CN103256899B - 一种微粒直径的测量方法 - Google Patents

Abstract

一种测量微粒直径的方法，利用多相机系统对单色光源照明下微粒进行同时同场拍摄，通过配对出的不同相机图像中的同一微粒像的灰度值总和建立微粒散射光通量与其半径之间二次函数方程组，并利用求解出的关系式实现全场微粒粒径的测量。本发明使用单波长照明光源，适用于各种折射率的微粒以及相机布置情况，测量精度高；采用多相机同时同场拍摄，并通过粒子像对的配对实时实现微粒粒径计算函数的标定，无需知道被测微粒的折射率，无需利用标准粒径的微粒进行系统参数的标定工作，能够更加快速、简便的实现微粒粒径分布的测量。本发明克服了现有技术中的不足和缺陷，具有实质性特点和显著进步。

Description

一种微粒直径的测量方法

技术领域

本发明属于微粒的光学测量领域，涉及一种测量微粒直径的方法，特别是利用多相机系统对微粒进行同时同场拍摄，并利用微粒的散射光通量进行微粒直径测量的方法。

背景技术

在喷雾、烟雾等多相流的研究中，固体或液体微粒的粒径是研究人员希望获得的重要参数之一。目前能实现微粒直径分布测量的方法包括有：图像法、消光法、Frauhoffer衍射法（散射法）、激光诱导荧光法（LIF，Laser Induced Fluorescence）、激光诱导荧光-麦氏散射法（LSD，Laser Sheet Dropsizing）、PDPA（Phase Doppler Particle Anemometry）、激光干涉法（ILIDS,Interferometric Laser Imaging for Droplet Sizing）和灰度差分法等。

最简单的粒径测量方法是图像法，通过对微粒进行成像，在得到的图像上各个粒子像点包含的像素个数，即可作为粒子像点的面积来计算粒子的粒径，这种方法的缺点是各种数字图像分析预处理方法都会影响粒子像点的大小，从而影响到粒子直径真实尺寸的确定；同时，该方法对激光强度的稳定性要求很高，激光强度一旦改变，就需要对各种数字图像分析处理方法重新设定。消光法是利用单色平行光通过含有微粒的介质后其光强的衰减程度来进行微粒直径测量的方法，在仅有单一波长光源的情况下，该方法的粒径反演结果存在十分严重的多值情况。Frauhoffer衍射法（散射法）利用微粒的前向衍射分布来进行粒径分布的测量，但是仅能实现光束经过区域内微粒粒径的测量，可测量的区域较小。激光诱导荧光法利用激光片光照射微粒并诱导出荧光，通过测定荧光的光强来反映微粒的直径大小，因此被测微粒的种类、添加的荧光物质的浓度等都会对结果造成很大的影响。激光诱导荧光-麦氏散射法利用激光片光切入含有荧光物质的流场中，同时接收微粒的散射光和荧光物质经激光诱导激发的荧光，并通过全场荧光/散射光图像的对比处理获得喷雾全场的SMD（Sauter Mean Diameter）分布，该方法仅能在微粒浓度非常高的情况下测量SMD分布，微粒浓度较稀时不再使用，同时测量不同种类微粒时需要进行标定，操作难度较大。PDPA利用粒子通过干涉条纹时所产生的信号来反映微粒粒径信息，该方法只能获得流场中单点位置的粒径信息。激光干涉法是利用高干涉性片状激光束照射微粒，在微粒外表面反射和在内表面折射的激光由于存在一定的相位差会在成像系统的非聚焦平面上形成干涉条纹图，通过计算干涉图像条纹数即可计算得到粒子的直径，该方法只能测量透明的微粒，同时由于采用非聚集成像，单个微粒的图像很大，图像的重叠使相邻粒子区分十分困难。

在专利“一种测量粒子粒径的方法”（ZL200710040310.6）中公开了一种利用双相机对微粒进行拍摄，并利用灰度差分进行微粒直径测量的方法。该方法的缺陷是粒径计算公式经过了较多的简化，计算结果精度不高；并且在进行粒径测试时需要对两台相机中拍摄到的微粒进行一一配对，在成功配对之后才能实现微粒粒径的测量，在微粒浓度较大的情况下，微粒像点配对的成功率和准确率都较低，会进一步降低测量的准确性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够实现全场微粒粒径测量并具有较高测量精度的测量方法。

