CN114609093B - 基于鱼眼镜头的成像浊度计的散射相函数的计算方法 - Google Patents
基于鱼眼镜头的成像浊度计的散射相函数的计算方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114609093B CN114609093B CN202210303181.XA CN202210303181A CN114609093B CN 114609093 B CN114609093 B CN 114609093B CN 202210303181 A CN202210303181 A CN 202210303181A CN 114609093 B CN114609093 B CN 114609093B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- scattering
- luminous flux
- lens
- angle
- calculating
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 46
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 74
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims abstract description 73
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 56
- 238000000149 argon plasma sintering Methods 0.000 claims description 7
- 241000251468 Actinopterygii Species 0.000 claims description 5
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 5
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 claims description 4
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 27
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 description 7
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 7
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 239000005427 atmospheric aerosol Substances 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 239000013618 particulate matter Substances 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
- G01N21/49—Scattering, i.e. diffuse reflection within a body or fluid
- G01N21/53—Scattering, i.e. diffuse reflection within a body or fluid within a flowing fluid, e.g. smoke
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
- G06T7/00—Image analysis
- G06T7/80—Analysis of captured images to determine intrinsic or extrinsic camera parameters, i.e. camera calibration
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
- G06T2207/00—Indexing scheme for image analysis or image enhancement
- G06T2207/10—Image acquisition modality
- G06T2207/10004—Still image; Photographic image
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明公开了基于鱼眼镜头的成像浊度计的散射相函数的计算方法，其包括以下步骤：第一步：标定鱼眼镜头；第二步：推导单颗粒激光入射在鱼眼镜头的散射光通量F1的计算公式；第三步：推导多颗粒激光束入射在鱼眼镜头的散射光通量F2的计算公式；第四步：推导透镜接收面积与散射光通量F2的函数关系；第五步：推导鱼眼镜头的曲率与散射光通量F2的函数关系；第六步：根据不同散射角对应的散射光通量F2计算散射相函数。本发明通过以上步骤计算出由浊度计装置对于散射相函数的影响关系，从而减小浊度计装置本身对于测量散射相函数的结果造成的误差，提高浊度计装置测量的精度。
Description
技术领域
本发明涉及光学和测量技术领域的基于鱼眼镜头的成像浊度计的散射相函数的计算方法。
背景技术
气溶胶通常指长时间悬浮在气体环境中、能被观测到或者测量到的气体或者固体颗粒物的集合。大气气溶胶颗粒由于自身的散射特性，会通过散射和吸收太阳辐射以及通过改变云的形成和性质来间接影响地球的辐射平衡。因此，就有必要对气溶胶颗粒的散射特性展开研究，而这也是当前研究的热点。这些研究和探测对于天气预报、气候模拟预测、环境监测、大气遥感等都能产生积极的作用。
现如今，在气溶胶的研究领域，一个主要的研究方向就是通过光散射浊度计，来测量气溶胶颗粒的散射相函数，进而反演气溶胶颗粒物光学物理特性。常见的浊度计装置按其设计方案主要可分为：多探测器阵列形式、单探测器扫描形式和成像相机形式。
然而，在调研文献的过程中发现，研究人员在利用搭建的浊度计装置测量气溶胶的散射相函数时，很少会提到以及全面的分析因为测量装置相对于理想散射模型的改变而产生的一些影响因素，以及这些影响因素可能会导致最终的理论散射相函数发生的变化，同时也没有通过公式计算的形式直观的表现出来，这可能会导致理论散射相函数与实际散射相函数的误差较大。理论散射相函数的误差可能会导致研究人员对本身装置的一些测量精度等参数的计算出现失误，最终导致实验结论误差较大。
发明内容
为解决现有的浊度计装置测量气溶胶的散射相函数的误差较大的问题，本发明提供基于鱼眼镜头的成像浊度计的散射相函数的计算方法。
本发明采用以下技术方案实现：基于鱼眼镜头的成像浊度计的散射相函数的计算方法，其包括以下步骤：
第一步：标定鱼眼镜头，其步骤包括：计算散射角和像素坐标的函数关系；计算相同散射范围对应的散射区域长度与散射角之间的函数关系。
第二步：推导单颗粒的光通量F1的计算公式，其步骤包括：将单颗粒激光入射在所述鱼眼镜头上，获取单颗粒激光的散射光强；假设单颗粒位于球面坐标系原点，入射光方向为z轴正方向，电矢量沿x轴正方向，r1为球面半径，所述球面半径等于散射光观测点到散射颗粒的距离；测量散射角θ1、入射光振动面与散射面之间的夹角方位角φ1；结合颗粒折射率m1、入射光光强I1推导出光通量F1的计算公式。
第三步：推导多颗粒的光通量F2的计算公式,其步骤包括：将激光束入射在所述鱼眼镜头上，获取激光束的散射光强；统计激光束的颗粒数量N0，测量散射角θ2、散射区域长度Lθ2；结合颗粒折射率m2、激光光强I2、散射角为90度时的散射区域长度L0、所述单颗粒的光通量F1的计算公式、所述相同散射范围对应的散射区域长度与散射角之间的函数关系推导出光通量F2的计算公式。
第四步：推导透镜接收面积与光通量F2的函数关系，其步骤包括：观察并测量不同角度的入射光在透镜的散射区域位置及散射区域长度，通过散射区域长度计算其相应的透镜接收面积；获取不同角度的入射光的散射光强；推导透镜接收面积对测量散射光强的函数关系；结合多颗粒的光通量F2的计算公式推导透镜接收面积与光通量F2的函数关系。
