CN111610173B - 三维流体浓度场标定装置及标定方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种三维流体浓度场标定装置及标定方法。三维流体浓度场标定装置通过在标定箱体中设置两个第一隔板和至少两个第二隔板，可以将标定箱体包围形成的容纳腔划分为第一层腔体、第二层腔体和第三层腔体，同时将第二层腔体划分为至少三个子腔体。在实际测量过程中，标定装置外的液体通过进液孔进入第一层腔体、第二层腔体、第三层腔体和子腔体内，且第一层腔体、第二层腔体、第三层腔体和子腔体内用于配置预设浓度的荧光物溶液，平面激光沿标定装置的第一层腔体、第二层腔体和第三层腔体分布方向进行扫描，即可获取标定装置不同位置的多帧荧光扫描图像，根据扫描图像即可得到三维流体浓度场的标定系数，完成标定过程，提高3DLIF设备的测量精度。
Description
技术领域
本申请涉及流动测量技术领域，特别是涉及一种三维流体浓度场标定装置及标定方法。
背景技术
在三维激光诱导荧光（3D Laser Induced Fluorescence，3DLIF）测量中，通常需要进行现场标定和校正，以将图像灰度分布准确反演为真实三维浓度场。
在传统的平面激光诱导荧光（Planar Laser Induced Fluorescence，PLIF）标定方法中，通常构建不同浓度的均匀浓度场进行测量，提取图像灰度并构建其与浓度的相关关系，从而实现对片光源沿程衰减的校正。但是，PLIF标定方法无法实现3DLIF测量过程中的标定。
发明内容
基于此，有必要针对PLIF标定方法无法实现3DLIF测量过程中的标定的问题，提供一种三维流体浓度场标定装置及标定方法。
本申请提供一种三维流体浓度场标定装置，包括：
标定箱体，包围形成一个容纳腔；
两个第一隔板，设置于所述容纳腔内，用于将所述容纳腔沿所述标定箱体的长度或宽度方向，划分为第一层腔体、第二层腔体和第三层腔体；
至少两个第二隔板，设置于所述第二层腔体内，用于将所述第二层腔体沿垂直于所述第一层腔体、所述第二层腔体、所述第三层腔体分布方向划分为至少三个子腔体；以及
所述标定箱体开设有进液孔，所述标定箱体外的液体经所述进液孔进入所述第一层腔体、所述第二层腔体、所述第三层腔体和所述子腔体内，所述第一层腔体、所述第二层腔体、所述第三层腔体和所述子腔体用于配置预设浓度的荧光物溶液，其中所述标定箱体、所述第一隔板和所述第二隔板采用透光材料制成。
在其中一个实施例中，所述第一层腔体和所述第三层腔体的体积相同，且所述第一层腔体和所述第三层腔体沿所述第一层腔体、所述第二层腔体、所述第三层腔体分布方向的长度相同。
在其中一个实施例中，至少三个所述子腔体的体积相同，且至少三个所述子腔体沿垂直于所述第一层腔体、所述第二层腔体和所述第三层腔体分布方向的长度相同。
基于同一发明构思，本申请还提供一种三维流体浓度场标定方法，包括：
安装标定装置并打开所述标定装置的进液孔直至所述标定装置的内部液面与外部液面平齐；
调整所述标定装置和探测装置的位置，以使入射的平面激光垂直于所述标定装置中第一层腔体、第二层腔体和第三层腔体的分布方向，并沿所述标定装置的高度方向入射所述标定装置，所述探测装置的探测平面垂直于所述第一层腔体、所述第二层腔体和所述第三层腔体的分布方向；
根据所述标定装置中各腔体荧光物溶液的预设浓度，配置所述标定装置中各腔体的荧光物溶液并搅拌均匀；
采用所述平面激光沿所述第一层腔体、所述第二层腔体和所述第三层腔体的分布方向进行扫描，并在扫描同时采用所述探测装置获取多帧扫描图像，其中所述平面激光与所述探测装置同步运动；
根据所述多帧扫描图像，确定三维流体浓度场标定系数并进行标定。
基于同一发明构思，本申请还提供一种三维流体浓度场标定方法，包括：
根据标定装置的多帧扫描图像，确定所述标定装置中第一层腔体、第二层腔体和第三层腔体的位置；
根据所述第二层腔体的扫描图像，确定所述第二层腔体中至少三个子腔体的位置；
根据至少三个所述子腔体的位置处的平均灰度值和对应的荧光物溶液的预设浓度，确定第一标定系数和第二标定系数，所述第一标定系数为荧光浓度与图像灰度的比值，所述第二标定系数为所述图像灰度的起始阈值；
根据至少三个所述子腔体中所述荧光物溶液的预设浓度最大的所述子腔体的位置处的图像灰度，确定第三标定系数，所述第三标定系数为激光沿程衰减特性；
根据所述第一层腔体的扫描图像和所述第三层腔体的扫描图像，确定第四标定系数和第五标定系数，所述第四标定系数为荧光物溶液的荧光吸收特性，所述第五标定系数为水中的荧光衰减特性；
根据所述第一标定系数、所述第二标定系数、所述第三标定系数、所述第四标定系数和所述第五标定系数将测量过程中的扫描图像转化为浓度分布，以实现对三维流体浓度场进行标定。
在其中一个实施例中，还包括：
在根据所述第二层腔体的扫描图像，确定所述第二层腔体中至少三个子腔体的位置之后，根据所述第一层腔体的扫描图像和所述第二层腔体的扫描图像，调整探测装置的姿态、移动方向和移动速度；
根据所述第一层腔体的扫描图像，对所述标定装置的多帧扫描图像进行校正。
在其中一个实施例中，根据所述第一层腔体的扫描图像和所述第二层腔体的扫描图像，调整所述探测装置的姿态、移动方向和移动速度，包括：
对所述第一层腔体的扫描图像进行边缘识别，提取所述第一层腔体的扫描图像的有效区域；
根据所述探测装置的像素间距和所述标定装置的尺寸，计算扫描图像比例尺；