为达到上述目的，本发明的解决方案是：

一种微粒直径的测量方法，包括以下步骤，

（1）分别合理设定以下各个测量参数，使得所述同一微粒在不同相机同时拍摄的图像中，微粒散射光通量Φ与微粒半径r之间的二次函数关系表达式Φ=Ar²+Br+C系数不同：

设定单色光源的波长、拍摄相机的数量（两台或两台以上）、拍摄时的不同相机照明光源与相机光轴的之间夹角即前向角θ的大小、不同相机镜头到拍摄位置的距离L以及微粒散射光通量Φ与微粒半径r之间的二次函数关系表达式Φ=Ar²+Br+C的形式。

所述步骤（1）中，所述单色光源为激光；优选的，所述激光是波长为532nm的绿光。

所述步骤（1）中，所述微粒散射光通量与所述微粒半径r之间二次函数关系表达式中，二次函数系数的数值大小由所述不同相机照明光源与相机光轴的之间夹角即前向角θ的大小以及不同相机镜头到拍摄位置的距离L确定。

（2）利用所述单色光源形成的片光对待测微粒进行照明，选定的相机中同时进行待测微粒拍摄以获得待测微粒在不同相机中的图像，并将所述图像输入计算机进行处理；

（3）对不同相机图像中的同一微粒进行配对，并建立所述配对微粒的微粒半径r与微粒像灰度值总和G之间的方程组集合；

所述步骤（3）中，具体包括以下步骤，

（a）确定需要进行配对的微粒数量N；根据步骤（1）所确定的二次函数关系表达式以及相机的数量决定需要配对的微粒像对数量，使得方程组集合中未知数的数量与方程的数量一致即可。

（b)从步骤（2）获取的待测微粒的图像中配对N组微粒像对；根据粒子像之间的相对位置关系从不同相机同时拍摄的图像中寻找由同一微粒所成的微粒像对。

（c）对已配对微粒像进行边缘检测，将边缘内部的所有像素灰度值相加，获得同一微粒在不同相机分别拍摄到的微粒像的灰度值总和；

（d）根据微粒半径r与微粒像灰度值总和G之间的关系分别列出已配对微粒在不同相机中形成的微粒半径与微粒像灰度值总和G方程组，并建立N组微粒像对的微粒半径与微粒像灰度值总和的方程组集合。

所述微粒像灰度值总和G与所述微粒半径r之间的关系表达式为：G＝ar²+br+c(a≠0)。

（4）根据残差最小的原则选择数值最优化算法，并利用计算机对步骤（3）中获得的方程组集合进行数值求解，确定同一相机中的微粒半径与微粒像灰度值总和方程组中二次函数的系数值大小；

步骤（4）中，所述最优化算法包括爬山法或蚁群算法或猴群算法或最大继承法或模拟退火法。

（5）任意选取一幅待测微粒图像，识别出微粒图像中全部微粒，并分别确定每个微粒的在选定图像中的微粒像点的灰度值总和，由于同一相机在同一瞬间拍摄到的微粒像，微粒像灰度值总和G与所述微粒半径r之间具有相同的二次函数关系，将步骤（4）获得的二次函数的系数值大小以及所述微粒像点的灰度值总和代入该微粒在选定图像中微粒半径与微粒像灰度值总和二次函数表达式中，分别计算出所有微粒的半径。

步骤（5）中，对选定的待测微粒图像进行数字图像处理，通过边缘检测技术识别出选定的微粒图像中的所有微粒。

由于采用上述方案，本发明的有益效果是：

本发明利用微粒散射光通量与其半径所成的二次函数关系进行粒径的计算，适用于不同波长的单色入射光、不同折射率的微粒以及不同的相机布置，测量精度高；采用多相机同时同场拍摄，并通过少量粒子像对的配对实时实现微粒粒径计算函数的标定，无需知道被测微粒的折射率，无需利用标准粒径的微粒进行系统参数的标定工作，能够更加快速、简便的实现微粒粒径分布的测量。本发明克服了现有技术中的不足和缺陷，具有实质性特点和显著进步。

