CN105043946A - 基于双波长的散射角自标定全场彩虹测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及气液两相流测量领域，旨在提供一种基于双波长的散射角自标定全场彩虹测量方法及装置。该测量装置包括喷雾发生单元、激光发射单元、信号收集单元和信号处理单元四部分；其中激光发射单元由两个波长不同的半导体激光器、调制元件、装在旋转位移台上的分束镜以及反光镜台架系统组成；信号收集单元是指：由视场透镜、小孔光阑和成像透镜组成的傅里叶成像系统，以及一个彩色CCD芯片。本发明实现了全场彩虹测量中散射角的系统自标定；具有快速自标定、结构简洁、操作简便、免额外高精度测量仪器、适合拓展到一维彩虹测量及工业化在线应用等特点；能快速、精确、有效地确定全场彩虹测量系统中散射角与CCD像素之间的内在关系。

Description

基于双波长的散射角自标定全场彩虹测量方法及装置

技术领域

本发明涉及气液两相流测量领域，具体涉及一种采用双波长对喷雾液滴的粒径、折射率、温度等多参数分布不需要任何特殊标定过程直接测量的全场彩虹测量装置及方法。

背景技术

液体雾化是能源、化工等工业领域广泛存在的现象。准确地测量并控制复杂喷雾流场中喷雾液滴的多种参数，对合理的组织喷雾燃烧过程、提高燃烧效率和降低污染物排放具有重要的指导作用。传统的接触式测量方法，例如浸液法、跟踪法、沉降法、冻结法、溶腊法和瞬时取样法等方法，由于破坏了原有的测量对象或无法深入测量对象的内部参数而难以适应当前的高精度测量需求。而非干扰式的先进光学测量方法，例如激光多普勒测速技术(LDV、LDA)、光散斑测速技术(LSV)、粒子图像测速技术(PIV、PTV)、双色激光诱导荧光法(TLIF)、激光诱导磷光法(LIP)、平面激光诱导荧光法(PLIF)等方法均难以实现雾化液滴的粒径、浓度、组分和温度等关键参数同时、准确、多点的测量。与上述测量技术相比，彩虹测量技术具有同时精确测量雾化液滴粒径和温度(或组分)特点，能够精确实时测量雾化液滴的粒径、温度(或成分)分布及其演变规律，对于雾化气液两相流机理的揭示具有重要意义。

彩虹测量技术需要在系统建立过程中在目标测量对象的位置进行一次系统标定，即确定测量点处喷雾液滴群发出散射光的绝对散射角度与CCD像素的内在关系。由于彩虹信号的反演结果，如折射率和粒径分布等参数对散射角度非常敏感，因此标定过程的精度直接决定了彩虹信号反演结果的有效性和精确性。然而，现有的反射镜标定法和液柱标定法都需额外的人工标定，对额外的计量仪器(如旋转台、显微镜标尺等)精度要求高，操作过程较为复杂，光路稍有改变就需要重新搭建标定系统，难以扩展运用到一维彩虹测量系统，不利于彩虹技术的在线应用。

在此，我们提出一种基于双波长的散射角自标定全场彩虹测量装置与方法，可以快速、精确、有效地确定全场彩虹测量系统中散射角与CCD像素之间的内在关系，有利于后续在线测量及分析喷射过程的气液两相流场。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有喷雾液滴激光彩虹测量技术中仍需额外人工标定的缺陷，提供一种基于双波长的散射角自标定全场彩虹测量方法及装置。该方法基于双波长的散射角自标定全场彩虹测量，可以快速、精确、有效地确定全场彩虹测量系统中散射角与CCD像素之间的内在关系，有利于后续在线测量及分析喷射过程的气液两相流场，并且可以方便快捷地拓展应用于一维全场彩虹测量系统的标定过程中，实现燃料雾化、喷淋等过程的一维在线测量。

