CN111398108A - 一种基于双光束干涉粒子成像技术测量不透明球形微颗粒粒径的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双光束干涉成像技术测量不透明球形微颗粒粒径的方法：由激光器产生的激光束经分束和布置光路后形成两束激光，并以一定的角度θ相交；当不透明球形微颗粒经过两束激光相交重叠的区域时，两束激光被不透明球形微颗粒反射形成两束反射光；使用相机在离焦位置上记录由两束反射光干涉形成的干涉图像；对干涉图像中的干涉条纹区域进行分析，得到干涉条纹的间距；结合干涉条纹的间距和系统参数，根据理论公式计算得到不透明球形微颗粒的粒径。本发明还提供了一种基于双光束干涉成像技术测量不透明球形微颗粒粒径的装置，包括光源发生单元、信号接收处理单元。本发明提供的方法和装置能够准确测量不透明球形微颗粒的粒径。
Description
技术领域
本发明属于不透明微颗粒粒径测量领域，具体涉及一种基于双光束干涉粒子成像技术测量不透明球形微颗粒粒径的方法和装置。
背景技术
固体推进剂是导弹、火箭发动机以及鱼雷的动力来源，是一类具有特定性能的含能复合材料，具备较高的质量热值和体积热值。而金属燃料普遍具有较高的燃烧热值，因此，金属及其化合物粉末被广泛地应用到固体推进剂当中，并逐渐成为固体推进剂中主要的热量来源之一，目前常用的金属燃料包括Be、B、Mg、Al和Zn等。世界各国均对金属燃料投入了大量的研究精力，对其燃烧过程、燃烧特性、燃料机理进行研究，特别是在军工飞行器推进应用方面。目前，国内外发展出了很多用于表征金属燃料燃烧过程的理论模型，对其燃烧过程中的点火特性、燃烧发展阶段、反应模式、热氧化特性、产物体系、能量释放特性等相关参数进行分析；并结合热重分析、发射光谱技术、激光点火试验、X射线衍射、火焰形貌图像分析等实验手段对金属燃料的燃烧反应和过程进行不同程度的定量分析以及定性分析。
总体来说，这些实验手段很好地对金属燃料的燃烧过程进行了表征，揭示了金属燃料的一些化学反应特性。但大体上，这些实验手段都是从化学反应的过程参数、结果参数来表征燃烧过程，例如燃烧热值、产物、光谱特性、火焰特性等。而类似于金属燃料微颗粒的粒径、形态变化这一类直观物理量也能够很好的表征出燃烧反应的演变过程。同时，由于金属燃料在燃烧过程中会经历融化、蒸发、团聚等过程，因此基于粒径参数、颗粒形态的变化，可以对燃料的反应速率、蒸发速率、燃烧表面分布、火焰中的反应区域等参数进行表征。
传统的成像方法，例如直接成像法、纹影法、阴影法等等都已经在工业生产和科学研究中被应用于颗粒测量。直接摄像法的操作过程简单，适用性强，是一种广泛使用的技术方法。直接拍摄法是指利用高速相机或者相机对燃烧场进行直接拍摄成像，这种方法能够获得金属颗粒燃烧的动态过程，能够直观地反映出金属颗粒燃烧的动态微观行为。但存在无法稳定对焦的问题，由于该种方法的观测视场通常较小，其成像景深较小，而在观测过程中难以保证金属颗粒在燃烧过程中一直位于焦平面上，因此这种方法只能捕捉少量的在焦燃烧颗粒。同时，复杂的燃烧环境往往对相机成像质量具有较大的影响。纹影法、阴影法基于被测量颗粒物体以及环境的折射率差值来对现象进行定性描述，较为适用于流场、密度场的定性表征。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于双光束干涉粒子成像技术对不透明球形微颗粒粒径进行测量的方法和装置，该方法和装置能够准确测量不透明球形微颗粒的粒径。
本发明提供如下技术方案：
一种基于双光束干涉成像技术测量不透明球形微颗粒粒径的方法，包括以下步骤：
(1)由激光器产生的激光束经分束和布置光路后形成两束激光，并以一定的角度θ相交于测量区域；当不透明球形微颗粒经过两束激光相交重叠的区域时，两束激光被不透明球形微颗粒反射形成两束反射光；
(2)使用相机在离焦位置上记录由两束反射光干涉形成的干涉图像；
(3)对步骤(2)所记录的干涉图像中的干涉条纹区域进行分析，得到干涉条纹的间距；