附图说明

图1为本发明实施例喷雾雾滴直径测量示意图；

图中1为激光器，2为透镜组，3为喷雾，4为片光，5为同步控制器，6为相机，8为计算机。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

在利用相机系统拍摄微粒以计算微粒半径的试验中，在没有曝光过度的情况下，微粒的散射光通量Φ与微粒像的灰度值总和G成正比，又微粒散射光通量Φ与其半径r之间的为二次函数关系，如式（a）所示：

Φ=Ar²+Br+C (a)

式中，r为雾滴微粒的半径，Φ为散射光通量。A、B和C是二次函数关系式的二次项、一次项以及常数项系数。

由此可知微粒像的灰度值总和G与微粒半径r之间也为二次函数关系即

G＝ar²+br+c(a≠0) (b)

在此种前提下，本方法利用多相机系统同时拍摄微粒，可以通过配对出的粒子像对的灰度值总和分别求解出系数a、b和c值，进而计算出全场微粒的粒径大小。

具体的微粒半径的确定方法如下：

（1）分别设定以下各个测量参数，使得所述同一微粒在不同相机中微粒散射光通量Φ与微粒半径r之间的二次函数关系表达式不同。

在进行测量时，具体需要对以下参数进行设定：单色光源的波长、拍摄相机的数量（两台或两台以上）、拍摄时的不同相机照明光源与相机光轴的之间夹角即前向角的θ大小、不同相机镜头到拍摄位置的距离L以及微粒散射光通量Φ与微粒半径r之间的二次函数关系表达式Φ=Ar²+Br+C的形式。

步骤（1）中，在微粒散射光通量Φ与微粒半径r之间二次函数关系表达式中，二次函数系数A、B和C的数值大小由不同相机照明光源与相机光轴的之间夹角即前向角θ的大小以及不同相机镜头到拍摄位置的距离L确定。由于散射光通量Φ与微粒半径r平方成正比，因此正常情况下，系数B和C可以为0，但A不能为0。因此可任意设置不同相机的前向角θ以及距离L的大小，使得试验时，同一微粒在不同相机中微粒散射光通量Φ与微粒半径r之间的二次函数关系表达式不同即可。

在图1所示的实施例中，步骤（1）中具体的参数设定信息如下：

选择脉冲式激光器1作为单色光源，其波长为532nm、拍摄相机的数量为两台，其中一台相机的前向角θ₁=60°，另一台相机的前向角θ₂=90°，本实施例中，相机6为数字相机。两台数字相机的镜头距离拍摄位置的距离均为L=750mm，选择二次函数的形式如式（a）所示，系数A、B和C均不为0；其中两台相机6的前向角之所以分别确定为60°和90°，是因为经过了积分计算，在这两个角度拟合的二次函数的相关系数最高，因此测量得到的结果会更精确一些。

（2）利用所述单色光源形成的片光4对待测微粒进行照明，选定的相机同时进行待测微粒拍摄以获得待测微粒的图像，并将所述图像输入计算机8进行处理；

当设置好试验的各种参数后，开始进行待测微粒的拍摄，由于激光每次产生脉冲的能量和偏振态都不是绝对相同的，必须在同一次脉冲下获得的图像才具有最高的精度，因此本实施例中，两台相机6必须同时对待测微粒进行拍摄，以获得最佳的待测微粒的图像。

如图1所示，在脉冲激光在透镜组2的作用下形成的片光4照亮喷雾3的同时，两台数字相机6通过同步控制器5同步进行曝光并获取喷雾场的图像，并传输到计算机8；

（3）建立若干微粒的微粒半径r与微粒像灰度值总和G之间的方程组集合：

步骤（3）中，具体包括以下步骤，

（a）根据步骤（1）所确定的二次函数关系表达式以及相机6的数量决定需要配对的微粒像对数量N，使得方程组集合中未知数的数量与方程的数量一致即可。

本实施例中，由于选定2个相机进行拍摄，且二次函数关系表达式中，a、b、c的数值均不为零，因此确定配对6组微粒相对。

（b）从步骤（2）获取的待测微粒的图像中配对N组微粒像对；

本实施例中，根据粒子像之间的相对位置关系从不同相机同时拍摄的图像中寻找由同一微粒所成的微粒像对。

（c）对已配对微粒像进行边缘检测，将边缘内部的所有像素灰度值相加，分别获得微粒像灰度值总和。

（d）根据微粒半径r与微粒像灰度值总和G之间的关系分别列出已配对微粒在不同相机之间形成的微粒半径与微粒像灰度值总和G方程组，并建立N组微粒像对的微粒半径与微粒像灰度值总和的方程组集合。

