專利名稱：基于激光多普勒測量粒子的非理想粒子分類識別方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于激光多普勒測量粒子的非理想粒子分類識別方法，屬于粒子測量技術(shù)。
背景技術(shù)：
在冶金、化工、醫(yī)藥、環(huán)保、氣象、食品、建材、航天等諸多技術(shù)領(lǐng)域，粒子的特性與工作效率、產(chǎn)品質(zhì)量以及生產(chǎn)過程等有著直接的關(guān)系，正是粒子速度、尺寸分布、材料特性及其空間分布等方面的動態(tài)信息，直接影響甚至完全決定了過程環(huán)境中的熱量、動量和質(zhì)量交換及由此產(chǎn)生的各種結(jié)果的性能，因此粒子特性測量在工業(yè)生產(chǎn)中極為重要?，F(xiàn)有的粒子測量技術(shù)和儀器很多，但都認(rèn)為被測粒子的特性是理想的，即粒子形狀為球形，所有粒子均屬同一種材料。然而，實際生產(chǎn)過程中的粒子流多為混合粒子流，其成份構(gòu)成具有不一致性，其形狀構(gòu)成具有不規(guī)則性，粒子的所有特性參數(shù)都只可能滿足某種分布，這些因素的存在或者給測量引入誤差，或者限制了測量手段和技術(shù)的應(yīng)用。因此，針對非理想粒子特性測量中存在的技術(shù)問題，開發(fā)具有實用價值的粒子特性識別方法，對于推動工業(yè)過程的在線動態(tài)監(jiān)測設(shè)備的開發(fā)具有極其重要的意義。
實際粒子流中粒子的分散性特性(形狀的不規(guī)則性和材料的不一致性)服從一定的分布規(guī)律，無論何種粒子測量技術(shù)，測量系統(tǒng)總是將反映這些特性的信息寄生在所獲得測量信號的某個參數(shù)(幅度、頻率、相位等)上，由于粒子非理想特性的存在，測量數(shù)據(jù)中必然包含粒子非理想特性的信息，粒子特性的分散性必然表現(xiàn)為這些參數(shù)的分散性，相應(yīng)地也能找到這些參數(shù)的分布規(guī)律。利用這些信息可以了解粒子的非理想特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于激光多普勒測量粒子的非理想粒子分類識別方法。該方法有效地消除了實際粒子的不規(guī)則性和不一致性對測量的影響，從而得到更符合測量對象實際特點的結(jié)果。
本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案加以實現(xiàn)的采用包括激光光源、起偏器、分束器、物鏡和APD探測器的光學(xué)探測系統(tǒng)和包括信號預(yù)處理器、高速同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器、小波處理器、參數(shù)處理器、數(shù)據(jù)分析器和同步控制器的信號處理系統(tǒng)的激光多普勒粒子測量裝置，獲取運動粒子特性參數(shù)的動態(tài)信息，建立能反映粒子非理想特性的描述模式，綜合多個特性模式實現(xiàn)非理想粒子的分類識別；并依據(jù)在激光多普勒粒子測量技術(shù)中，被測粒子直徑與多普勒信號的相位差成正比，粒子的相對折射率與多普勒信號相位差的比值成正比，以及在一定范圍內(nèi)，粒子形狀不規(guī)則情況下多普勒信號相位差服從正態(tài)分布，粒子材料特性不一致情況下多普勒信號相位差比值服從正態(tài)分布，將粒子的粒徑和相對折射率定義為兩種模式進(jìn)行其統(tǒng)計特性，該統(tǒng)計特性反映了粒子的非理想化特性，根據(jù)其統(tǒng)計特性與已知模式的貼近程度，實現(xiàn)了粒子的分類識別，其特征在于包括以下步驟1.利用激光多普勒測量粒子裝置獲得粒子的直徑數(shù)據(jù)x＝{x1，x2，…，xN}和相對折射率數(shù)據(jù)y＝{y1，y2，…，yN}；2.將數(shù)據(jù)x、y的分布規(guī)律定義為相應(yīng)的模式 依據(jù)測量數(shù)據(jù)，模式的統(tǒng)計特征可初步估計為均值x‾=1NΣi=1Nxi]]>y‾=1NΣi=1Nyi]]>方差σx=1N-1Σi=1N(xi-x‾)2]]>σy=1N-1Σi=1N(yi-y‾)2]]>從而建立描述模式 的從屬函數(shù)μ(x)、μ(y)，μ(x)、μ(y)均在