第五步：推导鱼眼镜头的曲率与光通量的函数关系，其步骤包括：测量鱼眼镜头在不同散射角对应的散射区域的相对长度；将所述在不同散射角对应的散射区域的相对长度放入一个一维数组Tθ，Tθ作为一个修订数组，用于表示在不同散射角下鱼眼镜头的曲率与光散射强度的函数关系；获取不同散射角下的散射光强；推导在不同散射角方向上的光通量的计算公式。
第六步：根据不同散射角对应的光通量计算散射相函数。
本发明通过对鱼眼镜头标定，并分别计算单颗粒激光、多颗粒激光束在鱼眼镜头的散射光通量，进而计算透镜接收面积与鱼眼镜头的曲率对光通量的影响关系，最终计算出由浊度计装置对于散射相函数的影响关系，从而减小浊度计装置本身对于测量散射相函数的结果造成的误差，提高浊度计装置测量的精度。
作为上述方案的进一步改进，所述散射角和像素坐标之间的函数关系的计算方法包括以下步骤：使用鱼眼相机对一个标尺进行成像，镜头离标尺的距离等于实验时镜头相对于激光束的垂直距离；通过成像找到像素坐标以及标尺上刻度之间的关系；计算标尺上不同刻度值对应的散射角，从而得到像素坐标和散射角之间的对应关系；选取标尺上一些刻度作为样点，计算出每个样点对应的散射角和像素坐标，对散射角和像素坐标之间的函数关系进行曲线拟合，并将拟合的曲线函数一作为散射角和像素坐标的函数关系。
作为上述方案的进一步改进，相同散射范围对应的散射区域长度与散射角之间的函数关系的计算方法包括：测量在散射角不同的情况下，所述鱼眼镜头在激光束上对应的散射区域长度；计算相同散射范围在不同散射角所对应的测量区域长度与散射角为90°时对应测量区域长度的比值，所述比值用于表达散射范围对散射相函数的影响关系；将相同散射范围对应的散射区域长度与散射角之间的函数关系进行曲线拟合，并以拟合的曲线函数二作为相同散射范围对应的散射区域长度与散射角之间的函数关系：1/sin2θ。
作为上述方案的进一步改进，单颗粒的光通量F1的计算方法是：
在半径为r1的球面上，方位角在φ1～φ1′，散射角在θ1～θ1′范围内的光通量，即面积元dS1上的光通量可按关系式(1)求得：
dF1＝IS1dS1 (1)
其中IS1为面积元dS1处的散射光强，而面积元dS1可表示为：
因此，将(2)式代入(1)式后，得到φ1～φ1′方位角和θ1～θ1′散射角范围内的光通量的计算公式为：
进一步地，在偏振光入射的条件下，瑞利散射的散射光强公式IS1可表示为：
其中，d1为单颗粒粒径，m1为单颗粒折射率，I0为入射激光光强，λ为激光的波长。
作为上述方案的进一步改进，多颗粒的光通量F2的计算方法是：假设腔体内的颗粒的空间分布是均匀的，以及忽略激光束的扩散角因素，激光束照射区域内单位体积包含的颗粒数目N0就与区域长度成正比，因此N0可以表示为：
N0＝kLθ2 (5)
其中k为常数系数，Lθ2表示散射角为θ2时对应的散射区域长度，我们可以进一步将Lθ2表示为：
其中L0表示为散射角90度时散射范围对应的散射区域长度，将式(5)、(6)带入前面式(4)，可得：
作为上述方案的进一步改进，将鱼眼透镜在不同散射角对应的散射区域的相对长度放入一个一维数组Tθ，Tθ作为一个修订数组，每个角度散射光强计算完成后都会乘上对应的修订数TTθ，推导出在瑞利散射时不同散射角对应的散射强度公式为：
将式(8)代入到式(3)中，可以得到最终的光通量计算公式：
进一步地，对不同的散射角在瑞利散射时与其相应的光通量之间的函数关系进行曲线拟合；以拟合的曲线函数三作为散射相函数。
作为上述方案的进一步改进，所述基于鱼眼镜头的成像浊度计获取光强的方法包括以下步骤：水平出射激光，并将激光调制为偏振方向平行于散射面的线偏振光，所述偏振激光与浊度计腔体内的待测光的颗粒相互作用，产生散射；采集散射光信号；将所述散射光信号转化为光强；将沿出射方向的激光以及反射出来的激光通入光陷阱。
进一步地，将所述散射光信号转化为光强的方法包括：使用相机采集散射光并以图片的形式传入计算机；读取所述图片上对应像素的灰度值作为光强值。
相较于现有的散射相函数的计算方法，本发明的基于鱼眼镜头的成像浊度计的散射相函数的计算方法具有以下有益效果：
1.通过对鱼眼镜头标定，并分别计算单颗粒激光、多颗粒激光束在鱼眼镜头的散射光通量，进而计算透镜接收面积与鱼眼镜头的曲率对光通量的影响关系，最终计算出由浊度计装置对于散射相函数的影响关系，从而减小浊度计装置本身对于测量散射相函数的结果造成的误差，提高浊度计装置测量的精度；
