CN104931466B - 基于列处理的plif浓度场标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于列处理的PLIF浓度场标定方法，主要包含以下内容：(1)样本溶液的配制方法；(2)获取均匀浓度样本的片光灰度场图，并将该图网格化；(3)以列处理方法获得各种浓度在激光片光照射下的无衰减灰度，求得浓度‑‑灰度关系曲线及方程；(4)以列处理方法获得各种浓度在激光片光照射下的沿光程向灰度衰减系数；(5)求得浓度与衰减系数关系曲线及方程；(6)在以上成果基础上，获得沿光程向灰度转化成浓度校正方法。

Description

基于列处理的PLIF浓度场标定方法

技术领域

本发明涉及了一种基于列处理的PLIF浓度场标定方法，特别是在非均匀浓度场下，标定平面激光诱导浓度场的方法。

背景技术

常见的平面激光诱导荧光技术(PLIF)，一般采用半圆柱透镜将激光束转换为扇形片光。片光平面强度呈高斯分布，中间能量强，两边能量弱，造成荧光溶液浓度一样，但荧光强度呈高斯分布，为此，需要对片光的高斯分布进行修正。目前常用的几种商业PLIF测量系统所带软件基本都具有高斯校正的功能。

扇形片光的激光能量散布面大，有效利用率低下，因此，拍摄的浓度场范围较小，多为十几厘米见方的小区域，很多时候不能满足测量需求。如果将以往片光源的光学组件改为使用鲍威尔棱镜扩束，菲涅尔透镜再聚光后形成平行光片，不仅可以获得较为均匀的光强分布，而且有效测量区域能大幅增加。

PLIF系统浓度检测的度量基础和精确度很大程度取决于检测前的浓度标定环节。鲍威尔镜与菲涅尔镜组合产生的平行片光不同于以往常用的扇形片光，具有其独特性，片光由一系列密集的、平行的明暗相间条纹组成。而目前尚未有相应的标定方法。为使PLIF浓度检测完善、精确，在研发过程中，建成了本浓度标定有关设备并确定了标定方法。

发明内容

本申请的发明目的在于解决现有的检测方法不能精确地标定出非均匀浓度场的待测溶液的问题，而提供一种基于列处理的PLIF浓度场标定方法。

为了完成本申请的发明目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一种基于列处理的PLIF浓度场标定方法，它包括以下步骤：

(1)样本溶液的配制：

用0-0.8ppm浓度的荧光素钠配置成若干个浓度均匀的样本溶液；

(2)用经菲涅尔镜扩展得到的平面激光分别照射上述若干个浓度均匀的样本溶液，得到若干个初始的片光明暗条纹图像；

(3)对上述每个初始的图像进行灰度处理，得到若干灰度值分布图，每个灰度值分布图中包含有p行×q列个网格的灰度值；

其中：

(4)对上述灰度值分布图的浓度和灰度关系进行分析：

(i)取各个浓度下，灰度值分布图中第一列首行网格的灰度值F₁作为纵坐标，将浓度作为横坐标，作出图像，将各个浓度下的上述灰度值F₁点绘在坐标图像上，利用最小二乘法将各浓度下的灰度数据拟合成过原点的直线，将该直线记录在计算机中；

(ii)重复步骤(i)，依次取各个浓度下，灰度值分布图的第2-n列的首行网格灰度值，分别得到2-n个列的灰度拟合直线；

(5)衰减系数的求解：

(i)在灰度值分布图中，提取每个浓度下的网格灰度值；

(ii)将同一列各行网格的灰度值F_n与同一列首行网格的灰度值F₁相比，经过运算处理得到-1n(F_n/F₁)；

(iii)在同一浓度下，以各网格所在行的位置为横坐标，以用同一列的不同行网格的-1n(F_n/F₁)值为纵坐标画出图形，通过最小二乘法将上述图形拟合成一段过原点的直线，得到η_cj，η_cj为上述拟合直线的斜率；重复上述步骤得到不同浓度和不同列下的η_cj，将η_cj存入数据库，其中c为浓度，j为列数；

(iv)将不同浓度下，同一列的η_cj作图，以不同浓度为横坐标，以η_cj为纵坐标，得到η_cj图像，通过最小二乘法将上述图形拟合成一段过原点的直线，将各列的η_cj系数拟合直线存入数据库中；