由于本例中二次函数的系数a、b和c均不为0，因此通过两台数字相机6分别拍摄的雾滴的半径与微粒像灰度值总和存在如式（c）所示的关系：

G₁=a₁r²+b₁r+c₁

G₂=a₂r²+b₂r+c₂ (c)

式中，前向角为60°的数字相机6以下标1表示，前向角为90°的数字相机6以下标2表示，G₁和G₂是不同前向角下两台相机分别拍摄到的微粒像的灰度值总和。从两台相机图像中配对出一对由同一个微粒所成的微粒像对，可获得式（c）所示的方程组，式中G₁和G₂的值为已知，二次函数的系数a、b、c以及该微粒的半径r为未知。通过增加微粒像对的数量，当配对出六对微粒像对时，方程组中未知数的数量和方程的数量相等，可以获得如式（d）所示的12元2次方程组：

G₁₁=a₁r₁ ²+b₁r₁+c₁

G₁₂=a₂r₁ ²+b₂r₁+c₂

G₂₁=a₁r₂ ²+b₁r₂+c₁

G₂₂=a₂r₂ ²+b₂r₂+c₂

G₃₁=a₁r₃ ²+b₁r₃+c₁

G₃₂=a₂r₃ ²+b₂r₃+c₂

G₄₁=a₁r₄ ²+b₁r₄+c₁

G₄₂=a₂r₄ ²+b₂r₄+c₂

G₅₁=a₁r₅ ²+b₁r₅+c₁

G₅₂=a₂r₅ ²+b₂r₅+c₂

G₆₁=a₁r₆ ²+b₁r₆+c₁

G₆₂=a₂r₆ ²+b₂r₆+c₂ （d）

（4）根据残差最小的原则选择数值最优化算法，并利用计算机8对步骤（3）中获得的方程组集合进行数值求解，确定同一微粒的微粒半径与微粒像灰度值总和方程组中二次函数的系数值大小；所述最优化算法包括爬山法或蚁群算法或猴群算法或最大继承法或模拟退火法。

步骤(4)中，对方程组（d）进行求解的目的是获得未知数的数值解，使所有方程的左右相等。但利用数值最优化方法求解的结果很难满足这样的要求，残差是利用求解结果计算出的方程左右两边值的差的绝对值相加得到的。通过对比不同的数值最优化求解方法的残差，本实施例中，选择了爬山法对方程组(d)进行求解，计算获得两台数字相机在各自拍摄条件下的二次函数关系式的系数a₁、b₁、c₁和a₂、b₂、c₂。

（5）任意选取一幅待测微粒图像，并对其进行数字图像处理，通过边缘检测技术识别出微粒图像中全部微粒，并分别确定每个微粒的在选定图像中的微粒像点的灰度值总和，将步骤（4）获得的二次函数的系数值大小以及所述微粒像点的灰度值总和代入该微粒在选定图像中微粒半径与微粒像灰度值总和二次函数表达式中，计算出所有微粒的半径。

由于同一相机拍摄的图像中，微粒像灰度值总和G与所述微粒半径r之间的关系表达式中系数a、b、c大小相同。因此当通过步骤（4）确定了相机在各自拍摄条件下的二次函数关系式的系数a、b、c的数值后，由于每一微粒在一幅微粒图像中的灰度值总和G为已知的，且同一副微粒图像中，不同微粒之间灰度值总和G数值不等，因此将上述a、b、c的数值以及灰度值总和G代入公式（b）中，即可获得同一副图像中所有微粒的半径大小。