(4)结合干涉条纹的间距、相机成像镜头前焦面到测量点的距离L、相机成像镜头的放大倍率M、两束激光在测量区域相交的夹角θ、两束激光的散射角θS1和θS2、激光光源的波长λ、被测颗粒周围环境介质的折射率ns，根据理论公式计算得到不透明球形微颗粒的粒径。
所述步骤(1)中的角度θ可以为0°～180°中的任意角度。
两束激光被其交点沿各自传播方向分割为交点后部分、交点前部分，所述步骤(2)中的相机的位置(信号接收位置)为位于两束激光交点后部分之间的第一区域、位于第一束激光交点前部分与第二束激光交点后部分之间的第二区域、位于两束激光交点前部分之间的第三区域或位于第一束激光交点后部分与第二束激光交点前部分之间的第四区域，所对应的角度约束条件分别为：
其中，θ为两束激光的夹角；θS1、θS2分别为不透明球形微颗粒对两束激光的散射角。
所述步骤(3)中对干涉图像的分析为对干涉条纹区域的条纹频率分析，并结合相机的像元尺寸得到干涉条纹的间距。具体为对干涉条纹区域进行傅里叶条纹频率分析。
所述步骤(4)中的理论公式为：
本发明还提供了一种基于双光束干涉成像技术测量不透明球形微颗粒粒径的装置，包括光源发生单元、信号接收处理单元；
所述光源发生单元包括激光器和布置光路，用于产生两束光强相当的激光束，并通过布置光路使两束激光以一定的角度入射到测量区域中；当不透明球形微颗粒经过两束激光相交重叠的区域时，两束激光被不透明球形微颗粒反射形成两束反射光；
所述信号接收处理单元，包括用于记录由两束反射光干涉形成的干涉图像的相机、对干涉图像进行分析和计算粒径的计算机；所述相机的位置为位于两束激光交点后部分之间的第一区域、位于第一束激光交点前部分与第二束激光交点后部分之间的第二区域、位于两束激光交点前部分之间的第三区域或位于第一束激光交点后部分与第二束激光交点前部分之间的第四区域。
所述激光器的波长为320nm到800nm之间，连续式激光器的输出功率为50mW到5000mW；脉冲式激光器的脉冲能量为10μJ到200mJ，脉冲宽度为5ns以上，重复频率为1Hz到200kHz。
所述布置光路包括立方体分束镜、三角棱镜、用于调整光路的第一反射镜和第二反射镜；激光源产生的激光经立方体分束镜分为两束激光，一束激光经第一反射镜后与另一束激光经三角棱镜和第二反射镜后以一定的角度θ相交于测量区域。
优选地，所述立方体分束镜的分光比为50％:50％。
所述相机前方依次设有镜头和光阑；所述相机的像素尺寸为 2.45μm到28μm、靶面像素个数为300×300到4096×4096、曝光时间在1μs以上、帧率为1帧以上。
本发明提供的用于不透明球形微颗粒的粒径测量方法测量精度高，适用于数十至数百微米的不透明球形微颗粒，可广泛应用于科研生产、工业化应用，这对深入研究科学物理、化学等过程，优化相关的工业设备具有非凡的意义。相比于同类型光学干涉测量方法，该技术方法具有灵活度高、可实施方式多、角度范围广等特点。其后向式布置的器件集成度高，能够实现激光发射组件与信号接收组件同侧布置，开展单端测量。当测量对象位于腔内时，该技术方法仅需要单面光学窗口就可以开展测量，具有很强的环境适应性。
附图说明
图1为各个角度示意图；
图2为不透明球形微颗粒在第一区域的散射光路示意图；
图3为不透明球形微颗粒在第二区域或第四区域的散射光路示意图；
图4为不透明球形微颗粒在第三区域的散射光路示意图；
图5为实施例1提供的基于双光束干涉粒子成像技术测量不透明球形微颗粒粒径的装置的结构示意图；
图6为实施例2提供的一种基于双光束干涉粒子成像技术测量不透明球形微颗粒粒径的装置的结构示意图；
图7为实施例3提供的一种基于双光束干涉粒子成像技术测量不透明球形微颗粒粒径的装置的结构示意图；
图8为实施例中相机所接收到的典型干涉图像；
图9为实施例所得干涉图像中的条纹区域的平均灰度分布幅值图；
图10为实施例所得干涉图像中的条纹的频率；
在图1中：1、第一束入射光；2、第二束入射光；3、信号接收位置；
在图2、图3、图4中：1、第一束入射光；2、第二束入射光；3、第一束入射光的反射光束；4、第二束入射光的反射光束；5、信号接收位置；6、不透明球形微颗粒；
在图5、图6、图7中：1、激光器；2、立方体分束镜；3、三角棱镜；4、第一反射镜；5、第二反射镜；6、镜头；7、光阑；8、相机；9、第一光陷；10、第二光陷。
