CN102933951A

CN102933951A - 用于监测烟道中的微粒的装置和方法

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Publication number: CN102933951A
Application number: CN2011800223818A
Authority: CN
Inventors: 罗杰·布拉德利·米林顿; 大卫·克里斯多夫·尤妮特
Original assignee: PCME Ltd
Current assignee: PCME Ltd
Priority date: 2010-03-05
Filing date: 2011-03-07
Publication date: 2013-02-13
Also published as: GB201003704D0; AU2011222741B2; EP2542875A2; WO2011107809A2; BR112012022491A2; AU2011222741A1; US9261447B2; US20130044216A1; JP2013521512A; WO2011107809A3

Abstract

一种用于监测烟道中的颗粒的方法，该方法包括在烟道第一侧处产生朝向烟道的相对第二侧的光束。所述光束朝烟道的第一侧并穿过烟道中的颗粒而反射回。获取经颗粒散射的光的图像。所述图像是使用成像器而获取的，该成像器的方位和朝向方式使其具有包括不想要的散射光的视场。所述方法包括从图像中屏蔽不想要的散射光的步骤。

Description

用于监测烟道中的微粒的装置和方法

技术领域

本发明涉及用于监测烟道中的颗粒的装置和方法。具体地，本发明涉及用于使用光源来监测烟道中的颗粒的装置和方法。

在此使用的术语“烟道”是指具有容积的、气体可从中穿过的物体，例如烟囱、管道、烟道、导管或类似物。

背景技术

已知的用于监测烟道中的颗粒的方法包括电学和光学方法。典型的光学方法是使激光源发出的光束穿过烟道（烟道的直径通常为0.5m到10m）。烟道中的颗粒在各立体角度上散射激光束，强度随角度而变化，通常在入射光束前行方向的周围散射强度增大。一部分散射光由简单的望远镜收集，并聚焦于光监测器；用各种不同的已知设备收集的这部分光也是各不相同的（例如，由于从不同的散射方向来收集光）。

除了烟道中流动的颗粒会散射光线之外，其它被激光照亮的物体也会散射光线。产生这种不想要的散射的物体通常是烟道部件或安装在烟道内的设备，包括监测设备自身（监测设备包括窗、镜子、束流收集器和晶片）。如果经这些物体散射的光进入传感器，则监测装置将会错误地监测这些光。

监测装置的制造商在防止这种漫射光进入传感器方面尚有困难。消除这种散射光的一个已知方法是，限制望远镜的视界，以使传感器“看不到”来自激光窗或与烟道壁重合的那部分激光束中任何明亮的散射。这种排除法需要收集那些与激光束前行传播方向角度分离的、因而不具有最大光强且相对不受颗粒尺寸分布影响的散射光。另一个已知方法的例子是，对经在某个远离最佳角度的角度被照亮的特定物体散射的光进行成像。在大散射角度对散射场进行成像的好处是：在整个场上实现聚焦和范围分辨，但这种目的的实现是以消耗信号强度为代价的，且阻止了发射器和接收器安装在横跨烟道直径的便利的位置。

