CN103674791A

CN103674791A - 一种基于双光束照射的干涉粒子成像测量方法

Info

Publication number: CN103674791A
Application number: CN201310702859.2A
Authority: CN
Inventors: 吕且妮; 王祥; 吕通; 靳文华; 陈益亮
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2013-12-16
Filing date: 2013-12-16
Publication date: 2014-03-26

Abstract

本发明公开了一种基于双光束照射的干涉粒子成像测量方法。该方法采用两条强度相等的片状光束相向照射粒子场，在散射角为90°区域记录粒子散射光的聚焦像（两点像）和/或离焦像（条纹图）。基于单向梯度匹配和傅里叶变换技术，提取粒子离焦像位置及条纹数/条纹间距，利用修正Rife/二次修正Rife算法对频率进行亚像素细分。利用模版匹配方法提取粒子聚焦像位置坐标，再对每个粒子两点像进行自相关、Gaussian插值提取两点像之间距离，进而计算得到粒子尺寸大小，其测量精度可达到亚象素精度。结合PIV/PTV技术，可实现粒子速度测量。这种非接触测量方法具有原理简单、测量方便、成本低、精度高、实用性等特点，可用于粒子场尺寸、速度测量。

Description

一种基于双光束照射的干涉粒子成像测量方法

技术领域

本发明涉及一种粒子场测量技术领域，特别涉及一种基于光散射粒子尺寸、速度测量技术。

背景技术

粒子广泛存在于喷雾、流体、石油、化工、环保、材料、水利、食品、航空航天、燃料燃烧等领域。粒子尺寸、速度等参数不仅对材料和产品的性能和质量有直接影响，还与优化工艺过程、降低能源消耗、减少环境污染等有着直接或间接的关系。因此粒子场测试与诊断在工业、科研等领域具有重要的意义。目前已提出粒子场测量的常见方法有：

全息/数字全息技术，该方法是通过对粒子场全息图的再现像分析确定粒子尺寸、速度、分布及其它参量的一种光学测量方法。在数字全息术中，粒子场的全息图直接以数字方式记录在CCD上，再以数字方式再现，可同时获得3D粒子场的振幅和相位的全部信息，并直接以数字形式描述，结合PIV/PTV技术，实现粒子场如粒子尺寸、位置、速度及粒子分布等参数的定量测量和分析。

光散射/衍射法是一种基于光散射/衍射原理的粒子直径测量技术。激光束照射粒子发生散射/衍射，散射/衍射光强度分布与被照射颗粒的直径有关，根据探测器接收的衍射光能量分布可计算出被测粒子群的粒径分布。

相位多普勒技术（Phase Doppler Anemometry，简称PDA）是利用运动粒子散射光的多普勒效应实现粒子的尺寸和速度测量，利用散射光的相位差实现粒子尺寸的测量，利用散射光的频率差实现粒子速度的测量。

干涉粒子成像技术(IPI)是一种相对较新的粒子测量技术，其基本原理是基于Mie散射理论，通过测量粒子散射光干涉条纹图的条纹数/条纹频率，或聚焦两点像之间的距离得到粒子尺寸大小。结合PTV/PIV技术，实现粒子速度测量。该技术适用于透明球形粒子场测量。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于双光束照射的干涉粒子成像测量方法，通过粒子散射光的条纹图和/或聚焦像，得到粒子尺寸大小，结合PTV/PIV技术，得到粒子场速度分布，可用于喷雾粒子场粒子尺寸、速度、粒度分布、空间分布及气缸内空气速度场测量。

在单光束照射的IPI测量系统中，对散射角θ≠90°区域，这时物平面、成像透镜平面与CCD像面不平行，使得物面上不同位置处放大率不同，从而使聚焦像面上的相同直径粒子形成的聚焦两点像间距大小不同，离焦条纹图大小不同，进而影响了粒子像中心定位和条纹频率的提取精度。本发明中采用的双光束照射的实验系统解决了这个问题。在该系统中，当选择在90°方向接收散射光时，光束面、透镜平面和CCD像面三者严格平行，从而保证了物面上不同位置处的放大率相同，离焦像面上条纹圆大小相同，聚焦像面上相同直径粒子的两点像间距相同，提高了粒子位置、尺寸测量精度。由于采用相向双光束照射，可应用不透明粒子场测量。

本发明测量方法的具体测量过程包括：

第一、光路系统搭建

按照附图3搭建两光束相向照射的干涉粒子成像测量实验光路系统，包括激光器、扩束准直系统、正/负柱透镜组、分束镜、反射镜组组成的片状光束相向照射系统；以及CCD、成像透镜组成的成像系统；附图中相同的部件用相同的标记表示；