本发明为解决上述技术问题采用的具体技术方案是：

提供一种基于双波长的散射角自标定全场彩虹测量方法，包括以下步骤：

(1)将两种不同波长的激光器发射的两束激光经分束镜调制成一束后，照射粒径分布和折射率数据已知的标准液体的喷雾场，在喷雾场后向散射区产生两种波长的散射光信号，由傅里叶成像系统的视场透镜收集后，经过小孔光阑和成像透镜投射到一个彩色CCD芯片上，由其同时记录两种波长的彩虹信号光强；

(2)对彩色CCD芯片记录到两种波长的彩虹信号进行R、G、B信号分离，得到两种彩虹信号各自对应的通道灰度值，进而得到两条分离的彩虹信号光强与像素列之间的关系曲线；

(3)上述彩虹信号光强与像素列之间的关系曲线经快速傅里叶变换FFT滤波以及IFFT逆运算后，得到2条平滑的彩虹曲线；将彩虹曲线的光强(纵坐标)进行0-1归一化处理，找到这2条平滑的彩虹曲线中光强为0.468的像素列坐标(横坐标)pix_rg1和pix_rg2，这两个像素列坐标即对应两种波长下的几何光学彩虹角θ_rg和θ_rg2；

(4)根据标准液体在不同波长激光下的折射率m₁、m₂，计算得到这两种波长下几何光学彩虹角θ_rg和θ_rg2的大小；由步骤(3)得到两个坐标点(pix_rg1，θ_rg1)和(pix_rg2，θ_rg2)，根据近轴光路中彩虹绝对散射角和像素列之间的近线性关系，推算出像素列与散射角之间的线性关系式，得到初始标定方程(angle＝a+b×pixel)中的特征参数a、b；

(5)根据初始标定方程和CCD拍摄得到的彩虹图像，即可反演得到一组折射率反演值m₁₀、m₂₀，将此反演值与已知折射率m₁、m₂比较；若m₁₀与m₁、m₂₀与m₂中至少有一对的差值不小于0.0001，根据反演值与已知值的差值正负性对m₁、m₂进行向下或向上修正，修正后的折射率作为迭代代入值再次计算彩虹角并求出标定方程特征参数；

(6)重复步骤(5)，开始迭代，直到两种波长下的迭代代入折射率与由此反演得到的折射率的差值均小于0.0001，迭代结束，即认为当前标定方程特征参数a、b有效，散射角自标定过程完成；

(7)由(6)中迭代结束时的有效标定方程特征参数a、b计算得到全场彩虹标定方程(angle＝a+b×pixel)，通过标定方程即得知CCD上每个像素列对应的绝对散射角；进而进行常规的全场彩虹测量与信号处理，即得到目标液体喷雾的粒径分布和折射率数据，并结合获取的折射率与溶液浓度、温度与组分的关系，反推得到液滴的浓度、温度与组分。

本发明中，在步骤(1)中，还包括：调整彩色CCD芯片的曝光时间和帧频，记录喷雾场液滴群的散射光用于平滑高频纹波结构，即全场彩虹信号。

本发明中，所述标准液体是去离子水。

本发明进一步提供了一种用于实现前述方法的基于双波长的散射角自标定全场彩虹测量装置，包括激光发射单元、信号收集单元和信号处理单元三部分；

所述激光发射单元由三部分组成：

两个波长不同的半导体激光器，用于产生两种不同波长的激光束；

调制元件，是一个装在旋转位移台上的分束镜，用于将两束不同波长的激光调制成重合为一束的激光；以及

反光镜台架系统，用于调节重合为一束的激光光源的入射位置及入射角度，使喷雾液滴粒产生的彩虹信号方向与所述彩虹信号采集单元的主光轴重合；

所述信号收集单元是指：由视场透镜、小孔光阑和成像透镜组成的傅里叶成像系统，以及一个彩色CCD芯片(从喷雾场反射的光依次通过视场透镜、小孔光阑、成像透镜进入彩色CCD芯片并被记录)；