本发明寻求解决上述问题。

发明内容

根据第一方面，本发明提供了一种用于监测烟道中的颗粒的方法，该方法包括：

在烟道的第一侧产生穿过颗粒的光束；通过使用成像器获取经颗粒散射的光的图像，所述成像器包括集光镜，经颗粒散射的光穿过该集光镜；

其特征在于，不想要的散射光也穿过该集光镜，且所述方法包括从图像中屏蔽穿过集光镜的不想要的散射光的步骤。

因此，尽管是使用具有包括不想要散射光的视界的成像器来获取所述图像的，然而，该方法包括从图像中移除一个或多个空间分离的、不想要的散射光光源效应的步骤；所述移除可以是直接的（例如，通过物理地屏蔽不想要的散射光），或者像本发明优选实施例中所述的，在图像的处理和/或分析之后移除。通过使成像器具有包括不想要的散射光（这一点与已知装置相反，已知装置中成像器的方位和朝向设置为避免不想要的散射光）的视界，与已知设备相比，所述成像器可在相对于光束到达颗粒的方向而言更为靠前的方向上对经颗粒散射的光进行成像；由于更靠前的散射信号通常更强，且由于已通过探测系统移除了不想要的散射光或其效应，因此可得到散射光在图像上的更强的信号，其余的光或由此得到的信号可认为是基本一致的，因为视界照亮部分的颗粒进行了散射。因此，在分析图像或数据集、以从像素相关信号的全集中获取单个数据点的方法中，将信号集成在整个图像场上提供了比在未过滤不想要的光线效应时所获取的信噪比更高的信噪比，因此促进了噪音的产生。

与现有技术的监测器相比，本发明的实施例在避免或改善由位于激光束路径的光学元件和烟道直接散射的光的有害效应的同时，还改善了尘埃含量低时的散射信号强度。

经颗粒散射并穿过集光镜的光在与穿过颗粒的光束形成小于30度角的方向上散射。优选地，该角度小于20度、小于15度、小于10度、小于5度甚至小于1度。

对整个散射场的成像可获取改善了的尘埃散射信号。该方法通过屏蔽或过滤掉不想要的光线来实现。光照亮颗粒的场无需一定要完全覆盖整个成像场，或者甚至无需完全覆盖大部分烟道区域。

光束可在烟道的第一侧产生，并照向烟道的相对的第二侧，该方法还进一步包括朝烟道的第一侧并穿过烟道中的颗粒来将光束反射回。

光束可倾斜地穿过颗粒，以使成像器的不同区域接收经烟道不同范围的颗粒散射的光。所述方法可包括识别成像器的每一像素探测散射所处范围的步骤。成像器每一像素探测散射所处的范围可用来校准在成像器每一像素处测得的光强度，以计算颗粒沿烟道的分布。其可以是，通过集成成像器每一行或每一列的像素，以为每一行或每一列产生单个数据点来获取数据点的范围分辨集。因此，在另一种分析图像或数据集的方法中，单个数据点是通过例如仅集成来自成像器的数据矩阵中的每行或仅集成每列而产生的，这样，为每幅监测的图像中获取一个数据点的范围分辨集。在这种情形下，在算法中使用已知大小的实际照明光束，以将每一范围分辨的数据点规范至一个给定数值，该数值代表整个烟道的颗粒密度的数值。

因此，可提供沿烟道斜弦的颗粒浓度分布的范围分辨测量值，例如，用于处理分析目的，或用于针对范围分辨或平均颗粒浓度的改进计算而进行的加权校准。所述方法可包括分析作为成像器上像素位置函数的散射光图像的步骤；其使得颗粒水平的测量值作为距离器械的距离的函数。因此，成像器的像素可以为范围分辨式的，以对颗粒水平如何沿烟道直径变化进行测量。从散射颗粒获取的、位于给定范围内的强度取决于散射的立体角度，该角度位于散射处的，面向成像器具体区域的成像物体。所述成像器可基于成像设备的几何光学而进行校准，为每一像素分配一个探测散射的范围。可对沿成像器每一像素获取的强度进行范围依赖性计算，以校正该取决于范围的形状，或可进行该计算以得出在整个范围上的范围加权平均值。

所述方法可包括通过对图像中的光强度进行求和以分析图像中颗粒密度的步骤。所述方法可包括对图像中的光点进行计数的步骤。所述方法还可包括识别形态上分离的形状、以进行全部区域计算的步骤。所述形态分析涉及假定图像中要探测的形状为特定形式，例如，圆形，识别图像中的重叠形状、并计算每个形状的面积（不考虑这些形状的明显重叠）增加计算区域的面积得出了整个面积，其代表了对成像器要成像的光进行散射的、位于物体的平面上的全部颗粒。