第二、粒子离焦条纹图和/或聚焦两点像采集

成像系统在散射角为90°区域接收粒子的散射光，在聚焦像面形成两点像，在离焦像面上形成条纹像。

第三、粒子条纹图处理方法

对采集到的粒子条纹图，对粒子干涉条纹图和粒子掩模图像，利用单向梯度算法分别提取其边缘图像，对所得到的边缘图像进行相关运算得到粒子条纹像中心坐标(x,y)（本发明中称之为单向梯度匹配算法），根据粒子条纹图的中心坐标及粒子条纹图像形状、大小提取出单个粒子干涉条纹图。再对每个粒子干涉条纹图进行傅立叶变换，利用修正Rife/二次修正Rife算法提取条纹频率，得到粒子干涉条纹数N/条纹间距，其测量精度可达到亚象素精度；

第四、粒子聚焦像处理方法

对采集到的粒子聚焦两点像和粒子掩模图像（两点像掩模图）做相关运算，得到粒子像位置（中心）坐标（本发明中称之为模版匹配方法），根据粒子像位置坐标及两点像间距提取出单个粒子两点像图像。再对每个粒子两点像进行自相关，Gaussian插值提取两点像之间距离Δl，其测量精度可达到亚象素精度；

第五、粒子尺寸测量

对条纹模式测量，根据上步得到的条纹数N，由

计算，得到粒子直径；对点模式测量，根据上步得到的两点像之间距离Δl，由

计算，得到粒子直径，式中，M为成像系统的放大率，d_a为成像透镜孔径大小，f为成像透镜焦距，λ为激光波长；

第六、粒子速度测量

通过多（两）次曝光，记录不同时间刻的粒子条纹像和/或聚焦像，根据上步条纹图和两点像图像处理方法，得到粒子条纹图中心坐标(x,y)和/或粒子像位置坐标(x,y)，结合PTV/PIV，利用v=Δs(MΔt)计算得到粒子速度，式中Δt为记录时间间隔，

为两聚焦像距离或/和两条纹图中心距离，其中，(x₁,y₁)、(x₂,y₂)为两聚焦像中心坐标或/和两条纹图中心坐标，Δx、Δy为CCD的象素尺寸。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）本发明提出了利用双光束相向照射粒子场，使得干涉发生在同阶散射光之间，条纹对比度高，且聚焦像中两点像亮度相同，有助于条纹频率及两点像间距的提取。

（2）本发明选择90°的散射角，在此位置接收散射光可以保证收集系统放大倍率不变，使得离焦像面上干涉条纹图大小相同，有助于条纹图中心定位，且相同直径粒子形成的两点像间距相同，从而提高粒径测量精度。

（3）本发明选择利用双相机同时接收粒子散射光的聚焦像和离焦像，通过双（多）次曝光，结合PTV/PIV实现喷雾粒子场粒子尺寸、速度、粒度分布、空间分布及气缸内空气速度场同时测量。

（4）基于单向梯度匹配中心定位算法和修正Rife/二次修正Rife算法，可以准确的提取出粒子中心位置坐标(x,y)和干涉条纹振荡频率，从而提高粒径测量精度，且识别率较高。

（5）基于模板匹配中心定位算法、自相关和Gaussian插值算法可以准确提取两点像间距及位置坐标。

附图说明

图1为双光束照射的干涉粒子成像测量光路系统示意图；

图2为本发明中图像处理算法的流程图，其中，（a）是粒子条纹图图像处理算法流程图，（b）是两点像图像处理算法流程图；

图3为本发明中双光束照射的干涉粒子测量装置的一种具体实施方案图；

图4为双光束照射时单个标准粒子离焦和聚焦像，其中(a)为离焦条纹图，(d)为聚焦两点像，(b)～(c)、(e)～(f)单光束照射时粒子离焦条纹图和聚焦两点像。

其中，1为激光器，2为扩束准直系统，3为正/负柱透镜组组成的光束压缩系统，41、42为分束镜，61、62为成像透镜，71、72为CCD，8为粒子场，51、52、53均为反射镜。

具体实施方式

实施例1

下面以图3所示的实验光路为例，阐述本发明测量方法的具体测量过程；

①光路系统搭建

搭建图3所示的双光束照射的干涉粒子成像测量系统。激光器1为波长λ=532nm，最大功率为1.5W的半导体激光器，激光器1发出的细光束经扩束、滤波、准直系统2后得到直径为20mm的圆形光束；再经正柱透镜和负柱透镜组成的光束压缩系统3压缩为长20mm、宽1.25mm的片状光束；片光束经分束镜41和三个反射镜51、52、53分成强度相等的两束光，相向照射粒子场8，粒子产生散射。

