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利用颗粒的光散射特性获取颗粒信息,具有非侵入式和非破坏式测量、测量速度快、重现性好等突出优点,在各行业中有广泛应用。例如对于海洋浮游植物的研究,光散射法是一种重要手段。本论文构建了几种典型的弱散射颗粒模型,对其散射特性做了研究;然后开展颗粒逆散射问题的研究,提出了基于衍射层析理论的微小颗粒形状及尺度反演方法,设计了实验测量装置,并进行了数值实验;在理论研究的基础上,设计了一套在线水中颗粒体散射函数测量系统,并实现了对样品颗粒的体散射函数测量。本论文为研究海洋浮游微生物及其他弱散射颗粒提供了新的方法。 根据海水中浮游植物结构特征,论文使用离散偶极子近似方法,对具有代表性的浮游植物光散射场进行了理论计算。对计算结果的分析发现,对于尺度与入射光波长相比拟的弱散射颗粒,入射光的偏振性质显著影响其散射光强分布;当入射光是线偏振光时,各散射面上的光强分布均不相同。有核细胞散射体模型的方向、粒度、内部结构对偏振光散射光强分布都有影响。因此可以根据线偏振光入射下的散射特征,对浮游植物和其他生物细胞进行鉴定、研究。 现有的颗粒粒度分析方法主要针对球形颗粒,对于非球形颗粒,往往将其近似为等效球体。论文通过研究衍射层析理论,提出了一种利用单波长散射光角分布,反演单个颗粒粒径和形状的方法,并对球形和椭球形、圆柱形等非球形颗粒分别开发了反演算法。进行了大量的数值仿真实验,证明论文提出的逆散射算法可以在适度噪声存在的情况下,准确的反演与入射光波长在同一数量级的弱散射球形颗粒直径,或反演弱散射非球形颗粒的形状和大小。 由于衍射层析理论需要知道散射场的振幅和相位信息,而光场相位难以测量,论文还提出了仅利用散射光强分布反演颗粒粒径的方法。在衍射层析理论的基础上,结合相位复原算法,采用误差递减法,通过多次迭代,复原散射场相位信息和散射颗粒的形状与尺度信息。对弱散射球形颗粒做了数值仿真实验,反演结果与颗粒实际粒径相符。 在理论研究的基础上,论文设计了一套水中悬浮颗粒体散射函数的在线测量系统。系统利用抛物面反射镜收集三维空间中的散射光,并将其映射到二维平面上,由 ICCD接收,因此能快速的测量大角度范围内的散射光强分布;系统采用光电探测电路来探测水中颗粒,并通过信号发生装置触发 ICCD;测量数据经计算机处理,可以对颗粒形状尺度进行反演。论文搭建了一套颗粒体散射函数测量装置,对标准颗粒试样的散射光强分布进行了测量,实验数据经处理后得到了与理论计算吻合较好的实验结果。