CN108519310A - 一种河流泥沙颗粒粒径的检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种河流泥沙颗粒粒径的检测装置及方法，涉及水质监测技术领域，该装置设置于待测河流中，包括相干激光光纤组件、图像传感器、连接器和计算机；其中，所述的相干激光光纤组件和图像传感器分别密封设置于连接器的两端，在相干激光光纤组件和图像传感器之间的连接器设置有用于河流流过的检测通道；图像传感器的输出端连接计算机的输入端；本发明可实时、实地进行原位检测，设备简单，操作方便，分辨率可达0.6μm。

Description

一种河流泥沙颗粒粒径的检测装置及方法

技术领域

本发明涉及水质监测技术领域，尤其涉及一种河流泥沙颗粒粒径的检测装置及方法。

背景技术

泥沙颗粒分析是泥沙研究中的基础工作，主要为河流演变、水生态环境及地质地貌等研究提供基础信息。其分析方法有很多，包括设备简单、结果直观的筛分法以及测试速度快的激光法。但两者都有以下不足：

1.筛分法：筛孔的尺寸会随使用时间发生变化，从而造成分析结果的精度降低；测试时间长，不能进行重复测试。

2.激光法：对外部环境十分敏感，对操作者要求很高。

发明内容

本发明提供一种河流泥沙颗粒粒径的检测装置及方法，以达到简化设备、提高分辨率的目的。

为了实现上述目的，本发明提出一种河流泥沙颗粒粒径的检测装置，该装置设置于待测河流中，包括相干激光光纤组件、图像传感器、连接器和计算机；其中，所述的相干激光光纤组件和图像传感器分别密封设置于连接器的两端，在相干激光光纤组件和图像传感器之间的连接器设置有用于河流流过的检测通道；图像传感器的输出端连接计算机的输入端。

优选地，所述的相干激光光纤组件输出点光源，经过待检测泥沙颗粒形成全息图输入图像传感器。

优选地，所述的相干激光光纤组件，包括激光器、光纤准直器和光纤耦合器，光线通过激光器发射，经过光纤准直器和光纤耦合器输出光斑。

优选地，所述的计算机利用傅里叶变换法重建截面图像。

采用河流泥沙颗粒粒径的检测装置进行的检测方法，包括以下步骤：

激光器发射光线，光线经过光纤准直器和光纤耦合器输出光斑；

利用光斑与泥沙颗粒的衍射波，获得衍射波与参考波干涉叠加形成的全息图；

利用重建图像的灰度空间分布特性，获得泥沙颗粒粒径。

优选地，在步骤利用光斑与泥沙颗粒的衍射波，获得衍射波与参考波干涉叠加形成的全息图与步骤利用重建图像的灰度空间分布特性，获得泥沙颗粒粒径之间，还包括：

利用傅里叶变换法重建截面图像。

优选地，在步骤利用光斑与泥沙颗粒的衍射波，获得衍射波与参考波干涉叠加形成的全息图与步骤利用重建图像的灰度空间分布特性，获得泥沙颗粒粒径之间，还包括：

设定灰度阈值，对泥沙颗粒的重建图像进行二值化处理，将颗粒从背景中识别出来。

优选地，所述的全息图，其光强分布为：

I(x，y)＝|O(x，y)+R(x，y)|²＝O(x，y)O(x，y)^*+R(x，y)R(x，y)^*+O(x，y)R(x，y)^*+R(x，y)O(x，y)^* (1)

其中，I(x，y)表示光强分布，O(x，y)表示物光，R(x，y)表示参考光，*为共轭符号；

本发明提供的一种河流泥沙颗粒粒径的检测装置及方法，所述装置包括相干激光光纤组件(脉冲激光器、光纤准直器、耦合器)、检测通道、图像传感器、计算机，所述相干激光光纤组件和图像传感器分别密封固定，由连接器连接组合，达到装置一体化，易于水下作业；将此装置直接置于待测河流中，河流流过装置检测通道，利用激光全息原理对该流体内经干涉作用的颗粒进行显微成像，再利用数字重构，从而得到颗粒形状的空间成像信息；本发明可实时、实地进行原位检测，设备简单，操作方便，分辨率可达0.6μm。。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明一种实施例中河流泥沙颗粒粒径的检测装置结构示意图；

图2为本发明一种实施例中连接器结构示意图；

图3为本发明一种实施例中河流泥沙颗粒粒径的检测方法流程图；

图4为本发明一种实施例中步骤S40流程图；

图5为本发明一种实施例中泥沙颗粒全息图；

图6为本发明一种实施例中步骤S50流程图；

标号说明：

1-相干激光光纤组件，2-图像传感器，3-连接器，4-计算机，5-泥沙颗粒，101-激光器，102-光纤准直器，103-光纤耦合器；

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提供一种河流泥沙颗粒粒径的检测装置；

本发明一种优选实施例中，如图1和图2所示，装置设置于待测河流中，包括相干激光光纤组件1、图像传感器2、连接器3和计算机4；其中，如图2所示，所述的相干激光光纤组件1和图像传感器2分别密封设置于连接器3的两端，在相干激光光纤组件1和图像传感器2之间的连接器3设置有用于河流流过的检测通道，用于检测泥沙颗粒5；图像传感器2的输出端连接计算机4的输入端。所述的相干激光光纤组件1输出点光源，经过待检测河流形成全息图输入图像传感器2；所述的计算机4利用傅里叶变换法重建截面图像。