上述求和、计数和识别步骤在处理器的软件中进行，或在专门的硬件中进行。

可使用能够防止不想要的散射光被成像器成像的实物罩来屏蔽不想要的散射光。可使用针对不想要的散射光的形状而定制的实物罩来屏蔽不想要的散射光，以防止其到达成像器。

所述图像可具有图像空间（即，图像的二维坐标空间，加上一个或多个来自一个或多个其它参数的附加维度，例如，在每一坐标上的光强度）。另一例实物罩为具有一定形状的不透光材料，其位于形成成像器光学元件的一部分或全部光成像系统的任一透镜的傅里叶变换平面上。所述罩的形状可以是复杂的，且可在空间上对应于底层空间频率模式，该底层空间频率模式来自于形成于透镜的傅里叶变换平面上的不想要的散射。

作为具有物理形状的不透明罩的替换例，通过使用虚拟罩可从图像中屏蔽不想要的散射光，即，通过过滤代表图像的、且是由成像器所产生的信号。所述虚拟罩可在硬件或软件中产生；所述虚拟罩可作用于位于分析列任何位置的、由所述成像器产生的信号。

在使用虚拟罩的情形下，可以通过仅读出那些不含有不想要的散射光的图像的像素点来应用所述罩。

在使用虚拟罩的情况下，所述罩可应用于通过对图像进行空间傅里叶变换得到的图像空间或参数空间（该屏蔽图像可以是卷积滤波后的信号）。或者，例如可通过获取一系列的图像并在时域内对这一系列的图像进行傅里叶变换，来应用所述虚拟罩。通过在时域内进行傅里叶变换，可以分离由微粒散射产生的时间谱特征，以及由具有不变或不同速度的物质产生的不想要的散射，其中所述物质来自通过烟道的微粒。可以在进行傅里叶变换之前对图像进行处理，例如可以对系列中每个图像进行上述的求和、计数或识别步骤。这样可得到来自一系列图像的一系列的数据点，然后可对得到的一系列的数据点进行傅里叶变换。

为校正图像的背景噪音（例如可由系统或暗电流源引起，或由经烟道而非颗粒散射的激光引起），可确定一个参考场。例如，可获取当颗粒不存在时的图像每一像素的平均强度，例如通过测量每一像素在数个帧期间（即，在一系列图像上）的强度，以及拒绝因在预定数量的连续图像上经颗粒持续散射的光而导致的异点。另一种方式是，从光束不穿过的、图像被屏蔽的区域提供单个平均强度值。

所述方法可包括使用软件将图像中那些含有从光源散射的光的区域与那些含有经颗粒散射的光的区域相分离的步骤。

所述方法可包括使用软件将图像中那些不含从光源散射的光的区域与那些含有散射光的区域相分离的步骤。所述方法可包括在监测烟道中颗粒时，同时监测图像中未被散射光照亮的一个或多个区域。这提供了一种核实成像器零水平的方法。有利地，对一个或多个区域的监测，以及由此的对零水平的核实，可以是连续的；相反，现有技术中的零水平核实通常会涉及终端测量过程，例如通过关掉监测光源。对一个或多个区域的监测可通过选择代表一个或多个区域的软件数据来进行。对一个或多个区域的监测可包括对任意漫射光的监测，以提供在由散射光照亮的区域对散射光监测的校正；所述散射监测的精确度从而提高了。

