的特性与其粒径和浓度密切相关,然而目前常用的电子显微镜观察法和动态光散射法不能同时获得粒径和浓度信息,因此采取有效手段测量颗粒粒径和浓度信息至关重要。基于光谱消光法,利用非负的Tikhonov正则化方法解决反演问题,并根据Mie理论计算消光矩阵。针对噪声问题,采取两种情况研究多分散Au-Ag合金纳米球粒径分布与浓度的反演问题。未添加噪声情况下,颗粒系Ⅰ的反演相对误差小于颗粒系Ⅱ,在波长范围300～500 nm之间的反演相对误差最小,对应平均粒径、粒径标准差和颗粒数浓度的反演相对误差分别为0%,-0.03%和0%。添加随机噪声情况下,将0.5%和1.0%的随机噪声添加进颗粒系Ⅰ中的消光谱,经过数据比较发现在波长范围200～600 nm之间的反演相对误差最小。当添加0.5%的随机噪声时,粒径分布、粒径标准差和颗粒数浓度的变化范围分别为79.76～80.15 nm, 5.60～6.61 nm和0.995 8×1010～1.005 9×1010个·cm-3;当添加1.0%的随机噪声时,粒径分布、粒径标准差和颗粒数浓度的变化范围分别为78.87～80.27 nm, 5.36～9.00 nm和0.992 4×1010～1.027 7×1010个·cm-3。反演结果随着随机噪声的增大,变化范围也明显增大即反演相对误差增大,并且每次添加相同随机噪声后的反演结果不同。为了减少随机噪声导致的不稳定性,对100次反演结果进行平均得到平均粒径、粒径标准差和颗粒数浓度。当随机噪声从0.5%增大至1.0%时,其反演结果的相对误差均增大,但是反演得到的粒径分布、粒径标准差和颗粒数浓度相对误差均小于6%,这说明通过反演算法得到的反演结果具有较好的稳定性。研究表明,光谱消光法为反演多分散Au-Ag合金纳米球粒径分布与浓度提供了一种简单、快速的表征手段,也对研究非球形纳米颗粒有启示作用。     

一种纳米颗粒粒度测量的快速图像动态光散射法研究

提出了一种新的基于图像相关处理的图像动态光散射纳米颗粒粒度测量方法。该方法采用图像法测量纳米颗粒动态光散射空间分布信号,以很短时间间隔拍摄两幅动态光散射信号空间分布图,再用二维相关算法对这两幅图像进行处理,获得对应衰减时刻的相关系数,根据相应衰减时刻的粒径-相关系数曲线求得纳米颗粒的粒度。与传统动态光散射测量方法相比,将测量时间从百秒级缩短到微秒级,数据处理时间也缩短到毫秒级。对79、482和948 nm三种不同粒径的标准颗粒进行实验,测量结果误差小于7%,可以实现纳米颗粒粒度测量的实时在线。     

多角度动态光散射角度误差影响测量的途径分析

在分析角度误差对测量结果作用机制的基础上,采用不同的角度误差,通过对六组单峰(82nm、104nm、350nm、431nm、816nm和865nm)和三组双峰(137/601nm、242/750nm和470/895nm)颗粒体系的模拟数据及306nm/974nm双峰颗粒体系实测动态光散射数据的反演,研究了权重估计和基线计算两种途径中角度误差对反演结果的作用.结果表明,角度误差对颗粒粒度分布反演结果的影响是由基线计算和权重系数估计的双重作用途径产生的;权重因素对峰值和性能误差的影响明显大于基线因素,仅在小颗粒窄峰测量时,基线因素对峰值误差的影响略超权重因素,但权重因素对性能误差的影响仍然大于基线因素.