2.鱼眼镜头不遵循一般的相似成像原理，它会使得光线方向改变，因此对鱼眼镜头标定能降低测量误差；
3.在浊度计获取光强时，将沿出射方向的激光以及反射出来的激光通入光陷阱，避免对散射测量产生干扰；
4.单颗粒激光的光通量计算是后续计算的基础，由简单到复杂的测量推导过程有助于加快推导的进程；
5.通过曲线拟合的方式获得相应的曲线函数关系式，能更直观、快速的获得相应的计算公式，以实验结果反证的方法来确认计算公式的准确度，使其能运用于浊度计的实际测量中，降低测量误差。
附图说明
图1为本发明实施例1的基于鱼眼镜头的成像浊度计计算散射相函数的步骤流程图；
图2为本发明实施例1的基于鱼眼镜头的成像浊度计装置的结构示意图；
图3为本发明实施例1的散射角和像素坐标之间的函数关系图；
图4为本发明实施例1的相同散射范围在不同散射角对应的散射区域长度示意图；
图5为本发明实施例1的散射区域长度与散射角之间的函数关系图；
图6为本发明实施例1的单颗粒激光在空间坐标系中的光通量示意图；
图7为本发明实施例1的透镜在不同散射角的投影对比图；
图8为本发明实施例1的鱼眼镜头的曲率对散射区域长度影响的示意图；
图9为本发明实施例1的鱼眼镜头在不同散射角对应的散射区域相对长度的示意图；
图10为本发明实施例1的理论计算的散射相函数的曲线图；
图11为本发明实施例2的散射相函数的测量结果和理论计算散射相函数的对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
请参阅图1和图2，图1为本实施例提供的基于鱼眼镜头的成像浊度计计算散射相函数的步骤流程图；图2为本实施例提供的基于鱼眼镜头的成像浊度计装置的结构示意图。基于鱼眼镜头的成像浊度计计算散射相函数的方法包括以下步骤，即第一步到第六步。
第一步：标定鱼眼镜头。鱼眼镜头不遵循一般的相似成像原理，它会使得光线方向改变，因此鱼眼镜头在使用之前需要先进行标定。标定鱼眼镜头的方法包括以下步骤，即S1-S2。
S1：计算散射角和像素坐标的函数关系的方法包括以下步骤：
请结合图3，使用鱼眼相机对一个标尺进行成像，镜头离标尺的距离等于实验时镜头相对于激光束的垂直距离；通过成像找到像素坐标以及标尺上刻度之间的关系；计算标尺上不同刻度值对应的散射角，从而得到像素坐标和散射角之间的对应关系；选取标尺上一些刻度作为样点，计算出每个样点对应的散射角和像素坐标，对散射角和像素坐标之间的函数关系进行曲线拟合，并将拟合的曲线函数一作为散射角和像素坐标的函数关系。
曲线函数一相关系数为1，故像素坐标与散射角之间成线性关系，这与鱼眼镜头的等距投影的投影模型是相符合的。
S2：请结合图4、图5，相同散射范围对应的散射区域长度与散射角之间的函数关系的计算方法包括：测量在散射角不同的情况下，鱼眼镜头在激光束上对应的散射区域长度；由图4可以看出，散射角越远离90°，则散射范围对应的测量区域长度越长。计算相同散射范围在不同散射角所对应的测量区域长度与散射角为90°时对应测量区域长度的比值；取散射角范围dθ＝0.2°，散射中心为40°时，计算39.9°-40.1°散射范围对应的散射长度，其关系曲线如图5所示，理论上，不论dθ取多大，规律都是一样的；将相同散射范围对应的散射区域长度与散射角之间的函数关系进行曲线拟合，并以拟合的曲线函数二作为相同散射范围对应的散射区域长度与散射角之间的函数关系。曲线函数二与1/sin2θ的曲线很相似，将1/sin2θ的曲线归一化后与图5中曲线进行拟合，相关度达到了0.9966。因此，可以将相同散射范围对应的散射区域长度与散射角之间的函数关系近似为1/sin2θ。
第二步：推导单颗粒的光通量F1的计算公式。基于光散射原理进行设计开发的各种颗粒测量技术和实验装置，都是以颗粒试样的某个光散射信号作为粒径测量的依据。而颗粒物的光通量是经常被用到的一个测量信号，光通量定义为单位时间在某个立体角范围内光能量。单颗粒的光通量F1的计算方法包括以下步骤，即S3-S6。
