基于动态光散射方法的非球形颗粒粒度反演方法和系统

本发明涉及纳米颗粒检测，尤其是一种基于动态光散射方法的非球形颗粒粒度反演方法和系统。

背景技术：

1、颗粒的粒度分布及形貌参数（如纵横比）是决定其物理、化学及生物性能的关键指标，在材料科学、生物医药、纳米电子、化工等领域具有重要应用价值。动态光散射（dls）技术因具有非接触、无损伤、快速测量、适用于纳米尺度颗粒等优点，成为纳米颗粒粒度测量的主流技术之一。其核心原理是：通过探测颗粒布朗运动引起的散射光强涨落信号，结合扩散系数与颗粒尺寸的关系，反演颗粒的粒度分布。

2、然而，传统dls技术主要针对球形颗粒设计，而实际应用中，大量纳米颗粒（如纳米棒、柱状纳米晶体、生物大分子等）呈非球形。非球形颗粒的光散射特性受尺寸（以斯托克斯半径表征）和形貌（以纵横比表征）的共同影响，散射光强涨落信号与两个参数存在强耦合关系，导致传统反演方法难以同时精准获取这两个参数。此外，斯托克斯半径和纵横比在实际颗粒体系中非单一值，服从一定分布，进一步增加了反演的难度和复杂度。

技术实现思路

1、本发明的发明目的在于：针对上述存在的全部或部分问题，提供一种基于动态光散射方法的非球形颗粒粒度反演方法和系统，用于实现对非球形纳米颗粒尺寸和形态分布的高精度、高抗噪性反演。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、在第一方面，本申请提供了一种基于动态光散射方法的非球形颗粒粒度反演方法，其包括：

4、建立非球形颗粒光散射模型；

5、采集非球形颗粒的垂直-垂直、垂直-水平偏振方向散射光信号，经预处理得到电场自相关函数；

6、以所述电场自相关函数为输入，利用粒子群算法反演得到非球形颗粒的斯托克斯半径分布与纵横比分布；其中，所述粒子群算法基于拉丁超立方抽样进行粒子初始化；在迭代优化过程中，阶段式调整学习因子，基于迭代进度和种群分布调整粒子边界，通过变异机制维持种群多样性不低于设定的多样性阈值，对越界粒子进行平滑化越界处理；在每代迭代中，采用tikhonov正则化适应度函数计算粒子适应度，筛选个体最优适应度的精英粒子动态分配惯性权重。