(6)非均匀浓度场的计算：

(i)用经菲涅尔镜扩展得到的平面激光照射非均匀浓度的待测溶液，得到初始片光明暗条纹图像；

(ii)对上述(i)步骤的初始片光明暗条纹图像进行灰度处理，得到待测溶液的灰度值分布图；

(iii)从计算机中调取上述步骤(4)的1-n列的浓度灰度拟合直线，和步骤(5)的(iv)步的1-n列的η_cj系数拟合直线；

(iv)从上述待测溶液的灰度值分布图中提取第一列首行的灰度值，对照上述步骤(4)的第一列的浓度灰度拟合直线，从该直线中查出对应的第一列首行网格的浓度C⁰ ₁₁，即得到了待测溶液的第一列首行网格的浓度C₁₁；根据该浓度C₁₁，对照上述步骤(5)的(iv)步第一列的η_cj系数拟合直线，查出第一列首行网格η₁₁值，再从上述待测溶液的灰度值分布图中提取第一列第二行的灰度值，对照步骤(4)的第一列的浓度灰度拟合直线，从该直线中查出对应的第一列第二行网格的浓度C⁰ ₁₂，计算得出C₁₂＝C⁰ ₁₂*e^(η11*Q)，得到第一列二行网格的浓度C₁₂；根据该浓度C₁₂，从步骤(5)第一列的η_cj系数拟合直线中，查出η₁₂值，再从上述待测溶液的灰度值分布图中提取第一列第三行的灰度值，对照上述步骤(4)的第一列的浓度灰度拟合直线，从该直线中查出对应的第一列第三行网格的浓度C⁰ ₁₃，算出C₁₃＝C⁰ ₁₃*e^{(η11*Q+η12*Q)}；依此类推，得到C_1x＝C⁰ _1x*e^{(η11*Q+η12*Q……+η1x-1*Q)}，其中Q为一个网格的像素个数，x为第一列的网格数，由此得到待测溶液的灰度值分布图中的第一列的浓度；

(v)重复步骤(iv)，计算出待测溶液的灰度值分布图中的2-n列的浓度，最终得到待测溶液的浓度；

本发明的一种基于列处理的PLIF浓度场标定方法，其中：所述的步骤(1)中配制10-30个浓度均匀的样本溶液；

本发明的一种基于列处理的PLIF浓度场标定方法，其中：在步骤(3)和步骤(6)的(ii)中的对每个初始的片光明暗条纹图像中进行灰度处理的方法如下：

(a)、采集从菲涅尔透镜产生的片光图，得到该片光图中的每个像素的灰度值；

(b)、沿着平行于像素行的方向，将上述灰度图平均分割成p行，再沿着垂直于像素行方向将上述灰度图平均分割成q列，使该灰度图分割成p行×q列个网格，每个网格的大小相同；

(c)、设每个网格内有m行n列个像素，将每列的m个像素灰度值求和，得到n个和值，求取n个和值的最大值，并记录下该网格的对应列号，即为最大值列号；

(d)、保留步骤(c)的最大值列号的灰度值或最大值列号的灰度值及其左右的1-2列的灰度值，将所有保留的列定义为此网格内的一个亮线列，而其余列的灰度值被赋值为零，该网格的灰度值为该亮线列的平均灰度值；

(e)、重复步骤(c)和(d)，求取p×q个网格的亮线列的平均灰度值，得到整个片光图的灰度值分布图，每个灰度值分布图中包含有p行×q列个网格的灰度值。

本发明的一种基于列处理的PLIF浓度场标定方法，其中：所述的步骤(2)中每个网格内m行或n列均包含8-15个像素；

本发明的一种基于列处理的PLIF浓度场标定方法，其中：所述的平均灰度值为上述一个亮线列所有像素的灰度值的总和除以该亮线列所包含像素的个数；

本发明的一种基于列处理的PLIF浓度场标定方法，其中：所述步骤(2)至步骤(6)均是用计算机来进行辅助运算。

使用本发明的标定激光诱导浓度场的方法可以通过标定浓度均匀场中，溶液浓度与灰度的关系和浓度与η_cj系数的关系，来推算出非均匀浓度场中的溶液浓度，从而通过片光图准确地推算出非均匀浓度场中的溶液浓度。