S3：将单颗粒激光入射在鱼眼镜头上，获取单颗粒激光的散射光强。获取散射光强的方法包括以下步骤：水平出射激光，经过格兰泰勒棱镜将激光调制为偏振方向平行于散射面的线偏振光后，激光与腔体内的待测区域的颗粒相互作用，产生散射，散射光由位于激光束侧面的CMOS相机采集得到，并将采集到的数据传入计算机进行分析处理，读取图片上对应像素的灰度值作为光强值。将沿出射方向的激光以及从格兰泰勒棱镜侧面反射出来的激光通入光陷阱，避免对散射测量产生干扰。
S4：请结合图6，假设单颗粒位于球面坐标系原点，入射光方向为z轴正方向，电矢量沿x轴正方向，r1为球面半径，建立球面坐标系。球面半径等于散射光观测点到散射颗粒的距离。
S5：测量散射角θ1、入射光振动面与散射面之间的夹角方位角φ1。
S6：结合颗粒折射率m1、入射光光强I1推导出光通量F1的计算公式。
在半径为r1的球面上，方位角在φ1～φ1′，散射角在θ1～θ1′范围内的光通量，即面积元dS1上的光通量可按关系式(1)求得：
dF1＝IS1dS1 (1)
其中IS1为面积元dS1处的散射光强，而面积元dS1可表示为：
因此，将(2)式代入(1)式后，得到φ1～φ1′方位角和θ1～θ1′散射角范围内的光通量的计算公式为：
在偏振光入射的条件下，瑞利散射的散射光强公式IS1可表示为：
其中，d1为单颗粒粒径，m1为单颗粒折射率，I0为入射激光光强，λ为激光的波长。
第三步：推导多颗粒的光通量F2的计算公式。在实际测量中，基于鱼眼镜头的成像浊度计面临的更多的情况是多颗粒的测量，此时入射到探测器接受面上的散射光强绝不仅仅是来自于单个颗粒，因此需要考虑散射角对应的测量区域体积大小以及颗粒分布的问题。多颗粒的光通量F2的计算方法包括以下步骤，即S7-S9。
S7：将激光束入射在鱼眼镜头上，获取激光束的散射光强。多颗粒的散射光强的获取方法与如上述S3的单颗粒的散射光强的获取方法相同。
S8：统计激光束的颗粒数量N0，测量散射角θ2、散射区域长度Lθ2。
S9：结合颗粒折射率m2、激光光强I2、散射角为90度时的散射区域长度L0、单颗粒的光通量F1的计算公式、相同散射范围对应的散射区域长度与散射角之间的函数关系推导出光通量F2的计算公式。
假设腔体内的颗粒的空间分布是均匀的，以及忽略激光束的扩散角因素，激光束照射区域内单位体积包含的颗粒数目N0就与区域长度成正比，因此N0可以表示为：
N0＝kLθ2 (5)
其中k为常数系数，Lθ2表示散射角为θ2时对应的散射区域长度，可以进一步将Lθ2表示为：
其中L0表示为散射角90度时散射范围对应的散射区域长度，将式(5)、(6)带入前面式(4)，可得：
第四步：推导透镜接收面积与光通量F2的函数关系。在计算散射光强时，往往还需要考虑透镜的作用。在散射角范围对应的散射区域长度上，每个位置的颗粒对应一个散射方向，但由于透镜的存在，在计算某位置对应散射方向的散射光强时，实际的光强度应该表示为以该位置为中心，透镜对该方向投影的散射区域长度内所有颗粒在该方向上的散射光强的总和。透镜接收面积与光通量F2的函数关系的推导方法包括以下步骤，即S10-S13。
S10：请结合图7，观察并测量不同角度的入射光在透镜的散射区域位置及散射区域长度，通过散射区域长度计算其相应的透镜接收面积。在本实施例中，由于激光束是一个圆柱形，在散射区域长度范围内，激光束里面的颗粒散射光都能进入透镜，因此，散射区域长度就和散射区域体积成正比，长度越长，散射区域体积就越大，散射颗粒数目就越多。由于鱼眼镜头在侧向与激光束平行放置，因此，在任何散射方向上对应的散射区域都是相同的，也即散射区域长度相等。
S11：获取不同角度的入射光的散射光强，其方法与如上述S3的单颗粒的散射光强的获取方法相同。
S12：推导透镜接收面积对测量散射光强的函数关系。在本实施例中，如S10，由于鱼眼镜头在任何散射方向上对应的散射区域都是相同的，因此不需要透镜接收面积对测量散射光强的影响，因此可以用一个用常数T来表示透镜对放大散射光强度的作用。
S13：结合多颗粒的光通量F2的计算公式推导透镜接收面积与光通量F2的函数关系，即将常数T带入光通量F2的计算公式中。
第五步：推导鱼眼镜头的曲率与光通量的函数关系。鱼眼镜头相对于一般镜头曲率更大，镜头向外凸出更多，且测量时镜头离激光束比较近，因此在前后向小角度测量时，可能也会导致一些散射区域长度的差异。鱼眼镜头的曲率与光通量的函数关系的推导方法包括以下步骤，即S14-S16。