根据所述有效区域和所述扫描图像比例尺，调整所述探测装置的姿态；
对多个所述第二层腔体的扫描图像进行卷积互相关处理，得到比例尺变化量和图像漂移量；
根据所述比例尺变化量和所述图像漂移量，调整所述探测装置的移动方向和移动速度，以实现对所述探测装置获取的扫描图像偏移方向和偏移速度的调整。
在其中一个实施例中，所述根据所述第一层腔体的扫描图像，对所述标定装置的多帧扫描图像进行校正，包括：
根据所述第一层腔体的扫描图像，确定无量纲灰度值分布函数；
采用所述无量纲灰度值分布函数对所述标定装置的多帧扫描图像进行校正。
在其中一个实施例中，所述根据至少三个所述子腔体的位置处的平均灰度值和对应的荧光物溶液的预设浓度，确定第一标定系数和第二标定系数，包括：
对至少三个所述子腔体的位置处的平均灰度值和对应的所述荧光物溶液的预设
浓度进行拟合，拟合形式为
，其中
为所述子腔体的位置处的平均灰度值，
为所
述荧光物溶液的预设浓度，
为所述第一标定系数，
为所述第二标定系数。
在其中一个实施例中，所述根据至少三个所述子腔体中所述荧光物溶液的预设浓度最大的所述子腔体的位置处的图像灰度，确定第三标定系数，包括：
对所述荧光物溶液的预设浓度最高的所述子腔体的位置处的每一行的平均灰度
值进行拟合，拟合形式为
，则所述第三标定系数为
，
为所述荧光物
溶液的预设浓度的最大值。
在其中一个实施例中，所述根据所述第一层腔体的扫描图像和所述第三层腔体的扫描图像确定第四标定系数和第五标定系数，包括：
将所述第一层腔体的扫描图像划分为多个第一区域，将所述第三层腔体的扫描图像划分为多个第二区域，所述第一区域和所述第二区域一一对应，且所述第一区域和所述第二区域的数量和位置与所述子腔体的数量和位置相同；
计算每个所述第一区域的平均灰度值和对应的所述第二区域的平均灰度值的比值，并根据所述比值确定所述第四标定系数和所述第五标定系数。
在其中一个实施例中，所述计算每个所述第一区域的平均灰度值和对应的所述第二区域的平均灰度值的比值，并根据所述比值确定所述第四标定系数和所述第五标定系数，包括：
对所述第一区域的平均灰度值和所述第二区域的平均灰度值的比值进行拟合，拟
合形式为 
，其中
为所述第一区域的平均灰度值和对应的所述第二区域的平
均灰度值的比值，
为所述荧光物溶液的预设浓度，所述第四标定系数为
，其中
为所
述第二层腔体沿所述第一层腔体、所述第二层腔体、所述第三层腔体分布方向的长度，所述
第五标定系数为
，其中
为所述第一区域和所述第二区域的间距。
本申请提供的三维流体浓度场标定装置，通过在标定箱体中设置两个第一隔板和至少两个第二隔板，可以将标定箱体包围形成的容纳腔划分为第一层腔体、第二层腔体和第三层腔体，同时将第二层腔体划分为至少三个子腔体。在实际测量过程中，标定装置外的待测水体可以通过进液孔进入第一层腔体、第二层腔体、第三层腔体和子腔体内，第一层腔体、第二层腔体、第三层腔体和子腔体内可以用于配置预设浓度的荧光物溶液，平面激光沿标定装置的第一层腔体、第二层腔体和第三层腔体分布方向进行扫描，即可获取标定装置不同位置的多帧荧光扫描图像，根据扫描图像即可得到三维流体浓度场的标定系数，从而完成三维流体浓度场的标定，提高3DLIF设备的测量精度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统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申请的一些实施例，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获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种三维流体浓度场标定装置三维结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种三维流体浓度场标定系统结构示意图；
图3为本申请实施例提供的一种三维流体浓度场标定方法流程图；
图4为本申请实施例提供的一种三维流体浓度场标定方法流程及结果图；
图5为本申请实施例提供的另一种三维流体浓度场标定方法流程图；
图6为本申请实施例提供的一种三维流体浓度场标定装置俯视结构及各腔体浓度示意图；
图7为本申请实施例提供的一种三维流体浓度场标定方法第二层腔体宽度和两特征截面间距示意图。
附图标号说明
100 标定装置
10 标定箱体
110 容纳腔
111 第一层腔体
112 第二层腔体
113 第三层腔体
114 子腔体
120 进液孔
20 第一隔板
30 第二隔板
200 探测装置
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
激光诱导荧光（Laser Induced Fluorescence，LIF）测量中，单一流体微元发出的
荧光强度满足
。其中，
为照射入此区域的激光光强，
为荧光物吸光系数，
为
荧光物量子产率，
为该区域荧光物浓度，
为该流体微元体积。根据浓度场测量原理，
和
是相对恒定的系数，流体微元发出的荧光强度
与激光光强
呈正比，此时若
保持恒定，
则测量得到的荧光强度
即可反应流体的浓度
，即激光光强
的变化幅度会影响到荧光
强度
的测量精度。因此，为了获得某一截面内的荧光强度的准确信息，需要采用激光片光
源进行荧光激发，同时，激光片光源的光强强度越大，荧光强度