區(qū)間上取值，其大小反映了模式 中元素x、y對于該模式的從屬程度；3.利用測試數(shù)據(jù)調(diào)整模式的統(tǒng)計特征，使模式描述更準(zhǔn)確、可靠。以直徑模式為例①將數(shù)據(jù)x等間距地分為t個區(qū)間，區(qū)間間隔Δx=xmax-xmint;]]>②求各區(qū)間粒徑中值d1，d2，…，dt；③統(tǒng)計各區(qū)間內(nèi)的粒子個數(shù)l1，l2，…，l1，并確定最大值lmax=maxi=1i(li);]]>④求各區(qū)間歸一化的粒子分布W＝(W1，W2，…，Wt)，其中Wi=lilmax,0≤Wi≤1;]]>⑤取x的值分別等于d1，d2，…，dt，代入分布式μ(x)，得到μi(di)，i＝1，2，…，t，并確定最大值μmax=maxi=1(μi(di));]]>⑥求粒子分布W′＝(W1′，W′2，…，Wt′)，其中Wi′=μi(di)μmax,0≤Wi′≤1;]]>⑦比較分布W′＝(W1′，W2′，…，Wt′)與W＝(W1，W2，…，Wt)，得到誤差值ϵ=Σi=1t(Wi-Wi′)2;]]>⑧不斷調(diào)整(x，σx)重復(fù)步驟①-⑧；⑨取最小誤差對應(yīng)的一組(x，σx)作為粒徑分布的參數(shù)。
4.確定未知模式 或 與已知模式 之間的相似性，定義為貼近度 其中 為未知模式 與已知模式 的內(nèi)積， 為未知模式 與已知模式 的外積。已知模式的分布規(guī)律是可以通過理論或?qū)嶒灧椒ǐ@得的。
5.對于未知模式 若它和n個已知模式 之間有不同的貼近度，于是有擇近原則 則認(rèn)為 與 最貼近，從而把 歸類為 模式。
本發(fā)明的優(yōu)點在于利用粒子測量所獲得的數(shù)據(jù)分析可以得到粒子參數(shù)的分散性信息，得到更符合測量對象實際特點的結(jié)果，避免了實際粒子的非理想特性對測量的影響。本方法可以應(yīng)用于各種粒子測量數(shù)據(jù)的分析過程。


圖1為用于實現(xiàn)本方法的裝置中光學(xué)檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖中1-激光光源，2-起偏器，3-分束器，4-物鏡，5、6-入射光束，8-被測粒子流，7、9-APD探測器。
圖2為用于實現(xiàn)本方法的裝置中信號處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；圖3為血液樣本粒徑分布圖；圖中縱坐標(biāo)為血細(xì)胞數(shù)量，單位萬個；橫坐標(biāo)為血細(xì)胞直徑，單位微米(μm)圖4為血液樣本相對折射率分布圖；圖中縱坐標(biāo)為血細(xì)胞數(shù)量，單位萬個；橫坐標(biāo)為相對折射率；
圖5為血液樣本粒徑—相對折射率分布圖圖中縱坐標(biāo)為相對折射率；橫坐標(biāo)為血細(xì)胞直徑，單位微米(μm)。
具體實施例方式
表1為血液樣本直徑和相對折射率的描述模式；表中列表示樣本的不同模式；行表示不同的細(xì)胞群。
表1 該血細(xì)胞識別實施過程1、用激光多普勒測量系統(tǒng)獲得粒子的直徑數(shù)據(jù)x＝{x1，x2，…，xN}和相對折射率數(shù)據(jù)y＝{y1，y2，…，yN}。
2、建立估計模式由于粒徑主要集中分布在兩個直徑段上，假設(shè)其模式分別為μ1(x)=e-(x-x‾1σx1)2]]>和μ2(x)=e-(x-x‾2σx2)2.]]>總體模式應(yīng)假設(shè)為雙峰分布F(x)=e-(x-x‾1σx1)2+ke-(x-x‾2σx2)2,]]>μ1(x)和μ2(x)之間的相對大小用參數(shù)k描述。
假設(shè)相對折射率模式為μ(y)=e-(y-y‾σy)2]]>3.修正模式參數(shù)。
具有最小誤差的兩個直徑段上的模式分布分別為μ1(x)=e-(x-7.60.237)2,]]>均值為7.6μm，方差0.237μm；μ2(x)=e-(x-2.860.161)2,]]>均值為2.86μm，方差0.161μm。
具有最小誤差的相對折射率模式為μ(y)=e-(x-1.490.0263)2,]]>均值為1.49，方差0.0263。
4.將模式μ1(x)、μ2(x)及μ(y)與參照模式比較，確定貼近度。從血細(xì)胞直徑特性看，具有較大直徑的細(xì)胞群應(yīng)為紅細(xì)胞，具有較小直徑的細(xì)胞群應(yīng)為血小板；從相對折射率特性看，兩個細(xì)胞群均為紅細(xì)胞，見附表2。
5、綜合血細(xì)胞直徑和相對折射率兩種特征，確定總體貼近度。具有較大直徑的細(xì)胞群應(yīng)為紅細(xì)胞，具有較小直徑的細(xì)胞群應(yīng)為血小板，見附表2。
表2為血液樣本與參照細(xì)胞的相似性表2
權(quán)利要求