所述信号处理单元是指，与彩色CCD芯片相连的计算机处理系统，用于计算、分析测量得到的喷雾液滴折射率、粒径以及浓度、温度或组份数据。

本发明中，所述半导体激光器分别为蓝光激光器和红光激光器，两台半导体激光器各自固定在一个旋转位移台上；旋转位移台的水平位移重复定位精度小于0.005cm，旋转角分辨率为0.00125°。

本发明中，所述视场透镜及成像透镜的直径为80mm～120mm，焦距为100mm～250mm。

本发明中，所述彩色CCD芯片是帧频可调的线性CCD，像素范围为1M至16M，最高频率为30Hz，探测彩虹角附件范围为10°至20°，最小分辨角为0.002°(根据测量对象和测量条件的不同，可以选择调整CCD曝光时间和激光器入射光角度及强度，从而达到最好的测量效果)。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明克服了现有喷雾液滴激光彩虹测量技术中仍需额外人工标定的缺陷，实现了全场彩虹测量中散射角的系统自标定；

(2)具有快速自标定、结构简洁、操作简便、免额外高精度测量仪器(如传统反光镜散射角标定方法中的高精度旋转台等)、适合拓展到一维彩虹测量及工业化在线应用等特点；

(3)能快速、精确、有效地确定全场彩虹测量系统中散射角与CCD像素之间的内在关系，有利于后续在线测量及分析喷射过程的气液两相流场，并且可以方便快捷地拓展应用于一维全场彩虹测量系统的标定过程中，实现燃料雾化、喷淋等过程的一维在线测量。

附图说明

图1是本发明测量装置的整体结构示意图。

附图标记为：1喷雾系统；2视场透镜；3小孔光阑；4成像透镜；5彩色CCD芯片；6第一种波长的激光器；7第二种波长的激光器；8分束镜；9反射镜。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图对本发明技术方案的具体实施方式作进行详细描述。

如图1所示，本发明装置包括：喷雾发生单元、激光发射单元、信号收集单元和信号处理单元四部分；

1、喷雾系统发生单元，主要包括喷雾系统1，用于产生各种液滴参数的液体喷雾场；

2、激光发射单元，由三部分组成：

两个波长不同的半导体激光器，用于产生两种不同波长的激光束；

调制元件，是一个装在旋转位移台上的分束镜8，用于将两束不同波长的激光调制成重合为一束的激光；以及反光镜台架系统，用于调节重合为一束的激光光源的入射位置及入射角度，使喷雾液滴粒产生的彩虹信号方向与所述彩虹信号采集单元的主光轴重合；

将两种不同波长的激光器(第一种波长的激光器6，第二种波长的激光器7)在同一水平面垂直布置，保证两束激光在同一水平上垂直相交；在两束激光相交处放置一个大小合适的分束镜8，调整分束镜8的角度和水平位置，使两束入射光经分束镜8内的镀膜玻璃后都分别分离为垂直的两束光(反射光和透射光)；此时可看到分束镜8的两个侧面都出现了重合为1束的混合激光；取其中与彩虹光路系统平行的那束混合激光经装在旋转台上的反射镜9后以合适角度照射喷雾场；

3、信号收集单元，包括视场透镜2、小孔光阑3、成像透镜4及彩色CCD芯片5，用于将喷雾液滴彩虹角附近的两种波长的散射光信号经傅里叶光学系统投射到彩色CCD芯片5上。视场透镜2及成像透镜4的直径为100mm，焦距为150mm。视场透镜2后侧设小孔光阑3，其开度大小约为2～4mm；从喷雾系统1产生的液滴处发出的两种波长的散射光，依次通过视场透镜2、小孔光阑3、成像透镜4后进入彩色CCD芯片5。彩色CCD芯片5前设有光学衰减片及滤光片(图中未示出)，彩色CCD芯片5上设有用于调高度的高度调节器。彩色CCD芯片5内设有双沟道线阵CCD，传感单元数为2160，每个单元长14μm，宽14μm，最高频率为30MHz，探测角范围为0至260°，最小分辨角为0.0016°。