越大，系统的灵敏度越高。
可以理解，LIF技术需要进行现场标定。若没有现场标定过程，LIF技术只能进行定性测量，测得的三维浓度场仅为相对值，且误差较大。而现场标定可以获取实测过程中的水质影响和光源状态，从而在对浓度场进行定量测量时保证较高的测量精度。需要说明的是，本申请所称标定是指将扫描图像的灰度信息转换成浓度信息，同时通过特定算法修正测量过程中存在的误差，以提高三维浓度场的测量精度。因此，现场标定可以获取表征不同物理性质的多个标定参数和实测条件下的激光光强分布，而标定参数和激光光强分布可以用于扫描图像的数据处理过程，从而将实测中所获得的扫描图像序列准确地转变为三维浓度场。
请参见图1，本申请提供一种三维流体浓度场标定装置100。标定装置100包括标定箱体10、两个第一隔板20和至少两个第二隔板30。标定箱体10包围形成一个容纳腔110。两个第一隔板20设置于容纳腔110内，用于将容纳腔110沿标定箱体10的长度或宽度方向，划分为第一层腔体111、第二层腔体112和第三层腔体113。至少两个第二隔板30设置于第二层腔体112内，用于将第二层腔体112沿垂直于第一层腔体111、第二层腔体112、第三层腔体113分布方向划分为至少三个子腔体114。标定箱体10开设有进液孔120，标定箱体10外的液体经进液孔120进入第一层腔体111、第二层腔体112、第三层腔体113和子腔体114内，所述第一层腔体111、所述第二层腔体112、所述第三层腔体113和所述子腔体114用于配置预设浓度的荧光物溶液，其中标定箱体10、第一隔板20和第二隔板30采用透光材料制成。
可以理解，本申请提供标定装置100可以在进行3DLIF测量之前，准确的获得三维浓度场受现场测量条件影响的情况，如设备安装误差、待测水质对荧光吸光系数和量子产率影响、水体对荧光吸收效果以及激光分布等情况。在本实施例中，标定箱体10可以为无盖的方形壳体，即方形壳体仅包括四个侧壁和一个底壁，标定箱体10包围形成的容纳腔110内部安装有第一隔板20和第二隔板30，其中标定箱体10、第一隔板20和第二隔板30均可以采用高透亚克力材料制成，或者也可以采用其它透光率超过98%的材料制成。可以理解，高透亚克力材料和透光率超过98%的材料有利于平面激光的入射和荧光扫描哦图像的获取，从而提高利用标定装置100得到的标定系数的准确度。
可以理解，第一隔板20可以将标定箱体10包围形成的容纳腔110分割为三层，即第一层腔体111、第二层腔体112和第三层腔体113。在本实施例中，第一隔板20可以平行于标定箱体10的正面且与标定箱体10的正面面积相同，其中标定箱体10的正面可以为方形壳体的长高所在的一个平面。在其中一个实施例中，第一层腔体111和第三层腔体113的体积相同，且第一层腔体111和第三层腔体113沿第一层腔体111、第二层腔体112、第三层腔体113分布方向的长度相同。可以理解，第一层腔体111和第三层腔体113的体积相同，可以便于使用标定装置100时荧光物母液的计算，第一层腔体111和第三层腔体113沿第一层腔体111、第二层腔体112、第三层腔体113分布方向（方形壳体的长度或宽度方向）的长度相同，可以无需区分第一层腔体111和第三层腔体113所在位置，从而提高标定装置100放置时的灵活性。
可以理解，第二隔板30可以将第二层腔体112分割为至少三个子腔体114。第二隔板30可以平行与第二层腔体112的侧面，且与第二层腔体112的侧面面积相同，其中第二层腔体112的侧面可以位于标定箱体10（方形壳体）宽高所在平面。在其中一个实施例中，至少三个子腔体114的体积相同，且至少三个子腔体114沿垂直于第一层腔体111、第二层腔体112和第三层腔体113分布方向的长度相同。可以理解，至少三个子腔体114的体积相同，且在沿垂直于第一层腔体111、第二层腔体112和第三层腔体113分布方向的长度相同，可以简化荧光物母液的计算过程和后续图像处理过程，即简化标定装置100的使用流程，扩大标定装置100的适用范围。当然，至少三个子腔体114的体积以及沿垂直于第一层腔体111、第二层腔体112和第三层腔体113分布方向的长度也可以不同，本申请对此不进行具体限定。在其中一个实施例中，第二层腔体112可以包括五个子腔体114，五个子腔体114沿垂直于第一层腔体111、第二层腔体112和第三层腔体113分布方向的长度相同。
可以理解，第一层腔体111、第二层腔体112、第三层腔体113和子腔体114用于配置预设浓度的荧光物溶液。本申请不对第一层腔体111、第二层腔体112、第三层腔体113和子腔体114的荧光物溶液的浓度进行限定，只要其可以满足标定参数测量需求即可。在其中一个实施例中，可以在第一层腔体111和第三层腔体113中配置相同浓度的荧光物溶液，同时可以在第二层腔体112中各子腔体114中配置不同浓度的荧光物溶液，需要说明的是，第二层腔体112中各子腔体114中的荧光物溶液不能完全相同，具体需要根据子腔体114的数量以及后续图像处理方法进行设定。
另外，标定箱体10的侧壁和第二层腔体112中的第二隔板30均开设有进液孔120，同时还可以配置有与进液孔120相匹配的塞子。在其中一个实施例中，与进液孔120匹配的塞子可以为橡胶塞，进液孔120需要确保标定装置100外的待测水体可以进入标定装置100的每个腔体。标定装置100的底壁的四角开设有多个安装孔，安装孔可以为贯穿螺孔，可以用于固定标定装置100，避免在标定系数测定过程中标定装置100发生移动，提高标定装置100测量的准确性。可以理解，本申请对标定装置100的尺寸不作具体限定，可以根据3DLIF测量设备的测量范围和待测区域安装条件进行实际选择。