附图说明

图1为在浓度均匀场中，在各种浓度下，首行第一列的灰度值与浓度的关系直线，在图1中，以首行第一列的灰度值作为纵坐标，以浓度作为横坐标；

图2为在浓度均匀场中，在各种浓度下，首行第二列的灰度值与浓度的关系直线，在图2中，以首行第二列的灰度值作为纵坐标，以浓度作为横坐标；

图3为在浓度均匀场中，在各种浓度下，首行第三列的灰度值与浓度的关系直线，在图3中，以首行第三列的灰度值作为纵坐标，以浓度作为横坐标；

图4为图1至图3的合成图，在图中，以灰度值为纵坐标，以浓度作为横坐标；

图5为用于推求η_cj系数的荧光强度衰减直线；在该图中以所在行的位置为横坐标；以-1n(F_nj/F_1j)为纵坐标，所拟合成的直线，在该图中，标有+为第一列，标有*为第二列，标有o的为第三列；(F_nj/F_1j)为同一列中、不同行的灰度值与首行灰度值的比值；

图6为第一列的浓度与η_cj系数的拟合系数直线，其中以浓度为横坐标，以η_cj系数为纵坐标；

图7为第二列的浓度与η_cj系数的拟合系数直线，其中以浓度为横坐标，以η_cj系数为纵坐标；

图8为第三列的浓度与η_cj系数的拟合系数直线，其中以浓度为横坐标，以η_cj系数为纵坐标；

图9为通过菲涅尔透镜后的激光形成的片光图，在该片光图中包括：多条明线和暗线相间组成的图像，将该图像划分成p行和q列；

图10用本发明的方法处理图9片光图后得到的灰度值分布图；

图11为由图9的片光图的p行和q列划分出来的一个网格片光图的放大示意图；

图12为用本发明的方法处理后的图11的一个网格片光图的放大示意图。

在图9、图11和图12中，标号1为p行，标号2为q列，标号3为亮线列。

具体实施方式

本发明的一种基于列处理的PLIF浓度场标定方法，它包括以下步骤：

(1)样本溶液的配制：

用0-0.8ppm浓度的荧光素钠配置成若干个浓度均匀的样本溶液，配制10-30个浓度均匀的样本溶液；

(2)用经菲涅尔镜扩展后得到的平面激光分别照射上述若干个浓度均匀的样本溶液，如图9所示，得到若干个初始的片光明暗条纹图像；

(3)对上述每个初始的图像进行灰度处理进行如下处理步骤：

(a)、如图9所示，采集从菲涅尔透镜产生的片光图，得到该片光图中的每个像素的灰度值；

(b)、如图9所示，沿着平行于像素行的方向，将上述灰度图平均分割成p行(如图9标号1所示)，再沿着垂直于像素行方向将上述灰度图平均分割成q列(如图9标号2所示)，使该灰度图分割成p行×q列个网格，每个网格的大小相同；

(c)、如图11所示，设每个网格内有m行n列个像素，每个网格内m行或n列均包含8-15个像素，将每列的m个像素灰度值求和，得到n个和值，求取n个和值的最大值，并记录下该网格的对应列号，即为最大值列号；

(d)、如图12所示，保留步骤(c)的最大值列号的灰度值或最大值列号的灰度值及其左右的1-2列的灰度值，将所有保留的列定义为此网格内的一个亮线列，而其余列的灰度值被赋值为零，该网格的灰度值为该亮线列的平均灰度值，平均灰度值为上述一个亮线列所有像素的灰度值的总和除以该亮线列所包含像素的个数；

(e)、重复步骤(c)和(d)，求取p×q个网格的亮线列的平均灰度值，得到如图10所示的整个片光图的灰度值分布图，每个灰度值分布图中包含有p行×q列个网格的灰度值，图10只是在一个浓度下的灰度分布图，对配制的10-30个浓度均匀的样本溶液的片光图，分别进行上述(a)至(e)的处理得到10-30个浓度均匀的样本溶液的灰度值分布图；

(4)对上述灰度值分布图的浓度和灰度关系进行分析：

(i)如图1所示，取各个浓度下，灰度值分布图中第一列首行网格的灰度值F₁作为纵坐标，将浓度作为横坐标，作出图像，将各个浓度下的上述灰度值F₁点绘在坐标图像上，利用最小二乘法将各浓度下的灰度数据拟合成过原点的直线，将该直线记录在计算机中；

(ii)重复步骤(i)，依次取各个浓度下，灰度值分布图的第2-n列的首行网格灰度值，分别得到2-n个列的灰度拟合直线，例如：图2和图3所示，分别得到第2和第3个列的灰度拟合直线，将图1至图3综合在一起，得到图4；