7、可选的，建立非球形颗粒光散射模型，包括：

8、定义关键参数，包括斯托克斯半径、平移扩散系数、极化率、形状参数和旋转扩散系数；

9、拆分所述极化率为各向同性极化率和各向异性极化率；

10、基于平移扩散系数计算平移弛豫速率，基于平移扩散系数和旋转扩散系数计算混合弛豫速率；

11、基于斯托克斯半径、形状参数、平移弛豫速率、混合弛豫速率、各向同性极化率和各向异性极化率进行非球形颗粒尺寸和形貌双分散性联合表征。

12、可选的，在拆分所述极化率时，采用椭球等效模型计算非球形颗粒各向同性极化率和各向异性极化率。

13、可选的，所述电场自相关函数包括垂直-垂直极化双指数形式，以及垂直-水平极化单指数形式。

14、可选的，阶段式调整学习因子，包括：

15、个体学习因子随迭代次数从第一设定值起线性递减；

16、社会学习因子随迭代次数从第二设定值起线性递增，所述第二设定值小于所述第一设定值。

17、可选的，基于迭代进度和种群分布调整粒子边界，包括：

18、根据设置的边界收缩间隔触发粒子边界调整；

19、在每次调整粒子边界时，以当前全局最优位置为中心，在保证粒子边界不低于设置的最小边界范围的约束下，依据设置的收缩率缩小当前边界范围。

20、可选的，通过变异机制维持种群多样性不低于设定的多样性阈值，包括：

21、在每间隔预定迭代次数或者停滞计数器计数值达到停滞阈值时，检测种群多样性；

22、判断种群多样性是否低于所述多样性阈值；

23、若种群多样性低于所述多样性阈值，则触发变异操作，随机选择设定变异比例的粒子进行变异；

24、变异后对粒子位置进行边界限制，并重置所述停滞计数器。

25、可选的，对越界粒子进行平滑化越界处理，包括：

26、对于越界粒子，在粒子边界内，随机重置粒子位置，并基于重置的粒子位置调整越界粒子的速度方向朝向粒子边界内部。

27、可选的，筛选个体最优适应度的精英粒子动态分配惯性权重，包括：

28、筛选适应度排名靠前的预定数量或比例的精英粒子分配第一惯性权重，剩余非精英粒子分配第二惯性权重，所述第一惯性权重小于所述第二惯性权重。

29、在第二方面，本申请提供了一种基于动态光散射方法的非球形颗粒粒度反演系统，其包括：

30、激光器，提供可见光激光光源；

31、起偏器，设于所述激光器光路上，使激光光源带有偏振方向；

32、透明的样品容器，设于所述激光器光路上，用于放置待测非球形颗粒样品；

33、激光陷阱，设于所述激光器光路上，用于吸收未被散射的直射激光；

34、偏置相机，对准所述样品容器，同时获得多偏振方向的散射光信号；

35、计算机，连接所述偏置相机，获取所述偏振相机获得的散射光信号，运行基于动态光散射方法的非球形颗粒粒度反演方法，反演得到非球形颗粒的斯托克斯半径分布与纵横比分布。

36、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

37、相比于传统dls技术，本申请具有以下优势：

38、第一，破解参数耦合难题，实现多参数同步精准检测。传统dls因仅捕捉颗粒的平移扩散信号，无法区分尺寸与形貌对散射光强涨落的耦合影响，难以同时精准获取斯托克斯半径和纵横比。而本申请同时捕捉平移扩散信号和旋转扩散信号，建立了尺寸、纵横比与平移、旋转两种扩散系数的独立关联，可同步反演尺寸和形貌两个关键参数，彻底解决了传统技术的核心瓶颈，且能精准适配斯托克斯半径和纵横比均服从正态分布的多分散性颗粒体系，有效降低反演的难度与复杂度，提升检测结果的准确性。

39、第二，检测适配性更强，覆盖更广泛应用场景。传统dls仅适用于球形颗粒检测，对棒状等非球形颗粒进行检测时，需强行假设颗粒为球形，导致检测误差较大，无法反映颗粒的真实形貌与尺寸特征。本申请无需对颗粒进行球形假设，可精准适配纳米尺度棒状等颗粒（最小可检测至几纳米），能真实反映棒状等颗粒的固有物理特性，适用于材料科学、生物医药等领域中各类棒状纳米颗粒（如纳米棒、柱状纳米晶体）的检测需求，弥补了传统dls的应用局限。

40、第三，继承核心优势并提升检测精度。本申请完整继承了传统dls非接触、无损伤、快速测量、统计代表性强的核心优点，无需复杂样品制备，可直接在液体悬浮液中完成检测，且能同时探测多数量级个数的颗粒，确保检测结果的统计可靠性；同时在适应度函数中使用tikhonov优化方法，有效减少噪声和信号波动带来的误差，反演结果优于传统dls技术结果。

1.一种基于动态光散射方法的非球形颗粒粒度反演方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的基于动态光散射方法的非球形颗粒粒度反演方法，其特征在于，建立非球形颗粒光散射模型，包括：

3.如权利要求2所述的基于动态光散射方法的非球形颗粒粒度反演方法，其特征在于，在拆分所述极化率时，采用椭球等效模型计算非球形颗粒各向同性极化率和各向异性极化率。

4.如权利要求1所述的基于动态光散射方法的非球形颗粒粒度反演方法，其特征在于，所述电场自相关函数包括垂直-垂直极化双指数形式，以及垂直-水平极化单指数形式。

5.如权利要求1所述的基于动态光散射方法的非球形颗粒粒度反演方法，其特征在于，阶段式调整学习因子，包括：

6.如权利要求1所述的基于动态光散射方法的非球形颗粒粒度反演方法，其特征在于，基于迭代进度和种群分布调整粒子边界，包括：

7.如权利要求1所述的基于动态光散射方法的非球形颗粒粒度反演方法，其特征在于，通过变异机制维持种群多样性不低于设定的多样性阈值，包括：

8.如权利要求1所述的基于动态光散射方法的非球形颗粒粒度反演方法，其特征在于，对越界粒子进行平滑化越界处理，包括：

9.如权利要求1所述的基于动态光散射方法的非球形颗粒粒度反演方法，其特征在于，筛选个体最优适应度的精英粒子动态分配惯性权重，包括：

10.一种基于动态光散射方法的非球形颗粒粒度反演系统，其特征在于，包括：