本申请提供的三维流体浓度场标定装置100，通过在标定箱体10中设置两个第一隔板20和至少两个第二隔板30，可以将标定箱体10包围形成的容纳腔110划分为第一层腔体111、第二层腔体112和第三层腔体113，同时将第二层腔体112划分为至少三个子腔体114。在实际测量过程中，标定装置100外的待测水体可以通过进液孔120进入第一层腔体111、第二层腔体112、第三层腔体113和子腔体114内，且第一层腔体111、第二层腔体112、第三层腔体113和子腔体114内用于配置预设浓度的荧光物溶液，平面激光沿标定装置100的第一层腔体111、第二层腔体112和第三层腔体113分布方向进行扫描，即可获取标定装置100不同位置的多帧荧光扫描图像，根据扫描图像即可得到三维流体浓度场的标定系数，从而完成三维流体浓度场的标定，提高3DLIF设备的测量精度。
请一并参见图2-图4，基于同一发明构思，本申请还提供一种三维流体浓度场标定方法，包括：
步骤S10，安装标定装置100并打开标定装置100的进液孔120直至标定装置100的内部液面与外部液面平齐；
步骤S20，调整标定装置100和探测装置200的位置，以使入射的平面激光垂直于标定装置100中第一层腔体111、第二层腔体112和第三层腔体113的分布方向，并沿标定装置100的高度方向入射标定装置100，探测装置200的探测平面垂直于第一层腔体111、第二层腔体112和第三层腔体113的分布方向；
步骤S30，根据标定装置100中各腔体荧光物溶液的预设浓度，配置标定装置100中各腔体的荧光物溶液并搅拌均匀；
步骤S40，采用平面激光沿第一层腔体111、第二层腔体112和第三层腔体113的分布方向进行扫描，并在扫描同时采用探测装置200获取多帧扫描图像，其中平面激光与探测装置200同步运动；
步骤S50，根据多帧扫描图像，确定三维流体浓度场标定系数并进行标定。
在本实施例中，采用3DLIF设备对水槽中水体浓度场进行测量，并采用标定装置100在浓度场测量之前进行标定。在步骤S10中，需要针对不同的待测水体现场安装标定装置100，即打开标定装置100的进液孔120后将标定装置100放入待测水体所在水槽中。根据连通器原理，标定装置100内液面会逐渐提升至测量水位，在标定装置100内外液面平齐后可以堵塞进液孔120。在上述过成功中，可以保证水体标定区域与待测水体区域完全重合，即内外液面图像重合，从而排除多重水体自由液面反射光对扫描图像产生的干扰，提高三维流体浓度场标定方法的标定精度。
在步骤S20中，调整标定装置100和探测装置200的位置，可以使标定装置100的正面与入射的平面激光平行，同时平面激光可以从标定装置100的底壁沿高度方向入射，其中标定装置100的正面可以为标定箱体10的长高所在的平面。同时，标定装置100的正面正对探测装置200的探测平面（或拍摄镜头），此时标定区域与待测水体区域完全重合。在本实施例中，根据上述标定装置100和探测装置200的同步扫描获得多帧标定装置100的扫描图像，可以提取三维流体浓度场的标定系数，完成三维流体浓度场的标定。
在步骤S30中，可以首先预估开展浓度场测量实验时被测区域可能出现的最大浓度，例如0.02ppm。测量标定装置100内的水深，并根据标定装置100各腔体的尺寸计算标定装置100中的液体的体积。根据预估的最大浓度和荧光母液浓度计算标定装置100的各腔体所需要使用的荧光母液的体积，在各腔体中加入对应的荧光母液后搅拌均匀即可完成标定装置100中各腔体荧光物溶液的配置。
在步骤S40中，启动3DLIF测量设备，3DLIF测量设备可以出射平面激光，并使平面激光沿第一层腔体111、第二层腔体112和第三层腔体113的分布方向进行扫描。出射平面激光可以进行多次（或单次）往复扫描，探测装置200相对于平面激光同步运动可以获取标定装置100的不同平面荧光图像，即多帧扫描图像。需要说明的，上述扫描过程中需保证探测装置200（相机）、反射镜以及补偿镜等器件也以固定速度进行同步运动，从而可以排除扫描图像中激光光程和拍摄距离变化带来的影响，提高三维流体浓度场标定方法的标定精度。
在步骤S50中，通过对标定装置100的多帧扫描图像进行图像处理，可以确定三维流体浓度场的多个标定系数，根据标定系数进行三维流体浓度场进行标定，可以提高三维流体浓度场的测量精度。在其中一个实施例中，可以将测得的多个标定系数输出为特定格式的现场标定文件，并加载至计算机软件中，以供实际测量使用。
在其中一个实施例中，待测水体所在的水槽的方形截面可以为0.4m（宽）×0.6（高）m，实验段长度为1.5m，实验水位为0.45m，其中实验段为循环水槽中可以进行光学测量的部分。在本实施例中，3DLIF设备测量区域为实验段中0.5m长的区域。为了与测量区域进行匹配，标定装置100可以采用5mm壁厚高透明亚克力制作，容纳腔110的内腔为0.5m（高）×0.5m（长）×0.3m（宽），第一层腔体111和第三层腔体113的宽度可以均为50mm，第二层腔体112的宽度可以为200mm，第二层腔体112内腔分五层子腔体114，每个子腔体114的长度为0.1m。
