颗粒物混合光信号自适应解耦方法与流程

本发明属于颗粒物检测，涉及一种颗粒物混合光信号自适应解耦方法。

背景技术：

1、自然界中的颗粒物往往并非单一粒径，而是多种粒度混杂在一起。不同粒度的颗粒物在被照射光源时产生的散射光信号往往会发生重叠和混叠，导致在检测过程中难以区分和分离出特定粒度范围内的颗粒物信号。这种信号混叠的问题不仅降低了检测的精确性和分辨率，也增加了数据处理的复杂度，给准确判断颗粒物的分布和浓度带来了挑战。

2、基于光散射原理的颗粒物检测技术是一种常用的颗粒物测量方法，它利用颗粒物对光波的散射作用来检测和分析颗粒物的大小、分布和浓度等特性。这种技术的基本原理是：当光波遇到颗粒物时，会发生散射现象，即光波的传播方向和强度会发生改变。不同大小和形状的颗粒物对光波的散射效果不同，因此通过分析散射光的特征，可以推断出颗粒物的相关信息。

3、基于光散射原理的颗粒物检测技术具有非接触、快速、灵敏等优点，广泛应用于环境监测、医药研究、材料科学等领域。然而，如上所述，这种技术也存在信号混叠问题，因此需要提出一种混合散射光信号的解耦方法，以准确识别出颗粒物大小、分布、浓度等特性。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种颗粒物混合光信号的自适应解耦方法，通过结合探索因子分析法(efa)和独立成分分析法(ica)，有效分离出不同粒径颗粒物对应的独立光信号，为实现基于散射光信号的颗粒物粒度分布计算提供基础。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种颗粒物混合光信号自适应解耦方法，该方法利用光电探测器获取颗粒物的多角度散射光信号时序混合矩阵，然后通过探索因子分析法确定混合散射光信号中颗粒物粒径种类数，再采用改进的独立成分分析法从混合散射光信号中分离出不同粒径颗粒物对应的初始散射光信号，最后建立幅值重构向量，并根据幅值重构向量构建重构误差，迭代更新该重构误差，并用小于阈值的重构误差所对应的幅值重构向量对分离出的初始散射光信号进行幅值校正，最终计算得到不同粒径颗粒物对应的散射光信号。

4、进一步的，通过探索因子分析法确定混合散射光信号中颗粒物粒径种类数包括：

5、1)利用光电探测器获取多角度散射光信号时序混合矩阵x：

6、

7、式中，xi(t)表示第i个角度的光电探测器在t时刻接收到的散射光信号强度，n表示光电探测器总数量，t表示每个探测器采集的信号总数量；

8、2)对矩阵x进行运算，得到x对应的特征值矩阵，并对特征值进行判别，从而确定对混合散射光信号进行最佳解释的独立信号数量m，m即为颗粒物包含的粒径种类数估值。具体地，可通过主成分分析法(pca)、最大似然法(ml)等方法对矩阵x进行运算，随后采用kaiser准则、累计方差解释比例、碎石图(scree plot)等方法对特征值进行判别。

9、进一步的，采用改进的独立成分分析法从混合散射光信号中分离出不同粒径颗粒物对应的初始散射光信号包括：

10、根据确定出的颗粒物粒径种类数构建分离矩阵，同时对多角度散射光信号时序混合矩阵依次进行中心化处理和白化处理；结合分离矩阵和白化处理后的多角度散射光信号时序混合矩阵，构造迭代目标函数，计算该迭代目标函数，当迭代目标函数小于阈值时，将对应的分离矩阵用于分离不同粒径颗粒物对应的初始散射光信号。

11、其中，所述的分离矩阵的大小为m×n，n表示光电探测器总数；

12、对多角度散射光信号时序混合矩阵x进行中心化处理表示为：

13、

14、再对xcentered进行白化处理，包括：先计算xcentered的协方差矩阵：

15、

16、随后对协方差矩阵进行特征值分解：

17、c＝udut

18、式中，u表示正交矩阵，其列是c的特征向量，d表示对角矩阵，其对角元素为对应的特征值；再使用d和u构造白化矩阵，wwhiten＝d-1/2ut；最后使用白化矩阵wwhiten对中心化后数据矩阵xcentered进行白化：xwhiten＝wwhitenxcentered。