本发明一种优选实施例中，所述的相干激光光纤组件1，包括激光器101、光纤准直器102和光纤耦合器103，光线通过激光器101发射，经过光纤准直器102和光纤耦合器103输出光斑。

本发明一种优选实施例中，采用河流泥沙颗粒粒径的检测装置进行的检测方法，如图3所示，包括以下步骤：

S10、激光器发射光线，光线经过光纤准直器和光纤耦合器输出光斑；

本发明实施例中，首先启动脉冲激光器，经光纤准直器和耦合器后，光纤输出光斑0.7μm，数值孔径NA为0.3，此光源可近似为点光源；

S20、利用光斑与泥沙颗粒的衍射波，获得衍射波与参考波干涉叠加形成的全息图；

本发明实施例中，点光源发出的球面波照射泥沙颗粒后发生衍射，衍射波与原来未发生变化的参考波干涉叠加形成全息图，全息图的光强分布为：

I(x，y)＝|O(x，y)+R(x，y)|²＝O(x，y)O(x，y)^*+R(x，y)R(x，y)^*+O(x，y)R(x，y)^*+R(x，y)O(x，y)^* (1)

其中，I(x，y)表示光强分布，O(x，y)表示物光，R(x，y)表示参考光，*为共轭符号。

S30、利用重建图像的灰度空间分布特性，获得泥沙颗粒粒径。

本发明一种优选实施例中，在步骤S20与步骤S30之间，如图4所示，还包括：

S40、利用傅里叶变换法重建截面图像。

本发明实施例中，全息图光强经图像传感器记录后输入计算机，计算机利用傅里叶变换法重建截面图像，如图5所示，中间部分为泥沙颗粒全息图，周围小图为重建后的泥沙颗粒图像。

本发明一种优选实施例中，在步骤S20与步骤S30之间，如图6所示，还包括：

S50、设定灰度阈值，对泥沙颗粒的重建图像进行二值化处理，将颗粒从背景中识别出来。

本发明实施例中，设定灰度阈值(0-255)，对泥沙颗粒的重建图像进行二值化处理，将颗粒从背景中识别出来；利用重建图像的灰度空间分布特性，通过下式计算出颗粒粒径d：

d_x＝(x_max-x_min+1)×Δx (2)

d_y＝(y_max-y_min+1)×Δy (3)

d＝(d_x+d_y)/2 (4)

其中，x_max表示x轴上颗粒的最大像数个数；y_max表示y轴上颗粒的最大像数个数；y_min表示y轴上颗粒的最小像数个数；x_min表示x轴上颗粒的最小像数个数；Δx为x轴上像数长度，Δy为y轴上像数长度，d_x为x轴上颗粒的尺寸大小，d_y为y轴上颗粒的尺寸大小。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种河流泥沙颗粒粒径的检测装置，其特征在于，该装置设置于待测河流中，包括相干激光光纤组件、图像传感器、连接器和计算机；其中，所述的相干激光光纤组件和图像传感器分别密封设置于连接器的两端，在相干激光光纤组件和图像传感器之间的连接器设置有用于河流流过的检测通道；图像传感器的输出端连接计算机的输入端。

2.根据权利要求1所述河流泥沙颗粒粒径的检测装置，其特征在于，所述的相干激光光纤组件输出点光源，经过泥沙颗粒形成全息图输入图像传感器。

3.根据权利要求2所述河流泥沙颗粒粒径的检测装置，其特征在于，所述的相干激光光纤组件，包括激光器、光纤准直器和光纤耦合器，光线通过激光器发射，经过光纤准直器和光纤耦合器输出光斑。

4.根据权利要求1所述河流泥沙颗粒粒径的检测装置，其特征在于，所述的计算机利用傅里叶变换法重建截面图像。

5.采用权利要求1所述河流泥沙颗粒粒径的检测装置进行的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

激光器发射光线，光线经过光纤准直器和光纤耦合器输出光斑；

利用光斑与泥沙颗粒的衍射波，获得衍射波与参考波干涉叠加形成的全息图；

利用重建图像的灰度空间分布特性，获得泥沙颗粒粒径。

6.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于，在步骤利用光斑与泥沙颗粒的衍射波，获得衍射波与参考波干涉叠加形成的全息图与步骤利用重建图像的灰度空间分布特性，获得泥沙颗粒粒径之间，还包括：

利用傅里叶变换法重建截面图像。

7.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于，在步骤利用光斑与泥沙颗粒的衍射波，获得衍射波与参考波干涉叠加形成的全息图与步骤利用重建图像的灰度空间分布特性，获得泥沙颗粒粒径之间，还包括：

设定灰度阈值，对泥沙颗粒的重建图像进行二值化处理，将颗粒从背景中识别出来。

8.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于，所述的全息图，其光强分布为：

I(x，y)＝|O(x，y)+R(x，y)|²＝O(x，y)O(x，y)^*+R(x，y)R(x，y)^*+O(x，y)R(x，y)^*+R(x，y)O(x，y)^* (1)

其中，I(x，y)表示光强分布，O(x，y)表示物光，R(x，y)表示参考光，*为共轭符号。