可以理解，由于实验水位为0.45m，标定装置100内的水深可以为0.4m左右，同时标定装置100的内外液面齐平。这是由于标定装置100需要放置在水槽底板上，而标定装置100的底部有一定厚度，通过调节标定装置100的四个安装孔上的调节螺钉，可以使标定装置100底部的下表面与水槽底部的上表面存在一段空隙，故当标定装置100与水槽液面齐平时，标定装置100的水深会略低于水槽水深。可以理解，标定装置100与水槽底面留有空隙是为了便于探入铁丝刮走附着于标定装置底面的气泡，以保证测得的标定系数的准确性。另外，四个调节螺钉可以调整标定装置100以使标定装置100保持水平。标定装置100的内外液面齐平后，可以采用橡胶塞堵塞进液孔120，以保证标定装置100内各腔体之间没有液体交换。
在本实施例中，可以采用罗丹明6G作为荧光物，其特征浓度c m =0.02ppm。同时，本实施例采用的罗丹明6G母液的浓度可以为1000ppm。因此，可以计算得到需要向第一层腔体111和第三层腔体113中加入的罗丹明6G母液为0.2ml，需要向第二层腔体112中的五个子腔体114依次加入的罗丹明6G母液为0.064ml、0.16ml、0ml、0.128ml、0.096ml并搅拌均匀。
采用本申请提供的三维流体浓度场标定方法，并结合3DLIF设备对测量区域进行一次扫描和拍摄，即可获得一组荧光扫描图像。对扫描图像进行处理，即可获得无量纲激光功率线密度分布和五个标定系数，从而在浓度场测量前实现对浓度场的准确标定，提高三维流体浓度场测量的准确性。
请一并参见图4-图5，基于同一发明构思，本申请还提供一种三维流体浓度场标定方法，包括：
步骤S10，根据标定装置100的多帧扫描图像，确定标定装置100中第一层腔体111、第二层腔体112和第三层腔体113的位置；
步骤S20，根据第二层腔体112的扫描图像，确定第二层腔体112中至少三个子腔体114的位置；
步骤S30，根据至少三个子腔体114的位置处的平均灰度值和对应的荧光物溶液的预设浓度，确定第一标定系数和第二标定系数，第一标定系数为荧光浓度与图像灰度的比值，第二标定系数为图像灰度的起始阈值；
步骤S40，根据至少三个子腔体114中荧光物溶液的预设浓度最大的子腔体114的位置处的图像灰度，确定第三标定系数，第三标定系数为激光沿程衰减特性；
步骤S50，根据第一层腔体111的扫描图像和第三层腔体113的扫描图像，确定第四标定系数和第五标定系数，第四标定系数为荧光物溶液的荧光吸收特性，第五标定系数为水中的荧光衰减特性；
步骤S60，根据第一标定系数、第二标定系数、第三标定系数、第四标定系数和第五标定系数将测量过程中的扫描图像转化为浓度分布，以实现对三维流体浓度场进行标定。其中，测量过程中的扫描图像为完成标定过程，获得五个标定系数后，去掉标定装置100进行三维流体浓度场的标定过程中获得的扫描图像。
在步骤S10中，可以根据标定装置100的多帧扫描图像进行图像Z向定位。首先，可以根据平面激光与探测装置200的镜头距离，由近及远对多帧扫描图像进行排序并编号。根据扫描图像的灰度均值，可以确定平面激光经过标定装置100中第一层腔体111、第二层腔体112和第三层腔体113各自的位置。在其中一个实施例中，探测装置200的采集速度可以500fps，平面激光的扫描速度可以为1m/s，此时扫描过程单程可以获得500张扫描图像。对500张扫描图像的整体灰度进行提取，并计算各扫描图像的平均灰度。随后，通过计算相邻两张扫描图像平均灰度值的差值，可以得到扫描图像的灰度变化曲线。
在本实施例中，以初始帧在Z方向的位置为坐标原点，可以得到探测装置200的不同位置的扫描图像。可以理解，若标定过程采集了多组扫描图像，可以对同一空间位置的所有扫描图像进行均值处理。请一并参见图4，根据不同位置的平均灰度值可知，平面激光经过标定装置100时扫描图像的平均灰度值呈现显著的三个阶段变化，即可以反应出标定装置100的第一层腔体111、第二层腔体112和第三层腔体113的结构，可以参见图4中的平均灰度曲线。可以理解，由于平面激光在从一层腔体进入另一层腔体时需要经过第一隔板20，故在相邻两层腔体之间存在一个显著的平均灰度值下降。通过计算多帧扫描图像中，相邻的前后两帧扫描图像平均灰度值的差值，可以获得平均灰度值差值变化曲线，可以参见图4中灰度变化曲线。在图4的灰度变化曲线中依次找到四个极值点，即可获得第一层腔体111、第二层腔体112和第三层腔体113的准确位置。
在步骤S20中，请一并参见图4的截面2，在确定第一层腔体111、第二层腔体112和第三层腔体113的准确位置后，选取第二层腔体112的扫描图像，可以得到截面2。根据截面2的灰度值，即可确定第二层腔体112中至少三个子腔体114的位置，从而为后续步骤中的图像处理奠定基础。
在步骤S30中，根据至少三个子腔体114的位置处的平均灰度值和对应的荧光物溶
液的预设浓度测量浓度灰度关系。由于待测水体中含有多种杂质或微量化学组分，会导致
荧光物的吸光系数和量子产率与纯净水中的测量值存在差异，故需进行现场标定以获取待
测水体中真实的吸光系数和量子产率。在其中一个实施例中，根据至少三个子腔体114的位
置处的平均灰度值和对应的荧光物溶液的预设浓度，确定第一标定系数和第二标定系数，
包括：对至少三个子腔体114的位置处的平均灰度值和对应的荧光物溶液的预设浓度进行
拟合，拟合形式为
，其中
为子腔体114的位置处的平均灰度值，
为荧光物溶液
的预设浓度，