19、其中，所述迭代目标函数表示为：

20、

21、式中，表示独立分量，表示分离向量；表示独立分量的便利概率密度函数，表示独立分量和的联合概率密度函数；

22、当目标函数i小于阈值时，通过分离矩阵w＝w(new)分离出不同粒径颗粒物对应的初始散射光信号：

23、

24、进一步的，所述重构误差表示为：

25、

26、式中，w表示分离矩阵，wwhiten表示白化矩阵，(·)+表示伪逆矩阵，表示初始散射光信号矩阵，||·||f表示frobenius范数；

27、迭代更新该重构误差，迭代过程中同时更新所述幅值重构向量，当所述重构误差小于阈值时，以对应的幅值重构向量r计算所述散射光信号：

28、本发明的有益效果在于：本发明结合了efa和ica等方法，可根据多角度混合光信号有效分离出不同粒径颗粒物对应的独立光信号，可以有效地解决散射光信号混叠的问题，为实现基于散射光信号的颗粒物粒度分布计算打下坚实基础。

29、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

技术特征：

1.一种颗粒物混合光信号自适应解耦方法，其特征在于：该方法利用光电探测器获取颗粒物的多角度散射光信号时序混合矩阵，然后通过探索因子分析法确定混合散射光信号中颗粒物粒径种类数，再采用改进的独立成分分析法从混合散射光信号中分离出不同粒径颗粒物对应的初始散射光信号，最后建立幅值重构向量，并根据所述幅值重构向量构建重构误差，迭代更新所述重构误差，并用小于阈值的重构误差所对应的幅值重构向量对分离出的初始散射光信号进行幅值校正，最终计算得到不同粒径颗粒物对应的散射光信号。

2.根据权利要求1所述颗粒物混合光信号自适应解耦方法，其特征在于：所述通过探索因子分析法确定混合散射光信号中颗粒物粒径种类数包括：

3.根据权利要求1所述颗粒物混合光信号自适应解耦方法，其特征在于：所述采用改进的独立成分分析法从混合散射光信号中分离出不同粒径颗粒物对应的初始散射光信号包括：根据确定出的颗粒物粒径种类数构建分离矩阵，同时对多角度散射光信号时序混合矩阵依次进行中心化处理和白化处理；结合分离矩阵和白化处理后的多角度散射光信号时序混合矩阵，构造迭代目标函数，计算该迭代目标函数，当迭代目标函数小于阈值时，将对应的分离矩阵用于分离不同粒径颗粒物对应的初始散射光信号。

4.根据权利要求3所述颗粒物混合光信号自适应解耦方法，其特征在于：所述分离矩阵的大小为m×n，其中m表示颗粒物包含的粒径种类数估值，n表示光电探测器总数；

5.根据权利要求1所述颗粒物混合光信号自适应解耦方法，其特征在于：所述重构误差表示为：

技术总结
本发明涉及一种颗粒物混合光信号自适应解耦方法，属于颗粒物检测技术领域。该方法包括：利用光电探测器获取颗粒物的多角度散射光信号时序混合矩阵，然后通过探索因子分析法确定混合散射光信号中颗粒物粒径种类数，再采用改进的独立成分分析法从混合散射光信号中分离出不同粒径颗粒物对应的初始散射光信号，最后建立幅值重构向量，并根据幅值重构向量构建重构误差，迭代更新重构误差，并用小于阈值的重构误差所对应的幅值重构向量计算不同粒径颗粒物对应的散射光信号。本发明可有效解决散射光信号混叠的问题，准确判断颗粒物的分布和浓度，为实现基于散射光信号的颗粒物粒度分布计算提供基础。

技术研发人员：邓勤,刘国庆,吴付祥,赵政,惠立锋,张强,李彦筑,陈建阁,焦敏,齐灵紫
受保护的技术使用者：中煤科工集团重庆研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/5/16