具体实施方式
本发明提供的基于双光束干涉成像技术测量不透明球形微颗粒粒径的方法包括以下步骤：
(1)打开激光器，发出的激光被分束镜分为两束激光束，两束激光束经由布置光路后在测量区域相交。穿过测量区域后的两束激光被光陷阻挡。
(2)当不透明球形微颗粒经过激光相交的测量区域时，两束激光会在其表面发生反射，反射光传播至布置信号接收相机靶面上，并发生干涉，通过调整传播距离与光阑控制干涉图样的大小，其干涉图像被相机所记录。
(3)对所获得的干涉图像中的干涉条纹区域进行傅里叶频谱分析，得到信号干涉条纹的频率，进一步得到条纹间距。
(4)干涉条纹的间距、相机成像镜头前焦面到测量点的距离L、相机成像镜头的放大倍率M、两束激光在测量区域相交的夹角θ、两束激光的散射角θS1和θS2、激光光源的波长λ、被测颗粒周围环境介质的折射率ns，根据理论公式计算得到不透明球形微颗粒的粒径。
所述步骤(3)中对信号图像进行傅里叶频谱分析的步骤为，取一部分干涉条纹区域图像，并求其竖直方向上灰度的平均值，然后对该均值信号进行傅里叶分析得到频率值f(1/μm)，最后结合相机的像元尺寸大小，得到条纹的间距σ(μm)：
其中，ξ为傅里叶频谱分析过程中的采样单元的像素个数，通常采用1个像素点作为傅里叶频谱分析过程中的采样单元。
所述步骤(4)中不透明微颗粒粒径的理论公式具体为：
如图2、图3及图4所示，首先对两束入射光(第一束入射光1 和第二束入射光2)被散射后相互平行的反射光(第一束入射光的反射光束3和第二束入射光的反射光束4)进行光程差分析，以与入射光和反射光垂直但与不透明球形微颗粒6表面相切的两个平面分别为入射参考面与出射参考面，且入射光在入射参考面上相位差恒定，可以得到两束反射光的相位差与颗粒直径、反射角以及其他系统参数的相互关系为：
其中，D为不透明微颗粒的粒径；λ为所使用激光光源的波长； ns为环境折射率；θS1、θS2为两束入射光在不透明微颗粒表面散射后，远场观测点处接收到的光线所对应的散射角；θ1、θ2分别为与散射角θS1、θS2所对应的反射角；θ为两束激光夹角。信号接收装置5用于记录干涉图像。
如图1所示，由于两束入射光(第一束入射光1和第二束入射光 2)在空间中交叉所形成的结构是对称的，对于图1中所定义的第一区域①、第二区域②、第三区域③和第四区域④，第二区域②与第四区域④是相似的，因此可以视为同类情况来考虑。信号接收装置3用于记录干涉图像。
当散射角θS1、θS2变化时，其微分量ΔθS1、ΔθS2之间的关系分别为：
同时，区域1、区域2和4、区域3所对应的角度约束条件分别为：
由于DθS1、ΔθS2与相应的反射角Δθ1、Δθ2微分量之间的关系为
因此，以散射角θS1为变量，对相位差关系公式(1)求取微分，得 到各个区域的相位差微分表达式：
因此，对于各个区域而言，当相位差变化2π时，角间距Θs的变化可以表示为：
当采用成像系统对信号进行接收记录时，需考虑成像系统中的成像镜头的放大倍率M，以及传播距离L，条纹间距σ可以表示为：
因此，不透明球形微颗粒的粒径与各个系统参数以及所观测到的干涉条纹的间距之间满足如下统一的关系：
在图2所示的情形中，不透明球形微颗粒的粒径与各个系统参数以及干涉条纹的间距之间的具体关系为：
在图3所示的情形中，不透明球形微颗粒的粒径与各个系统参数以及干涉条纹的间距之间的具体关系为：
在图4所示的情形中，不透明球形微颗粒的粒径与各个系统参数以及干涉条纹的间距之间的具体关系为：
本发明还提供了一种基于双光束干涉成像技术测量不透明球形微颗粒粒径的装置，如图5、图6、图7所示，包括：
光源发生单元，包括用于产生激光的连续激光源和布置光路，其中布置光路包括立方体分束镜、三角棱镜、用于调整光路的第一反射镜和第二反射镜；
信号接收处理单元，包括用于接收干涉光信号成像镜头、光阑和相机，以及后续的数据处理计算机；相机的位置为位于两束激光间的第一区域、位于第一束激光与第一束反射光间的第二区域、位于第二束激光与第二束反射光间的第三区域或位于两束反射光间的第四区域。