为第一标定系数，
为第二标定系数。
在本实施例中，可以根据第二层腔体112的扫描图像序列，获得荧光浓度与图像灰
度的比值以及图像灰度的起始阈值，即荧光浓度与灰度图像的关系。首先，计算第二层腔体
112的多帧扫描图像序列的平均灰度值可以获得第二层腔体112的均值图像，结合标定箱体
10的实际空间尺寸，可以将均值图像划分为五个分区（第二层腔体112被第二隔板30划分为
五个子腔体114）。在本实施例中，可以提取五个分区底部区域（不少于一百行）所有像素，并
计算其平均灰度值，可以获得五个腔体对应的平均灰度G1~G5。结合已知的五个腔体浓度c1 ~c5，利用最小二乘法进行线性拟合，拟合形式为
，即可获得第一标定系数C1=a和
第二标定系数C2=b，其中C1和C2反映了荧光浓度和实际采集图像灰度的关系。请一并参见
图6，在其中一个实施例中，第二层腔体112内的设计浓度比例可以为0.6：0.8：0：1：0.4，该
浓度比例可以根据实际需要进行改变，同时完成线性拟合后不会影响标定结果。
在步骤S40中，可以根据至少三个子腔体114中荧光物溶液的预设浓度最大的子腔
体114的位置处的图像灰度，计算激光沿程衰减。可以理解，采用至少三个子腔体114中荧光
物溶液的预设浓度最大的子腔体114的位置处的图像灰度计算激光沿程衰减，可以提高激
光沿程衰减的准确性。在其中一个实施例中，根据至少三个子腔体114中荧光物溶液的预设浓
度最大的子腔体114的位置处的图像灰度，确定第三标定系数，包括：对荧光物溶液的预设浓度
最高的子腔体114的位置处的每一行的平均灰度值进行拟合，拟合形式为
，则
第三标定系数为
，
为荧光物溶液的预设浓度的最大值。在本实施例中，通过对荧
光物溶液的预设浓度最高的子腔体114的位置处的每一行的灰度值取均值，可以获得激光
传播路径上灰度均值，并以指数函数进行拟合，可以得到
。根据拟合结果，第
三标定系数可以为
，其反应了荧光吸收导致激光沿程衰减的特性。在本实施例中，平
面激光可以沿列像素的方向进行传播，即每一行像素对应的激光光程相同，对每一行取均
值获得的是同光程条件下荧光光强（反推激光光强），进而获得激光光强信号与光程（x与传
入标定装置前光程之和）的曲线关系，即可拟合得到获得激光光强沿光程衰减的一般性规
律。
可以理解，荧光在传播至探测装置200的过程中，会由于水体吸收、水体中微量杂质散射以及荧光物吸收发生衰减。请一并参见图7，在步骤S50中，根据第一层腔体111的扫描图像和第三层腔体113的扫描图像可以测量荧光沿程衰减。在其中一个实施例中，根据第一层腔体111的扫描图像和第三层腔体113的扫描图像确定第四标定系数和第五标定系数，包括：将第一层腔体111的扫描图像划分为多个第一区域，将第三层腔体113的扫描图像划分为多个第二区域，第一区域和第二区域一一对应，且第一区域和第二区域的数量和位置与子腔体114的数量和位置相同；计算每个第一区域的平均灰度值和对应的第二区域的平均灰度值的比值，并根据比值确定第四标定系数和第五标定系数。
在其中一个实施例中，计算每个第一区域的平均灰度值和对应的第二区域的平均
灰度值的比值，并根据比值确定第四标定系数和第五标定系数，包括：对第一区域的平均灰
度值和第二区域的平均灰度值的比值进行拟合，拟合形式为
，其中
为第一区
域的平均灰度值和对应的第二区域的平均灰度值的比值，
为荧光物溶液的预设浓度，第四
标定系数为
，其中为第二层腔体112沿第一层腔体111、第二层腔体112、第三层腔体113
分布方向的长度，第五标定系数为
，其中
为第一区域和第二区域的间距。
可以理解，由于第一层腔体111与第三层腔体113中的荧光物浓度一致，若荧光在传播过程中无衰减，则截面1和截面3扫描图像的灰度分布一致。在现场标定时，与截面1所发出的荧光相比，截面3的荧光在传播过程中增加了距离为s的水体传播距离，同时特定五个区域穿过了第二层腔体112浓度不同的区域，衰减程度与浓度呈线性关系。因此，通过提取截面3相对截面1的五个区域的图像灰度下降程度并进行线性拟合，即可获得荧光在水中传播的衰减速度和与浓度相关的荧光物二次激发带来的衰减特性。
在本实施例中，提取截面1和截面3中与第二层腔体112五个子腔体114对应位置的
五个区域，分别计算其灰度平均值。其中，截面1（距离相机镜头更近）的五个区域灰度均值
分别为A1~A5，截面3的五个区域灰度均值分别为B1~B5。根据两截面的对应区域的比值可得
序列K i ，K i =B i /A i ，i=1~5。对序列K i 和c i 进行线性拟合，拟合形式为
，可以得到第
四标定系数C4=
和第五标定系数C5=
，其中d 2 为第二层腔体112宽度（参见图7标
注），s为截面1和截面3间距，即两特征截面间距（参加图7标注）。C4和C5反映了荧光传播过
程中荧光物和水散射和吸收的影响。
在其中一个实施例中，三维流体浓度场标定方法还包括：在根据第二层腔体112的扫描图像，确定第二层腔体112中至少三个子腔体114的位置之后，根据第一层腔体111的扫描图像和第二层腔体112的扫描图像，调整探测装置200的姿态、移动方向和移动速度；根据第一层腔体111的扫描图像，对标定装置100的多帧扫描图像进行校正。可以理解，在三维流体浓度场测量过程中，平面激光扫描和探测装置200扫描速度比值与水体折射率并不完全匹配，故探测装置200获取的扫描图像的比例尺与空间位置相关，即不同空间位置的比例尺之间存在微小变化，会影响测量结果的空间精度，故需要对扫描图像的空间畸变进行校正。
