● 摘要
在自然界、工业生产、科学研究、环保和日常生活等各个方面，广泛存在着和颗粒相关的诸多问题，颗粒粒度测量越来越受到人们的重视。利用光散射原理进行粒度分布的检测方法具有精度高、测量范围宽及实时性好等优点，具有良好的发展前景。 然而基于光散射法的传统激光粒度仪结构要求多元光电探测器与入射光的严格对中，否则会影响测量精度。针对此问题，本文改进了传统激光粒度仪光电探测部分，将衍射图样的中心对称性与压缩传感理论相结合，将单像素相机结构应用于测量过程中，并对此进行了理论分析与实验研究，具体内容如下： 首先介绍了目前颗粒粒度测量的主要方法和发展现状。重点研究了光散射颗粒粒度测量理论和粒度反演算法。对于不同的粒径分布，分别采用Chahine，基于TSVD正则化方法，基于Tikhonov正则化方法及基于ℓ1范数正则化方法进行了重建；仿真实验表明，使用基于ℓ1范数正则化方法得到的重建结果更接近原始分布，且在一定的条件下抗噪声能力优于其他三种算法。 在光散射法的基础上，进行了基于压缩传感理论的衍射图像重建计算。研究了压缩传感理论的三个要素：稀疏信号分解、观测矩阵设计及重建算法。在仿真实验中，采用0-1随机矩阵进行观测，分别通过最小ℓ1范数和最小全变分法根据观测得到的测量值进行重建。实验表明，测量次数越多，图像重建的效果越好，但重建时间相对地增加。在已得到的重建图像的基础上，研究了几种中心定位算法，提出了一种基于梯度与最小二乘的快速中心定位方法。 根据上述原理，研究并设计了基于压缩传感理论的激光粒度仪的各个模块，包括：前向衍射光路部分，成像部分及上位机部分。成像部分包括数字微镜装置，傅里叶会聚透镜，及光电探测模块；由该系统测得的结果通过USB传输到上位机进行重建计算。数字微镜装置（DMD）为成像部分的核心元件，其表面上有1024*768个微镜，用于对衍射图样进行随机观测。 在上述各个模块的基础上，搭建了测量系统实验平台，并进行了系统整机调试，对标准粒子板进行测量实验。实验结果验证了将压缩传感理论用于粒度测量的可行性，重建得到了标准粒子板的粒度分布。