所述颗粒可以是灰尘颗粒。

根据第二方面，本发明提供了一种用于监测烟道中颗粒的装置，该装置包括：

光源，其用于在烟道的第一侧产生穿过烟道中颗粒的光束；

成像器，用于获取经颗粒散射的光的图像，所述成像器包括集光镜，用于收集经颗粒散射的光；

其特征在于，所述装置包括滤波器，该滤波器设置为用于从图像中屏蔽那些穿过集光镜而进入成像器中的不想要的散射光。

所述装置可包括安装在烟道相对的第二侧的反射器，用于将光束朝烟道的第一侧反射回。

所述光源和所述成像器可一起容纳在同一壳体中；因此，在安装时，所述装置可形成双路光学系统，其中光源和成像器一起容纳在烟道的一侧，而反射器设置在烟道的相对侧上。

光源可以为激光源，因此光束可以为激光束。所述光可以是可见光。所述激光源可以为固态激光源，例如为频率加倍型钒酸盐激光器，例如可以为掺钕式。

所述反射器可以为例如反光镜、角棱镜、平面镜、凸镜或凹镜。

所述装置可设置为使得成像器位于光源发出的光束的方向与光束被反射器反射的方向之间。

所述图像可通过例如电荷耦合器件（CCD）或CMOS传感器而在成像器中形成。

所述装置可进一步包括数据处理装置，用于执行一个或多个数据处理步骤，例如上述的关于本发明第一方面的描述。

所述滤波器可以为实物罩。所述滤波器也可以为电子或软件滤波器。

应当理解的是，此处所述的关于本发明一个方面的特征可并入本发明的另一方面。例如，本发明的方法可包括在此所述的本发明的装置的任一特征，且反之亦然。

附图说明

本发明的实施例将结合以下附图和示意图而得以清晰展现，其中：

图1展示了烟道的横截面视图，该烟道包括根据本发明第一例实施例的装置；

图2详细示意了图1的装置；

图3展示了一幅图像，其代表着可从图1和图2的装置获取的典型图像；

图4(a)和4(b)展示了根据本发明一例实施例的装置的几何形状，图4(c)为到成像器上的光束的二维重映图；

图5展示了根据本发明第二例实施例的、图2中的装置的一个替代例；

图6展示了在图5中的装置中进行的数据处理步骤。

具体实施方式

在本发明第一个实施例中，烟道10包括颗粒流20。颗粒监测器壳体25固定在烟道10的壁上。镜子40固定在壳体25对面的烟道10的壁上。在该实施例中，镜子40为平面镜，但是，在可选择的实施例中，也可以使用其他形式的反射器。激光束35从壳体25中发出，然后通过镜子反射回壳体25。激光束35经流入烟道10的颗粒散射开来。于是获得了经颗粒10散射的光37的图像。该图像被传输到数据处理设备70。

壳体25包括激光器30和成像器50。激光束35由激光器30发出，散射光37通过成像器50成像。散射光37的图像从成像器50传输到数据处理设备70。在本实施例中，从反射器40或者除了包含散射颗粒的区域的任何其它区域散射的光被实物罩60屏蔽在获得的成像以外。

成像器50拥有选择为足够小的视界，以在将要聚焦的全部区域（即，流经烟道10的颗粒流的宽度）都足够大时，在全部三个维度上都获得好的空间分辨率。成像器50的方位和朝向使其具有大致包括经颗粒20散射的全部光37的视界（图3）。然而，为达到该目的，通常会出现这种情况，即成像器50的方位和朝向也会使其具有包括不想要的散射光140的视界。如果这种不想要的散射光140未被罩60屏蔽，则其会破坏经成像器50获取的测量值的精度，所述罩的形状和方位能够屏蔽图像101中经颗粒20散射的光37中的不需要的散射光140。

由图3可以看出，经颗粒20散射的光37空间地分解为：其在图像101的平面内的不同部分来源于沿烟道10横截面的不同区域的颗粒20。更具体地，随着激光束35倾斜地穿过颗粒20（或者相当于，随着经颗粒20散射并由成像器50成像的光37在一定角度上的散射），经距离成像器50较远侧的颗粒流的散射的光37（即，经最靠近反射器40的颗粒散射的光）出现在图3中所成像的散射光37的一个端部，反之，经较近的颗粒流侧散射的光37（即，经距离反射器40最远的颗粒散射的光）出现在所成像的散射光37的相反的一端。