1.一種基于激光多普勒測量粒子的非理想粒子分類識別方法，該方法采用包括激光光源、起偏器、分束器、物鏡和APD探測器的光學(xué)探測系統(tǒng)和包括信號預(yù)處理器、高速同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器、小波處理器、參數(shù)處理器、數(shù)據(jù)分析器和同步控制器的信號處理系統(tǒng)的激光多普勒粒子測量裝置，獲取運動粒子特性參數(shù)的動態(tài)信息，建立能反映粒子非理想特性的描述模式，綜合多個特性模式實現(xiàn)非理想粒子的分類識別；并依據(jù)在激光多普勒測量粒子技術(shù)中，被測粒子直徑與多普勒信號的相位差成正比，粒子的相對折射率與多普勒信號相位差的比值成正比，以及在一定范圍內(nèi)，粒子形狀不規(guī)則情況下多普勒信號相位差服從正態(tài)分布，粒子材料特性不一致情況下多普勒信號相位差比值服從正態(tài)分布，將粒子的粒徑和相對折射率定義為兩種模式進(jìn)行其統(tǒng)計特性，該統(tǒng)計特性反映了粒子的非理想化特性，根據(jù)其統(tǒng)計特性與已知模式的貼近程度，便實現(xiàn)粒子的分類識別，其特征在于包括以下步驟1).利用激光多普勒粒子測量裝置獲得粒子的直徑數(shù)據(jù)x＝{x1，x2，…，xN}和相對折射率數(shù)據(jù)y＝{y1，y2，…，yN}；2).將數(shù)據(jù)x、y的分布規(guī)律定義為相應(yīng)的模式 依據(jù)測量數(shù)據(jù)，模式的統(tǒng)計特征可初步估計為均值x‾=1NΣi=1Nxi]]>y‾=1NΣi=1Nyi]]>方差σx=1N-1Σi=1N(xi-x‾)2]]>σy=1N-1Σi=1N(yi-y‾)2]]>從而建立描述模式 的從屬函數(shù)μ(x)、μ(y)，μ(x)、μ(y)均在
區(qū)間上取值，其大小反映了模式 中元素x、y對于該模式的從屬程度；3).利用測試數(shù)據(jù)調(diào)整模式的統(tǒng)計特征，使模式描述更準(zhǔn)確、可靠；以粒子直徑模式為例①將數(shù)據(jù)x等間距地分為t個區(qū)間，區(qū)間間隔Δx=xmax-xmint;]]>②求各區(qū)間粒徑中值d1，d2，…，dt；③統(tǒng)計各區(qū)間內(nèi)的粒子個數(shù)l1，l2，…，lt，并確定最大值lmax=maxi=1t(li);]]>④求各區(qū)間歸一化的粒子分布W＝(W1，W2，…，Wt)，其中Wi=lilmax,0≤Wi≤1;]]>⑤取x的值分別等于d1，d2，…，dt，代入分布式μ(x)，得到μi(di)，i＝1，2，Λ，t，并確定最大值μmax=maxi=1t(μi(di));]]>⑥求粒子分布W′＝(W′1，W′2，…，W′t)，其中Wi′=μi(di)μmax,0≤Wi′≤1;]]>⑦比較分布W′＝(W′1，W′2，…，W′t)與W＝(W1，W2，…，Wt)，得到誤差值ϵ=Σi=1t(Wi-Wi′)2;]]>⑧不斷調(diào)整(x，σx)且重復(fù)步驟①-⑦；⑨取最小誤差對應(yīng)的一組(x，σx)作為粒徑分布的參數(shù)；4).確定未知模式 或 與已知模式 之間的相似性，定義為貼近度 其中 為未知模式 與已知模式 的內(nèi)積， 為未知模式 與已知模式 的外積；已知模式的分布規(guī)律是可以通過理論或?qū)嶒灧椒ǐ@得的；5).對于未知模式 若它和n個已知模式 之間有不同的貼近度，于是有擇近原則 則認(rèn)為 與 最貼近，從而把 歸類為 模式。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于激光多普勒測量粒子的非理想粒子分類識別方法，屬于粒子測量技術(shù)。該方法利用激光相位多普勒粒子測量裝置，獲取運動粒子特性參數(shù)的動態(tài)信息，分類識別包括以下過程利用測量數(shù)據(jù)確定粒子的統(tǒng)計特性，建立被測對象參數(shù)的結(jié)構(gòu)模式，用模糊模式識別獲取對象的參數(shù)，綜合多個特性模式實現(xiàn)非理想粒子的分類識別。本發(fā)明的優(yōu)點在于利用粒子測量所獲得數(shù)據(jù)的分析可以得到粒子參數(shù)的分散性信息，可針對粒子的多個特征進(jìn)行分類識別，得到更符合測量對象實際特點的結(jié)果，避免了實際粒子的非理想特性對測量的影響。本方法可以應(yīng)用于各種粒子測量數(shù)據(jù)的分析過程。
文檔編號G01N15/02GK1587986SQ20041007233
公開日2005年3月2日 申請日期2004年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月19日
發(fā)明者曾周末, 張慧, 杜夏, 呂宏波, 靳世久 申請人:天津大學(xué)