4、信号处理单元，是指与彩色CCD芯片5相连的计算机处理系统，用于将彩色CCD记录到的两种波长的彩虹信号经计算机处理后得到标定曲线特征参数，并获得后续所测喷雾液滴折射率、粒径以及浓度、温度或组份等参数。

本发明中，基于双波长的散射角自标定全场彩虹测量方法，包括以下步骤：

(1)将蓝光激光器(435nm)和红光激光器(波长635nm)发射的两束激光经分束镜8调制成一束后，照射常温下去离子水的喷雾场，在喷雾场后向散射区产生这两种波长的散射光信号，由视场透镜2收集后经过小孔光阑3、成像透镜4组成的傅里叶成像系统投射到彩色CCD芯片5上，同时记录到这两种波长的彩虹信号光强；

(2)将彩色CCD芯片5记录到的这两种波长的彩虹信号进行R、G、B信号分离，得到图像中两种波长(435nm和635nm)的彩虹信号各自对应的通道灰度值，从而得到两条分离的彩虹信号光强与像素列之间的关系曲线；

(3)上述两条彩虹信号光强与像素列之间的关系曲线经快速傅里叶变换FFT滤波以及IFFT逆运算可以得到两条平滑的彩虹曲线。将彩虹曲线的光强(纵坐标)进行0-1归一化处理，找到这两条平滑的彩虹曲线中光强为0.468的像素列坐标(横坐标)pix_rg1和pix_rg2，这两个列坐标即对应着两种波长下的几何光学彩虹角θ_rg和θ_rg2；

(4)根据一定温度时(如20℃)去离子水在不同波长激光下的已知折射率m₁、m₂，计算得到这两种波长下几何光学彩虹角θ_rg和θ_rg2的大小。由步骤(3)可以得到两个坐标点(pix_rg1，θ_rg1)、(pix_rg2，θ_rg2)，根据近轴光路中彩虹绝对散射角和像素列之间的近线性关系，可推算出像素列与散射角之间的线性关系式，得到初始标定方程(angle＝a+b×pixel)中的特征参数a、b；

(5)根据初始标定方程和CCD拍摄得到的彩虹图像即可反演得到一组折射率反演值m₁₀、m₂₀，将此反演值与已知折射率m₁，m₂比较，若m₁₀与m₁、m₂₀与m₂有至少一对的差值不小于0.0001，根据反演值与已知值的差值正负性对m₁，m₂进行向下或向上修正，修正后的折射率作为迭代代入值再次计算彩虹角并求出标定方程特征参数；

(6)重复步骤(5)，开始迭代，直到两种波长下的迭代代入折射率与由此反演得到的折射率的差值均小于0.0001，迭代结束，即认为当前标定方程特征参数有效，散射角自标定过程完成。

(7)由(6)中迭代结束时的有效标定方程特征参数a、b值可以计算得到全场彩虹标定方程(angle＝a+b×pixel)，通过标定方程即可得知CCD上每个像素列所对应的绝对散射角，进而可以进行常规的全场彩虹测量与信号处理，即得到目标液体喷雾的粒径分布和折射率数据，并结合获取的折射率与溶液浓度、温度与组分的关系，就能反推得到液滴的浓度、温度与组分。

Claims (7)

1.一种基于双波长的散射角自标定全场彩虹测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将两种不同波长的激光器发射的两束激光经分束镜调制成一束后，照射粒径分布和折射率数据已知的标准液体的喷雾场，在喷雾场后向散射区产生两种波长的散射光信号，由傅里叶成像系统的视场透镜收集后，经过小孔光阑和成像透镜投射到一个彩色CCD芯片上，由其同时记录两种波长的彩虹信号光强；