图4作了更详细的说明。当激光束在三维空间中穿过散射介质时，（三维的）散射光被成像透镜130检测到，成像器140有效地将其映射在二维的成像器中。距离分辨率和散射范围的量化取决于光束在空间中的角度、光束的散射程度和成像系统的视觉特性。有几种方法用公式表示三维空间(Χ,Υ,Ζ)到二维空间(x,y)的映射以及其相反过程，这里举一个作为例子。参见图4(a)和(b)，点P是激光束上任意一个点（X,Y,Z），该点具有在与XZ平面上具有水平角θ、以及定义光束的向上或者向下方向的角度φ的矢量。位于烟道相对侧的光束的出发点设定为偏移位置X. offset 和 Y. offset。

任何一点P定义为具有由Χ(Ζ,θ, φ):= X._offset + (Z₀-Z) ·tan(θ)定义的X 坐标，以及由

所定义的Y坐标。

到监测器的x、y阵列的映射是通过以下坐标来完成的：

和

所得的映射光束具有典型形状，如图4(c)所示，该图示意了对于沿光束均等分布的位置P，光束间距和成像间距之间的非线性关系。因此，通过该计算，使从图像中的一个测量值计算出光束中任一点的范围。

在优选的替代性实施例中（图5和图6），图像101中的滤波器60不是以实物罩（如其在第一实施例中）的形式实现，而是通过在数据处理装置70中应用虚拟罩而实现的。在虚拟罩的应用中（图6），数据处理器70接收代表图像50的视界的原始图像的数据100。利用滤波器60，在该实施例中，是通过对原始图像数据100进行空间傅里叶变换然后移除与不想要的散射光140对应的已知的空间频率，从而将不想要的散射光140屏蔽在原始图像数据100之外，接着进行空间逆傅里叶变换，从而在没有不想要的散射光140的情况下提供图像101。想要的和不想要的信号部分的空间频率能通过许多方式确定。一个有经验的方法是，在烟道中没有灰尘的情况下记录参考图像，然后进行傅里叶变换，这会从在其中具有灰尘的测量图像上消卷积，留下“仅有灰尘”的信号。另一个方法是仔细看激光束的散射光的模式（在傅里叶变换空间中）（即在倒数空间中的模式识别）。一个可预测的方法是，利用颗粒或颗粒团产生的图像“点”的尺寸的知识，该图像“点”的倒转提供感兴趣的空间频率：这些点的尺寸分布提供空间频率宽度，该空间频率宽度保留在实施逆傅里叶变换的该图像上。

接着，进一步的数据处理器110在经过滤的图像中进行处理。在该实施例中，为每个过滤图像序列计算并储存整体穿过过滤图像的总强度，并计算所存储的整体强度的临时傅里叶变换。然后对经处理的过滤图像数据进行分析（步骤120），以提供关于烟道10中的颗粒20的信息。在该实施例中，烟道10中的颗粒20的数量是通过观察光谱的强度来确定的，通过在与经颗粒20散射的光37相对应的已知频率进行临时傅里叶变换而得。

尽管在此是结合了特定实施例描述和阐释本发明，本领域普通技术人员应当理解，本发明自身可有并不限于在此具体描述的各种变化。在此仅通过实施例的方式描述一些可能的变化。

如上面所述的第二个实施例，使用在处理器上运行的软件在数据处理设备中应用虚拟罩，但是，在其它的可选实施例中，使用专用的电子硬件滤波器应用虚拟罩。

其中在前面的描述中，提到的整体或元件是已知的，显而易见的或可预见的对应物，这些等价物在此纳入单独列出。权利要求书确定本发明的真实的范围，该权利要求书用于解释，以涵盖任何这样的等价物。读者将理解，本发明的整体或特征以优选的、有利的、方便或可选且不限制独立权利要求的范围的类似物来描述，此外，应该理解的是，这些可选的整体或特征，在本发明的一些实施例中可能有益，但可能不是想要的，并且可能因此在其它实施例中不存在。