其中，激光器的波长为320nm到800nm之间，连续式激光器的输出功率为50mW到5000mW；脉冲式激光器的脉冲能量为10μJ到 200mJ，脉冲宽度为5ns以上，重复频率为1Hz到200kHz。激光器及其调整光路确保两束激光在测量区域相交时，所经历的光程相同，以确保两束激光的反射光相干。
其中，分光镜的分光比可以为50％:50％，用于将激发光分成能量一致的两束激发光。三角棱镜为直角棱镜。激光的夹角θ具体为10°到180°。接收干涉光信号的相机为像素尺寸2.45μm到28μm、靶面像素个数为300×300到4096×4096、曝光时间在1μs以上、帧率为1帧以上。
实施例1
如图5所示，如上述提供的基于双光束干涉成像技术测量不透明球形微颗粒粒径的装置，相机的位置为位于两束激光间的第一区域，具体实施方案包括以下步骤：
(1)由激光器1产生的激光经过立方体分束镜2后，被分为两束激光，即一束反射光与一束透射光。其中的反射光被反射后，再经过一个三角棱镜3，其光路与透射光平行。之后，两束激光分别被第一反射镜4和第二反射镜5反射，以一定的夹角θ相交于测量区域；通过旋转第一反射镜4和第二反射镜5，可以调整两束激光进入测量区域的相交角度以及所覆盖的测量区域位置。穿过测量区域后的两束激光分别被第一光陷9、第二光陷10阻挡。
(2)当不透明球形微颗粒下落并经过激光相交的区域时，两束激光会在其表面发生反射。入射光、反射光以及相机8的空间几何关系示意图如图2所示，两束入射光L1、L2在颗粒表面被反射之后，其反射光L3、L4被镜头6采集，通过光阑7调整视场大小，干涉图样传播到相机8被记录，典型的信号图像如图8所示。
(3)取信号图像中干涉条纹区域，求其竖直方向上的灰度均值，其典型的灰度均值分布如图9所示；
(4)对灰度均值进行傅里叶频谱分析，得到信号干涉条纹的频率，其典型结果如图10所示，然后进一步得到条纹间距。
(5)根据理论分析结果，在实施例1中，不透明球形微颗粒表面反射的两束激光在远场干涉的图像与各系统参数以及颗粒的粒径之间存在如下关系：
(6)结合条纹间距结果与各项系统参数，分析得到颗粒的粒径。
实施例2
如图6所示，如上述提供的基于双光束干涉成像技术测量不透明球形微颗粒粒径的装置，相机的位置为位于两束激光间的第二区域或第四区域，具体实施方案包括以下步骤：
(1)两束激光的产生方式及测量区域与实施例1相同。
(2)入射光、反射光以及相机8的空间几何关系示意图如图3 所示，两束入射光L1、L2在颗粒表面被反射之后，其反射光L3、L4被相机接收，反射光的干涉条纹被相机所记录，典型的信号图像如图 8所示。
(3)对信号图像中的干涉条纹区域求取竖直方向上灰度均值。
(4)对该灰度均值进行傅里叶频谱分析，得到干涉条纹的频率，并由条纹频率得到条纹间距。
(5)根据理论分析结果，对于实施例2，不透明微颗粒表面反射的两束光在远场干涉的图像与各系统参数以及颗粒的粒径之间存在如下关系：
(6)结合条纹间距结果与各项系统参数，分析得到颗粒的粒径。
实施例3
如图6所示，如上述提供的基于双光束干涉成像技术测量不透明球形微颗粒粒径的装置，相机的位置为位于两束激光间的第三区域，具体实施方案包括以下步骤：
(1)两束激光的产生方式及测量区域与实施例1相同。
(2)入射光、反射光以及相机8的空间几何关系示意图如图4 所示，两束入射光L1、L2在颗粒表面被反射之后，其反射光L3、L4被相机接收，反射光的干涉条纹被相机所记录，典型的信号图像如图 8所示。
(3)求取信号图像中的干涉条纹区域竖直方向上灰度平均值。
(4)对灰度平均值进行傅里叶频谱分析，得到干涉条纹的频率，由条纹频率进一步得到条纹间距。
(5)根据理论分析结果，对于实施实例3，不透明微颗粒表面反射的两束光在远场干涉的图像与各系统参数以及颗粒的粒径之间存在如下关系：
(6)结合条纹间距结果与各项系统参数，分析得到颗粒的粒径。