(2)对彩色CCD芯片记录到两种波长的彩虹信号进行R、G、B信号分离，得到两种彩虹信号各自对应的通道灰度值，进而得到两条分离的彩虹信号光强与像素列之间的关系曲线；

(3)上述彩虹信号光强与像素列之间的关系曲线经快速傅里叶变换FFT滤波以及IFFT逆运算后，得到2条平滑的彩虹曲线；将彩虹曲线的光强进行0-1归一化处理，找到这2条平滑的彩虹曲线中光强为0.468的像素列坐标pix_rg1和pix_rg2，这两个像素列坐标即对应两种波长下的几何光学彩虹角θ_rg和θ_rg2；

(4)根据标准液体在不同波长激光下的折射率m₁、m₂，计算得到这两种波长下几何光学彩虹角θ_rg和θ_rg2的大小；由步骤(3)得到两个坐标点(pix_rg1，θ_rg1)和(pix_rg2，θ_rg2)，根据近轴光路中彩虹绝对散射角和像素列之间的近线性关系，推算出像素列与散射角之间的线性关系式，得到初始标定方程(angle＝a+b×pixel)中的特征参数a、b；

(5)根据初始标定方程和CCD拍摄得到的彩虹图像，即可反演得到一组折射率反演值m₁₀、m₂₀，将此反演值与已知折射率m₁、m₂比较；若m₁₀与m₁、m₂₀与m₂中至少有一对的差值不小于0.0001，根据反演值与已知值的差值正负性对m₁、m₂进行向下或向上修正，修正后的折射率作为迭代代入值再次计算彩虹角并求出标定方程特征参数；

(6)重复步骤(5)，开始迭代，直到两种波长下的迭代代入折射率与由此反演得到的折射率的差值均小于0.0001，迭代结束，即认为当前标定方程特征参数a、b有效，散射角自标定过程完成；

(7)由(6)中迭代结束时的有效标定方程特征参数a、b计算得到全场彩虹标定方程(angle＝a+b×pixel)，通过标定方程即得知CCD上每个像素列对应的绝对散射角；进而进行常规的全场彩虹测量与信号处理，即得到目标液体喷雾的粒径分布和折射率数据，并结合获取的折射率与溶液浓度、温度与组分的关系，反推得到液滴的浓度、温度与组分。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，还包括：调整彩色CCD芯片的曝光时间和帧频，记录喷雾场液滴群的散射光用于平滑高频纹波结构，即全场彩虹信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述标准液体是去离子水。

4.一种用于实现权利要求1所述方法的基于双波长的散射角自标定全场彩虹测量装置，包括喷雾发生单元、激光发射单元、信号收集单元和信号处理单元四部分；其特征在于，

所述激光发射单元由三部分组成：

两个波长不同的半导体激光器，用于产生两种不同波长的激光束；

调制元件，是一个装在旋转位移台上的分束镜，用于将两束不同波长的激光调制成重合为一束的激光；以及

反光镜台架系统，用于调节重合为一束的激光光源的入射位置及入射角度，使喷雾液滴粒产生的彩虹信号方向与所述彩虹信号采集单元的主光轴重合；

所述信号收集单元是指：由视场透镜、小孔光阑和成像透镜组成的傅里叶成像系统，以及一个彩色CCD芯片；

所述信号处理单元是指，与彩色CCD芯片相连的计算机处理系统，用于计算、分析测量得到的喷雾液滴折射率、粒径以及浓度、温度或组份数据。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述半导体激光器分别为蓝光激光器和红光激光器，两台半导体激光器各自固定在一个旋转位移台上；旋转位移台的水平位移重复定位精度小于0.005cm，旋转角分辨率为0.00125°。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述视场透镜及成像透镜的直径为80mm～120mm，焦距为100mm～250mm。

7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述彩色CCD芯片是帧频可调的线性CCD，像素范围为1M至16M，最高频率为30Hz，探测彩虹角附件范围为10°至20°，最小分辨角为0.002°。