在其中一个实施例中，根据第一层腔体111的扫描图像和第二层腔体112的扫描图像，调整探测装置200的姿态、移动方向和移动速度，包括：对第一层腔体111的扫描图像进行边缘识别，提取第一层腔体111的扫描图像的有效区域；根据探测装置200的像素间距和标定装置100的尺寸，计算扫描图像比例尺；根据有效区域和扫描图像比例尺，调整探测装置200的姿态；对多个第二层腔体112的扫描图像进行卷积互相关处理，得到比例尺变化量和图像漂移量；根据比例尺变化量和图像漂移量，调整探测装置200的移动方向和移动速度，以实现对探测装置100获取的扫描图像偏移方向和偏移速度的调整。
在本实施例中，可以截取第一层腔体111的扫描图像中的有效范围。首先，可以对截面1中灰度值较高的方形区域进行边缘识别，提取其中高亮度区域的边缘并进行直线拟合，获得其拟合方程。在截取有效范围的过程中，采用的一对竖直平行线的间距可以为标定装置100的内腔宽度，采用的一对水平平行线的间距可以为预先设定或测量的水位值。随后，根据探测装置200的像素间距可以计算水平与竖直方向的比例尺，并检测是采集到的扫描图像否存在显著的图像畸变。同时，可以进一步计算两对平行线边缘与水平和竖直角度的差异，以检测探测装置200安放情况，并根据得到的差异结果调整探测装置200的姿态。
在本实施例中，根据第二层腔体112的扫描图像可以进行图像畸变测量。可以理解，随着扫描过程的进行，扫描图像比例尺可能存在微小的变化。与此同时，如果标定装置100的高度方向与探测装置200的导轨并不平行，则激光扫描图像也会存在一定的飘移。因此，通过在第二层腔体112的荧光扫描图像中提取第二隔板30位置，并对不同Z平面中第二隔板30的位置变化进行相关处理，可以获取比例尺变化和图像飘移的信息。其中，比例尺变化是由于导轨运行速度比与水体折射率不匹配造成的，可以根据结果可对平面激光和探测装置200的同步扫描的速度比进行微调。
在其中一个实施例中，根据第一层腔体111的扫描图像，对标定装置100的多帧扫描图像进行校正，包括：根据第一层腔体111的扫描图像，确定无量纲灰度值分布函数；采用无量纲灰度值分布函数对标定装置100的多帧扫描图像进行校正。
可以理解，由于实际测量过程中使用的平面激光并非完全均匀的，且激光在传播
过程中随着荧光物的吸收不断衰减，故需要对激光强度进行校正。在本实施例中，根据第一
层腔体111的扫描图像可以计算激光光强分布。在完成第一层腔体111、第二层腔体112、第
三层腔体113和子腔体114的定位后，可根据空间位置定位结果，对图片进行切割、旋转、放
缩。随后，可以对排除仪器安装误差后的扫描图像序列进行灰度提取和计算，获得现场标定
所得标定系数组。对截面1进行灰度纵向提取，即可获得激光光功率密度的相对分布情况。
采用截面1底部（激光传入位置）若干行灰度值(一般不少于100行)，沿垂直方向分别求每一
列的灰度值之和，可以获得灰度和均值的分布函数
，求
的算数平均值可以
得到
。因此，可以对各列灰度和进行无量纲化：
。获得激光在y向分布
后，可以对曲线进行中值滤波即可得到无量激光功率线密度分布情况（参见图4）。在随后的
图像处理中，可以利用无量纲激光功率线密度分布函数对扫描图像中测量区域内任意一点
的灰度进行校正，即
，其中为
为校正后的图像
位置的灰
度值。
可以理解，本申请提供的三维流体浓度场标定方法可以采用与标定装置100匹配的图像处理方法，通过一次激光扫描即可一次性完成五个标定参数的现场标定工作。其中，标定参数包括有效测量空间范围、激光光强分布、荧光物浓度与图像灰度线性关系以及激光和荧光沿程衰减等，完成计算后可以输出五个标定系数，生成现场标定结果文件并读入软件，从而直接用于后续基于平面片光源和相机同步扫描技术的3DLIF后处理工作，简化了标定流程，提高3DLIF标定过程的智能化水平。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的位置。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利位置的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护位置。因此，本申请专利的保护位置应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种三维流体浓度场标定方法，其特征在于，所述三维流体浓度场标定方法使用的标定装置，包括：
标定箱体，包围形成一个容纳腔；
两个第一隔板，设置于所述容纳腔内，用于将所述容纳腔沿所述标定箱体的长度或宽度方向，划分为第一层腔体、第二层腔体和第三层腔体；
至少两个第二隔板，设置于所述第二层腔体内，用于将所述第二层腔体沿垂直于所述第一层腔体、所述第二层腔体、所述第三层腔体分布方向划分为至少三个子腔体；以及
所述标定箱体开设有进液孔，所述标定箱体外的液体经所述进液孔进入所述第一层腔体、所述第二层腔体、所述第三层腔体和所述子腔体内，所述第一层腔体、所述第二层腔体、所述第三层腔体和所述子腔体用于配置预设浓度的荧光物溶液，其中所述标定箱体、所述第一隔板和所述第二隔板采用透光材料制成；
所述三维流体浓度场标定方法，包括：
安装所述标定装置并打开所述标定装置的所述进液孔直至所述标定装置的内部液面与外部液面平齐；