(5)衰减系数的求解：

(i)在灰度值分布图中，提取每个浓度下的网格灰度值；

(ii)将同一列各行网格的灰度值F_n与同一列首行网格的灰度值F₁相比，经过运算处理得到-1n(F_n/F₁)；

(iii)如图5所示，在同一浓度下，以各网格所在行的位置为横坐标，以用同一列的不同行网格的-1n(F_n/F₁)值为纵坐标画出图形，通过最小二乘法将上述图形拟合成一段过原点的直线，得到η_cj，η_cj为上述拟合直线的斜率；重复上述步骤得到不同浓度和不同列下的η_cj，将η_cj存入数据库，其中c为浓度，j为列数；

(iv)将不同浓度下，同一列的η_cj作图，以不同浓度为横坐标，以η_cj为纵坐标，得到η_cj图像，通过最小二乘法将上述图形拟合成一段过原点的直线，将各列的η_cj系数拟合直线存入数据库中；

(6)非均匀浓度场的计算：

(i)用经菲涅尔镜扩展后得到的平面激光照射非均匀浓度的待测溶液，得到初始片光明暗条用如上述步骤(3)所述处理方法，得到待测溶液的灰度值分布图；

(iii)从计算机中调取上述步骤(4)的1-n列的浓度灰度拟合直线图4，和步骤(5)的(iv)步的1-n列的η_cj系数拟合直线图6至图8；

(iv)从上述待测溶液的灰度值分布图中提取第一列首行的灰度值，对照上述步骤(4)第一列的浓度灰度拟合直线，从该直线中查出对应的第一列首行网格的浓度C⁰ ₁₁，即得到了待测溶液的第一列首行网格的浓度C₁₁；根据该浓度C₁₁，对照上述步骤(5)的(iv)步第一列的η_cj系数拟合直线，如图6所示，查出第一列首行网格η₁₁值，再从上述待测溶液的灰度值分布图中提取第一列第二行的灰度值，对照步骤(4)的第一列的浓度灰度拟合直线，从图4所示的直线中查出对应的第一列第二行网格的浓度C⁰ ₁₂，计算得出C₁₂＝C⁰ ₁₂*e^(η11*Q)，得到第一列二行网格的浓度C₁₂；根据该浓度C₁₂，从步骤(5)第一列的η_cj系数拟合直线中，查出如图6所示的η₁₂值，再从上述待测溶液的灰度值分布图中提取第一列第三行的灰度值，对照上述步骤(4)的第一列的浓度灰度拟合直线，从图4所示的直线中查出对应的第一列第三行网格的浓度C⁰ ₁₃，算出C₁₃＝C⁰ ₁₃*e^{(η11*Q+η12*Q)}；依此类推，得到C_1x＝C⁰ _1x*e^{(η11*Q+η12*Q……+η1x-1*Q)}，其中Q为一个网格的像素个数，x为第一列的网格数，由此得到待测溶液的灰度值分布图中的第一列的浓度；

(v)重复步骤(iv)，根据图4、图7和图8，计算出待测溶液的灰度值分布图中的2列和3列的浓度，依此类推，最终得到待测溶液的浓度。上述方法仅以1-3列为例。

上述步骤(2)至步骤(6)均是用计算机来进行辅助运算。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在不违背本发明的精神的情况下，本发明可以作任何形式的修改。

Claims (5)

1.一种基于列处理的PLIF浓度场标定方法，它包括以下步骤：

(1)样本溶液的配制：

用0-0.8ppm浓度的荧光素钠配置成若干个浓度均匀的样本溶液；

(2)用经菲涅尔镜扩展后得到的平面激光分别照射上述若干个浓度均匀的样本溶液，得到若干个初始的片光明暗条纹图像；

(3)对上述每个初始的图像进行灰度处理，得到若干灰度值分布图，每个灰度值分布图中包含有p行×q列个网格的灰度值；

其特征在于：

(4)对上述灰度值分布图的浓度和灰度关系进行分析：

(i)取各个浓度下，灰度值分布图中第一列首行网格的灰度值F_l作为纵坐标，将浓度作为横坐标，作出图像，将各个浓度下的上述灰度值F_l点绘在坐标图像上，利用最小二乘法将各浓度下的灰度数据拟合成过原点的直线，将该直线记录在计算机中；

(ii)重复步骤(i)，依次取各个浓度下，灰度值分布图的第2-n列的首行网格灰度值，分别得到2-n个列的灰度拟合直线；

(5)衰减系数的求解：

(i)在灰度值分布图中，提取每个浓度下的网格灰度值；

(ii)将同一列各行网格的灰度值F_n与同一列首行网格的灰度值F_l相比，经过运算处理得到-ln(F_n/F_l)；

(iii)在同一浓度下，以各网格所在行的位置为横坐标，以用同一列的不同行网格的-ln(F_n/F_l)值为纵坐标画出图形，通过最小二乘法将上述图形拟合成一段过原点的直线，得到η_cj，η_cj为上述拟合直线的斜率；重复上述步骤得到不同浓度和不同列下的η_cj，将η_cj存入数据库，其中c为浓度，j为列数；