Claims

1.一种用于监测烟道中的颗粒的方法，该方法包括：

在烟道的第一侧部处产生一束射向所述颗粒的光束；以及

通过使用成像器来获取经颗粒散射的光的图像，所述成像器包括集光镜，所述经颗粒散射的光穿过该聚光镜；

其特征在于，

不想要的散射光也穿过所述集光镜，且所述方法包括从所述图像中屏蔽掉已穿过集光镜的所述不想要的散射光的步骤。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，经颗粒散射并穿过集光镜的光的散射方向与光束穿过颗粒的方向形成小于30度的角。

3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述光束产生于烟道的第一侧处，且照向烟道的与第一侧相对的第二侧，所述方法进一步包括朝烟道的第一侧反射回光束并穿过烟道中颗粒的步骤。

4. 根据以上任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述方法包括选自以下的一个或多个步骤：对整幅图中的光强度求和；对图中光点进行计数；或识别从形态上分离的形状，以进行全部区域的计算。

5. 根据以上任一项权利要求所述的方法，其特征在于，使用实物罩来屏蔽不想要的散射光，该实物罩防止成像器对不想要的散射光进行成像。

6. 根据权利要求1到4中任一项所述的方法，其特征在于，使用硬件或软件得到的虚拟罩来屏蔽所述不想要的散射光。

7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述图像具有图像间距，所述罩应用在该图像间距上或参数间距上，所述参数间距通过对图像进行空间傅里叶变换而获得。

8. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过获取一系列图像并在时域对图像序列进行傅里叶变换而应用所述虚拟罩。

9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在应用傅里叶变换之前先对所述图像进行处理。

10. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述处理得到来自一图像序列的一系列数据点，且是对所得的一系列数据点进行傅里叶变换的。

11. 根据以上任一项权利要求所述的方法，其特征在于，为校正图像中的背景噪音，确定了参考场。

12. 根据以上任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述方法包括在监测烟道中颗粒的同时，监测图像中一个或多个未被散射光照亮的区域的步骤。

13. 根据以上任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述光束倾斜穿过颗粒，以使得图像的不同区域接收经烟道不同区段的颗粒散射的光。

14. 根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法包括识别成像器的每一像素探测散射的范围的步骤。

15. 根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述图像的每个像素监测散射的范围用来校准在成像器每一像素处测得的光强度，以计算颗粒沿烟道的分布。

16. 根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述成像器的每个像素监测散射的范围用来校准在成像器的每个像素处测得的光强度，从而计算沿着烟道的颗粒分布的加权平均值。

17. 根据权利要求13到16所述的方法，其特征在于，通过集成成像器的每一行或每一列像素，以便为每一行或每一列产生单个数据点，从而从图像中获取范围分辨数据集。

18. 一种用于监测烟道中的颗粒的装置，该装置包括：

光源，用于在烟道的第一侧处产生光束，所述光束穿过烟道中的颗粒；以及

成像器，用于获取经颗粒散射的光的图像，所述成像器包括集光镜，用于收集经颗粒散射的光；其特征在于，所述装置包括滤波器，该滤波器设置为用于从图像中屏蔽那些穿过集光镜而进入图像的不想要的散射光。

19. 根据权利要求18所述的装置，其特征在于，所述装置包括用于安装在烟道的相对的第二侧的反射器，所述反射器用于朝烟道的第一侧反射回光束。

20. 根据权利要求19所述的装置，其特征在于，所述装置设置为使成像器位于从光源发出的光束的方向与反射器反射光束的方向之间。

21. 根据权利要求19或20中任一项所述的装置，其特征在于，所述光源与所述成像器一起容纳在同一壳体内。

22. 根据权利要求18到21中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括数据处理装置，用于实施一个或多个数据处理步骤。

23. 根据权利要求18到22中任一项所述的装置，其特征在于，所述滤波器为实物罩。

24. 根据权利要求18到23中任一项所述的装置，其特征在于，所述滤波器为电子或软件滤波器。

25. 一种用于监测烟道中的颗粒流的方法，该方法大致为结合附图在此所述的。

26. 一种颗粒监控器，大致为结合任意附图在此所述的。