亚微米、纳米颗粒测量的光子相关光谱法及其反演算法研究

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自上世纪70年代以来,光子相关光谱法已成为亚微米、纳米级颗粒测量的重要手段之一。光子相关光谱法是采用光子计数相关技术的动态光散射技术,它基于由布朗运动颗粒引起的多普勒频移,测量得到散射光自相关函数,然后通过反拉普拉斯变换而求得颗粒尺寸信息。反演算法在反拉普拉斯变换中起到关键作用,设计良好的反演算法以及全面掌握反演算法的性能是现阶段光子相关光谱法亚微米、纳米级颗粒测量的主要课题之一。基于我们遇到的一些问题,提出了本文的研究任务——亚微米、纳米颗粒测量的光子相关光谱法及其反演算法研究。 本文详细介绍了动态光散射理论的发展和理论,讨论了光子相关光谱法的颗粒尺寸分布表征方法,深入分析了光子相关光谱法反演算法。为了全面了解算法的反演性能,设计了一个基于虚拟仪器平台的反演算法分析程序,实现了CONTIN算法和非负最小二乘法(NNLS)算法。 通过数值分析,研究了CONTIN算法的反演性能,如对单分散和双分散颗粒系的反演性能、不同噪声下的反演性能、正则化参数对反演结果的影响、反演分布宽度随颗粒尺寸增大的变化情况等等。通过实际相关信号分析,也得到了验证CONTIN算法性能。 合理地缩小反演范围使之接近实际颗粒分布范围是得到较好反演结果的手段之一。鉴于CONTIN算法的反演范围在反演计算过程中是固定不变的,其反演结果质量有待改善,本文根据上一次计算结果的平均值和方差引入了合理地调整CONTIN算法的反演范围的功能,改进后的CONTIN算法称为迭代CONTIN算法。本文介绍了这种算法思路,并通过数值模拟分析了迭代CONTIN算法与原CONTIN算法在以下反演性能:峰值位置、宽度、对称性、双峰识别能力以及对噪声的抑制能力等五方面的情况,结果表明迭代CONTIN算法在峰值位置、峰宽度、峰对称性、双峰识别能力以及抗噪声干扰等方面都优于原CONTIN算法,并且还通过实际相关函数数据进行了验证。 与上面的工作类似,本文对非负最小二乘法算法也进行了性能分析以及自动调整反演范围的改进。
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