(iv)将不同浓度下，同一列的η_cj作图，以不同浓度为横坐标，以η_cj为纵坐标，得到η_cj图像，通过最小二乘法将上述图形拟合成一段过原点的直线，将各列的η_cj系数拟合直线存入数据库中；

(6)非均匀浓度场的计算：

(i)用经菲涅尔镜扩展后得到的平面激光照射非均匀浓度的待测溶液，得到初始片光明暗条纹图像；

(ii)对上述(i)步骤的初始片光明暗条纹图像进行灰度处理，得到待测溶液的灰度值分布图；

(iii)从计算机中调取上述步骤(4)的1-n列的浓度灰度拟合直线，和步骤(5)的(iv)步的1-n列的η_cj系数拟合直线；

(iv)从上述待测溶液的灰度值分布图中提取第一列首行的灰度值，对照上述步骤(4)的第一列的浓度灰度拟合直线，从该直线中查出对应的第一列首行网格的浓度C⁰ ₁₁，即得到了待测溶液的第一列首行网格的浓度C₁₁；根据该浓度C₁₁，对照上述步骤(5)的(iv)步第一列的η_cj系数拟合直线，查出第一列首行网格η₁₁值，再从上述待测溶液的灰度值分布图中提取第一列第二行的灰度值，对照步骤(4)的第一列的浓度灰度拟合直线，从该直线中查出对应的第一列第二行网格的浓度C⁰ ₁₂，计算得出C₁₂＝C⁰ ₁₂*e^(η11*Q)，得到第一列第二行网格的浓度C₁₂；根据该浓度C₁₂，从步骤(5)第一列的η_cj系数拟合直线中，查出η₁₂值，再从上述待测溶液的灰度值分布图中提取第一列第三行的灰度值，对照上述步骤(4)的第一列的浓度灰度拟合直线，从该直线中查出对应的第一列第三行网格的浓度C⁰ ₁₃，算出C₁₃＝C⁰ ₁₃*e^{(η11*Q+η12*Q)}；依此类推，得到C_1x＝C⁰ _1x*e^{(η11*Q+η12*Q……η1x-1*Q)}，Q为一个网格的像素个数，x为第一列的网格数，由此得到待测溶液的灰度值分布图中的第一列的浓度；

(v)重复步骤(iv)，计算出待测溶液的灰度值分布图中的2-n列的浓度，最终得到待测溶液的浓度；

在步骤(3)和步骤(6)的(ii)中的对每个初始的片光明暗条纹图像中进行灰度处理的方法如下：

(a)、采集从菲涅尔透镜产生的片光图，得到该片光图中的每个像素的灰度值；

(b)、沿着平行于像素行的方向，将上述灰度图平均分割成p行，再沿着垂直于像素行方向将上述灰度图平均分割成q列，使该灰度图分割成p行×q列个网格，每个网格的大小相同；

(c)、设每个网格内有m行n列个像素，将每列的m个像素灰度值求和，得到n个和值，求取n个和值的最大值，并记录下该网格的对应列号，即为最大值列号；

(d)、保留步骤(c)的最大值列号的灰度值或最大值列号的灰度值及其左右的1-2列的灰度值，将所有保留的列定义为此网格内的一个亮线列，而其余列的灰度值被赋值为零，该网格的灰度值为该亮线列的平均灰度值；

(e)、重复步骤(c)和(d)，求取p×q个网格的亮线列的平均灰度值，得到整个片光图的灰度值分布图，每个灰度值分布图中包含有p行×q列个网格的灰度值。

2.如权利要求1所述的基于列处理的PLIF浓度场标定方法，其特征在于：所述的步骤(1)中配制10-30个浓度均匀的样本溶液。

3.如权利要求2所述的一种基于列处理的PLIF浓度场标定方法，其特征在于：所述的步骤(3)和步骤(6)中每个网格内m行或n列均包含8-15个像素。

4.如权利要求3所述的一种基于列处理的PLIF浓度场标定方法，其特征在于：所述的平均灰度值为上述一个亮线列所有像素的灰度值的总和除以该亮线列所包含像素的个数。

5.如权利要求1所述的一种基于列处理的PLIF浓度场标定方法，其特征在于：所述步骤(2)至步骤(6)均是用计算机来进行辅助运算。