本实施例中，为方便进行图像处理，选取前向角为90°的数字相机获得的图像进行数字图像处理，识别出所有的微粒像并计算其灰度值总和。并利用该相机下的二次函数关系式G₂=a₂r²+b₂r+c₂，计算出所有微粒的半径。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微粒直径的测量方法，其特征在于：包括以下步骤，

(1)分别设定以下各个测量参数，使得同一微粒在不同相机同时拍摄的图像中，微粒散射光通量Φ与微粒半径r之间的二次函数关系表达式Φ＝Ar²+Br+C系数不同，

设定单色光源的波长、至少两台拍摄相机、拍摄时的不同相机单色光源与相机光轴之间夹角即前向角θ的大小、不同相机镜头到拍摄位置的距离L以及微粒散射光通量Φ与微粒半径r之间的二次函数关系表达式Φ＝Ar²+Br+C的形式；

(2)利用所述单色光源形成的片光对待测微粒进行照明，选定的相机同时进行待测微粒拍摄以获得待测微粒在不同相机中的图像，并将所述图像输入计算机进行处理；

(3)对不同相机图像中的同一微粒进行配对，并建立所述配对微粒的微粒半径r与微粒像灰度值总和G之间的一元二次方程组集合；

(4)根据残差最小的原则选择数值最优化算法，并利用计算机对步骤(3)中获得的方程组集合进行数值求解，确定同一相机中的微粒半径与微粒像灰度值总和方程组中二次函数的系数值大小；

(5)任意选取一幅待测微粒图像，识别出微粒图像中全部微粒，并分别确定每个微粒在选定图像中的微粒像灰度值总和，由于不同相机在同一瞬间拍摄到的微粒像灰度值总和G与所述微粒半径r之间具有相同的二次函数关系，将步骤(4)获得的二次函数的系数值大小以及所述微粒像灰度值总和代入该微粒在选定图像中微粒半径与微粒像灰度值总和二次函数表达式中，分别计算出所有微粒的半径。

2.根据权利要求1所述的微粒直径的测量方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所述单色光源为激光。

3.根据权利要求2所述的微粒直径的测量方法，其特征在于：所述激光是波长为532nm的绿光。

4.根据权利要求1所述的微粒直径的测量方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所述微粒散射光通量与所述微粒半径r之间二次函数关系表达式中，二次函数系数的数值大小由所述不同相机单色光源与相机光轴之间夹角即前向角θ的大小以及不同相机镜头到拍摄位置的距离L确定。

5.根据权利要求1所述的微粒直径的测量方法，其特征在于：所述步骤(3)中，具体包括以下步骤：

(a)确定需要进行配对的微粒数量N；

(b)从步骤(2)获取的待测微粒的图像中配对N组微粒像对；

(c)对已配对微粒像进行边缘检测，将边缘内部的所有像素灰度值相加，获得同一微粒在不同相机分别拍摄到的每幅微粒像灰度值总和；

(d)根据微粒半径r与微粒像灰度值总和G之间的关系分别列出已配对微粒在不同相机中形成的微粒半径与微粒像灰度值总和G的一元二次方程组，并建立N组微粒像对的微粒半径与微粒像灰度值总和的一元二次方程组集合。

6.根据权利要求5所述的微粒直径的测量方法，其特征在于：所述步骤(a)中，根据步骤(1)所确定的二次函数关系表达式以及相机的数量决定需要配对的微粒像对数量，使得方程组集合中未知数的数量与方程的数量一致即可。

7.根据权利要求5所述的微粒直径的测量方法，其特征在于：所述步骤(b)中,根据微粒像之间的相对位置关系从不同相机同时拍摄的图像中寻找由同一微粒所成的微粒像对。

8.根据权利要求1或5所述的微粒直径的测量方法，其特征在于：所述微粒像灰度值总和G与所述微粒半径r之间的关系表达式为：G＝ar²+br+c,a≠0。

9.根据权利要求1所述的微粒直径的测量方法，其特征在于：所述步骤(4)中，所述最优化算法包括爬山法或蚁群算法或猴群算法或最大继承法或模拟退火法。

10.根据权利要求1所述的微粒直径的测量方法，其特征在于：所述步骤(5)中，对选定的待测微粒图像进行数字图像处理，通过边缘检测技术识别出选定的微粒图像中的所有微粒。