调整所述标定装置和探测装置的位置，以使入射的平面激光垂直于所述标定装置中所述第一层腔体、所述第二层腔体和所述第三层腔体的分布方向，并沿所述标定装置的高度方向入射所述标定装置，所述探测装置的探测平面垂直于所述第一层腔体、所述第二层腔体和所述第三层腔体的分布方向；
根据所述标定装置中各腔体荧光物溶液的预设浓度，配置所述标定装置中各腔体的荧光物溶液并搅拌均匀；
采用所述平面激光沿所述第一层腔体、所述第二层腔体和所述第三层腔体的分布方向进行扫描，并在扫描同时采用所述探测装置获取多帧扫描图像，其中所述平面激光与所述探测装置同步运动；
根据所述标定装置的多帧扫描图像，确定所述标定装置中所述第一层腔体、所述第二层腔体和所述第三层腔体的位置；
根据所述第二层腔体的扫描图像，确定所述第二层腔体中至少三个子腔体的位置；
根据至少三个所述子腔体的位置处的平均灰度值和对应的荧光物溶液的预设浓度，确定第一标定系数和第二标定系数，所述第一标定系数为荧光浓度与图像灰度的比值，所述第二标定系数为所述图像灰度的起始阈值；
根据至少三个所述子腔体中所述荧光物溶液的预设浓度最大的所述子腔体的位置处的图像灰度，确定第三标定系数，所述第三标定系数为激光沿程衰减特性；
根据所述第一层腔体的扫描图像和所述第三层腔体的扫描图像，将所述第一层腔体的扫描图像划分为多个第一区域，将所述第三层腔体的扫描图像划分为多个第二区域，所述第一区域和所述第二区域一一对应，且所述第一区域和所述第二区域的数量和位置与所述子腔体的数量和位置相同；
计算每个所述第一区域的平均灰度值和对应的所述第二区域的平均灰度值的比值，对
所述第一区域的平均灰度值和所述第二区域的平均灰度值的比值进行拟合，拟合形式为
，其中为
所述第一区域的平均灰度值和对应的所述第二区域的平均灰度值的
比值，
为所述荧光物溶液的预设浓度，第四标定系数为
，其中
为所述第二层腔体沿
所述第一层腔体、所述第二层腔体、所述第三层腔体分布方向的长度，第五标定系数为
，
其中
为所述第一区域和所述第二区域的间距；
根据所述比值确定所述第四标定系数和所述第五标定系数，所述第四标定系数为荧光物溶液的荧光吸收特性，所述第五标定系数为水中的荧光衰减特性；
根据所述第一标定系数、所述第二标定系数、所述第三标定系数、所述第四标定系数和所述第五标定系数将测量过程中的扫描图像转化为浓度分布，以实现对三维流体浓度场进行标定。
2.根据权利要求1所述的三维流体浓度场标定方法，其特征在于，还包括：
在根据所述第二层腔体的扫描图像，确定所述第二层腔体中至少三个子腔体的位置之后，根据所述第一层腔体的扫描图像和所述第二层腔体的扫描图像，调整探测装置的姿态、移动方向和移动速度；
根据所述第一层腔体的扫描图像，对所述标定装置的多帧扫描图像进行校正。
3.根据权利要求2所述的三维流体浓度场标定方法，其特征在于，根据所述第一层腔体的扫描图像和所述第二层腔体的扫描图像，调整所述探测装置的姿态、移动方向和移动速度，包括：
对所述第一层腔体的扫描图像进行边缘识别，提取所述第一层腔体的扫描图像的有效区域；
根据所述探测装置的像素间距和所述标定装置的尺寸，计算扫描图像比例尺；
根据所述有效区域和所述扫描图像比例尺，调整所述探测装置的姿态；
对多个所述第二层腔体的扫描图像进行卷积互相关处理，得到比例尺变化量和图像漂移量；
根据所述比例尺变化量和所述图像漂移量，调整所述探测装置的移动方向和移动速度，以实现对所述探测装置获取的扫描图像偏移方向和偏移速度的调整。
4.根据权利要求2所述的三维流体浓度场标定方法，其特征在于，所述根据所述第一层腔体的扫描图像，对所述标定装置的多帧扫描图像进行校正，包括：
根据所述第一层腔体的扫描图像，确定无量纲灰度值分布函数；
采用所述无量纲灰度值分布函数对所述标定装置的多帧扫描图像进行校正。
5.根据权利要求1所述的三维流体浓度场标定方法，其特征在于，所述根据至少三个所述子腔体的位置处的平均灰度值和对应的荧光物溶液的预设浓度，确定第一标定系数和第二标定系数，包括：
对至少三个所述子腔体的位置处的平均灰度值和对应的所述荧光物溶液的预设浓度
进行拟合，拟合形式为
，其中
为所述子腔体的位置处的平均灰度值，
为所述荧
光物溶液的预设浓度，
为所述第一标定系数，
为所述第二标定系数。
6.根据权利要求1所述的三维流体浓度场标定方法，其特征在于，所述根据至少三个所述子腔体中所述荧光物溶液的预设浓度最大的所述子腔体的位置处的图像灰度，确定第三标定系数，包括：
对所述荧光物溶液的预设浓度最高的所述子腔体的位置处的每一行的平均灰度值进
行拟合，拟合形式为
，则所述第三标定系数为
，
为所述
荧光物溶液的预设浓度的最大值。
7.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于，所述标定装置的所述第一层腔体和所述第三层腔体的体积相同，且所述第一层腔体和所述第三层腔体沿所述第一层腔体、所述第二层腔体、所述第三层腔体分布方向的长度相同。
8.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于，所述标定装置至少三个所述子腔体的体积相同，且至少三个所述子腔体沿垂直于所述第一层腔体、所述第二层腔体和所述第三层腔体分布方向的长度相同。
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