②粒子条纹图和聚焦两点像采集

粒子散射光经分束镜42后分成两路，成像透镜61、CCD71组成第一成像系统，记录粒子条纹图；成像透镜62、CCD72组成第二成像系统，记录粒子聚焦两点像。聚焦像和条纹图存储于计算机9中。实验中，可以同时记录，也可以分别记录聚焦像和条纹图。图4所示为采集的一个标称直径为45μm的标准粒子聚焦像和条纹图，图4(a)是离焦像，图4(d)是聚焦像，图4(b)～图4(c)、图4(e)～图4(f)分别是单光束照射时粒子离焦像和聚焦像。在第一成像系统中可引入狭缝或柱透镜，将2D的圆形条纹图压缩为1D的线形条纹图，条纹图的大小根据粒子场的密度确定。此时，物平面（光束平面）、成像透镜平面和CCD像面三者互相平行，成像系统放大率相同。

③粒子条纹图和聚焦像处理

对采集到的粒子条纹图，利用图2(a)所示的粒子尺寸测量方法，对粒子干涉图进行单向梯度匹配运算得到每个粒子中心坐标，提取每个粒子干涉条纹图。再对其进行傅立叶变换和修正Rife/二次修正Rife算法的插值计算，得到粒子干涉条纹间距/条纹数N。对采集到的聚焦像，利用图2(b)所示的粒子尺寸测量方法，对粒子聚焦像进行相关运算得到每个粒子中心坐标，提取每个粒子两点像图像。再对每个粒子两点像进行自相关，Gaussian插值提取两点像之间距离Δl。

④粒子尺寸测量

对条纹图，利用

计算得到粒子直径，对45μm标准粒子测量值为d=44.57±0.76μm。对点模式，利用

计算得到粒子直径，对45μm标准粒子测量值为d=45.56±0.53μm。

⑤粒子速度测量

通过两次曝光，记录粒子的聚焦像和条纹图，结合PTV技术，利用v=Δs(MΔt)计算得到粒子速度，式中

为两聚焦像距离或/和两条纹图中心距离，(x₁,y₁)、(x₂,y₂)为利用③提取的两聚焦像中心坐标或/和两条纹图中心坐标，Δx=Δy为CCD的象素尺寸。对15.3μm标准粒子条纹像测得最大速度为1.99mm/s，最小速度为0.74mm/s，平均速度为1.45mm/s。

Claims

1.一种基于双光束照射的干涉粒子成像测量方法，其特征在于，该方法包括：

第一、激光器发出的光束经扩束准直系统、光束压缩系统压缩为片状光束，片状光束经分束镜分成强度相等的两束光，相向照射粒子场，粒子发生散射；

第二、由成像透镜、探测器CCD组成的成像系统，在散射角为90°区域接收粒子的散射光，在聚焦像面形成两点像，在离焦像面上形成条纹图；

第三、对上述成像系统采集到的粒子聚焦两点像和/或离焦条纹图，分别利用不同的图像处理算法，得到粒子尺寸大小和位置坐标；

（1）、对条纹图，利用单向梯度匹配算法提取条纹图中心坐标(x,y)，根据粒子条纹图中心坐标及粒子干涉条纹图像的形状、大小提取出单个粒子干涉条纹图像；再对每个粒子干涉图进行傅立叶变换，利用修正Rife/二次修正Rife算法提取条纹频率，得到粒子干涉条纹数N/条纹间距；由

计算，得到粒子直径，其测量精度可达到亚象素精度，式中，M为成像系统的放大率，d_a为成像透镜孔径大小，f为成像透镜焦距，λ为激光波长；

（2）、对两点像，利用模版匹配方法提取粒子像位置坐标(x,y)，根据粒子像位置坐标(x,y)及两点像间距提取出单个粒子两点像图像；再对每个粒子两点像进行自相关，Gaussian插值提取两点像之间距离Δl，由

计算，得到粒子直径，其测量精度达到亚象素精度，式中，M为成像系统的放大率；

第四、通过多次曝光，记录不同时间刻的粒子条纹图和/或两点像，根据上步条纹图和两点像图像处理算法，得到的粒子条纹图中心坐标(x,y)和/或粒子像位置坐标(x,y)，结合PTV，利用v=Δs(MΔt)计算得到粒子速度，式中，Δt为记录时间间隔，

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，可以同时记录粒子聚焦像和离焦像，也可以单独记录粒子聚焦像和离焦像。

3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，对粒子直径和速度测量，可以采用离焦条纹图测量，也可以采用聚焦两点像测量。