上述实施实例是结合本发明所述内容的详细说明，但是本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它任何在本发明专利核心指导思想下所作的改变、替换、组合简化等都包含在本发明专利的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于双光束干涉成像技术测量不透明球形微颗粒粒径的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)由激光器产生的激光束经分束和布置光路后形成两束激光，并以一定的角度θ相交于测量区域；当不透明球形微颗粒经过两束激光相交重叠的区域时，两束激光被不透明球形微颗粒反射形成两束反射光；
(2)使用相机在离焦位置上记录由两束反射光干涉形成的干涉图像；
(3)对步骤(2)所记录的干涉图像中的干涉条纹区域进行分析，得到干涉条纹的间距；
(4)结合干涉条纹的间距、相机成像镜头前焦面到测量点的距离L、相机成像镜头的放大倍率M、两束激光在测量区域相交的夹角θ、两束激光的散射角θS1和θS2、激光光源的波长λ、被测颗粒周围环境介质的折射率ns，根据理论公式计算得到不透明球形微颗粒的粒径。
2.根据权利要求1所述的基于双光束干涉成像技术测量不透明球形微颗粒粒径的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的角度θ可以为0°～180°中的任意角度。
3.根据权利要求1所述的基于双光束干涉成像技术测量不透明球形微颗粒粒径的方法，其特征在于，两束激光被其交点沿各自传播方向分割为交点后部分、交点前部分，所述步骤(2)中的相机的位置为位于两束激光交点后部分之间的第一区域、位于第一束激光交点前部分与第二束激光交点后部分之间的第二区域、位于两束激光交点前部分之间的第三区域或位于第一束激光交点后部分与第二束激光交点前部分之间的第四区域，所对应的角度约束条件分别为：
其中，θ为两束激光的夹角；θS1、θS2分别为不透明球形微颗粒对两束激光的散射角。
4.根据权利要求1所述的基于双光束干涉成像技术测量不透明球形微颗粒粒径的方法，其特征在于，所述步骤(3)中对干涉图像的分析为对干涉条纹区域的条纹频率分析，并结合相机的像元尺寸得到干涉条纹的间距。
5.根据权利要求3所述的基于双光束干涉成像技术测量不透明球形微颗粒粒径的方法，其特征在于，所述步骤(4)中的理论公式为：
6.一种基于双光束干涉成像技术测量不透明球形微颗粒粒径的装置，其特征在于，包括光源发生单元、信号接收处理单元；
所述光源发生单元包括激光器和布置光路，用于产生两束光强相当的激光束，并通过布置光路使两束激光以一定的角度入射到测量区域中；当不透明球形微颗粒经过两束激光相交重叠的区域时，两束激光被不透明球形微颗粒反射形成两束反射光；
所述信号接收处理单元，包括用于记录由两束反射光干涉形成的干涉图像的相机、对干涉图像进行分析和计算粒径的计算机；所述相机的位置为位于两束激光交点后部分之间的第一区域、位于第一束激光交点前部分与第二束激光交点后部分之间的第二区域、位于两束激光交点前部分之间的第三区域或位于第一束激光交点后部分与第二束激光交点前部分之间的第四区域。
7.根据权利要求6所述的基于双光束干涉成像技术测量不透明球形微颗粒粒径的装置，其特征在于，所述激光器的波长为320nm到800nm之间，连续式激光器的输出功率为50mW到5000mW；脉冲式激光器的脉冲能量为10μJ到200mJ，脉冲宽度为5ns以上，重复频率为1Hz到200kHz。
8.根据权利要求6所述的基于双光束干涉成像技术测量不透明球形微颗粒粒径的装置，其特征在于，所述布置光路包括立方体分束镜、三角棱镜、用于调整光路的第一反射镜和第二反射镜；激光源产生的激光经立方体分束镜分为两束激光，一束激光经第一反射镜后与另一束激光经三角棱镜和第二反射镜后以一定的角度θ相交于测量区域。
9.根据权利要求8所述的基于双光束干涉成像技术测量不透明球形微颗粒粒径的装置，其特征在于，所述立方体分束镜的分光比为50％:50％。
10.根据权利要求6所述的基于双光束干涉成像技术测量不透明球形微颗粒粒径的装置，其特征在于，所述相机前方依次设有镜头和光阑；所述相机的像素尺寸为2.45μm到28μm、靶面像素个数为300×300到4096×4096、曝光时间在1μs以上、帧率为1帧以上。
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