S14：请结合图8、图9，测量鱼眼镜头在不同散射角对应的散射区域的相对长度。图8中，MN以上的部分，是鱼眼镜头暴露在外的部分。在散射角小于θ时，鱼眼镜头在散射方向上的投影就不再等于MN，而是MP，经过计算，本实施例中的θ约等于30°。因此，在本测量实验中，散射角在10°～30°、150°～170°时，鱼眼镜头的曲率都会对光通量产生一定影响，对应的曲线图如9所示。
S15：将在不同散射角对应的散射区域的相对长度放入一个一维数组Tθ，Tθ作为一个修订数组，用于表示在不同散射角下鱼眼镜头的曲率与光散射强度的函数关系，每个角度散射光强计算完成后都会乘上对应的修订数TTθ。
S16：获取不同散射角下的散射光强，其方法与如上述S3的单颗粒的散射光强的获取方法相同。
S17：推导在不同散射角方向上的光通量的计算公式。本实施例中，在瑞利散射时不同散射角对应的散射强度公式为：
将式(8)代入到式(3)中，可以得到最终的光通量计算公式：
在本实施例中，因为鱼眼镜头对于位于同一行上充当散射光强探测器的每个像素，对应的散射角范围都是相等的，且可求得每个像素对应散射角范围为0.2267°，故θ2可以表示为θ2-0.11335°，θ2′可以表示为θ2′+0.11335°。
在本实施例中，因为鱼眼镜头只是对同一行上每个像素的水平方向散射角是相同的，但对每个像素的竖直方向并没有该特点，因此竖直方向按一般相机来处理。但在本实施例中，由于相机曝光面是平行于激光束的，且同一行上每个像素竖直方向是同一高度，而光线经过透镜要想成像的同一高度，其在不同位置的入射角在垂直于散射面上的投影后的角度必然是相等的，故所有散射角对应的方位角范围Δφ也是相等的，根据镜头焦距以及像素尺寸大小，可以求得Δφ为0.12°。
第六步：请结合图10，根据不同散射角对应的光通量计算散射相函数。其方法为：对不同的散射角在瑞利散射时与其相应的光通量之间的函数关系进行曲线拟合，以拟合的曲线函数三作为散射相函数。散射相函数，定义为散射光强的角度分布，即不同散射角对应的散射光强大小。一般情况下，散射光强是对于一个点来说的，而在本实施例中，浊度计装置的探测器是一个面，因此测得的是光强度的积分，也即是光通量。因此，实际测量中，就将光通量的角度分布作为散射相函数，计算出了光通量也就得到了散射相函数。
实施例2
请结合图11，其为本实施例的散射相函数的测量结果和理论计算散射相函数的对比图。
为验证前面推导的散射相函数的理论计算公式，本实施例搭建基于鱼眼相机的浊度计装置来实际测量氮气的散射相函数，并且将测量结果与前面的理论计算结果相比较。
将基于鱼眼镜头的成像浊度计装置调节完全后，将氮气瓶连接到完成密封的腔体左边入口，开始通入高纯氮气，氮气瓶通过连接质量流量控制计来控制氮气的流速。腔体的出口在腔体右上角，氮气排出时会逐渐将腔体内大颗粒的颗粒物带出，直到腔体内为氮气环境，通过相机每隔五分钟测一组数据，实时测量当前的散射相函数曲线，直到前后向相函数曲线几乎对称且不在变化，则说明排气基本完成了。
在本实施例中，在排气完成后，通过相机连续对散射区域成像，每次采集100张照片后取平均值作为一组数据，总共测得三组数据，数据的测量结果如图11所示。从图中可看出，测量结果与理论计算结果基本符合，主要是后向散射偏低，这是因为腔体内的大颗粒还是难以完全排干净，大颗粒的存在使得前向散射相比后向散射会高一些。分别对三组数据和理论计算结果进行拟合，三次拟合的相关度分别为0.99435、0.99447、0.99471，可知散射相函数的实际测量和理论计算基本符合。这表明了在计算散射相函数的过程中，考虑这些可能的影响因素有助于提高测量仪器的测量精度，减小计算理论散射相函数的误差。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.基于鱼眼镜头的成像浊度计的散射相函数的计算方法，其包括：
第一步：标定鱼眼镜头，其步骤包括：
计算散射角和像素坐标的函数关系；以及
计算相同散射范围对应的散射区域长度与散射角之间的函数关系；
第二步：推导单颗粒的光通量F1的计算公式，其步骤包括：
将单颗粒激光入射在所述鱼眼镜头上，获取单颗粒激光的散射光强；
假设单颗粒位于球面坐标系原点，入射光方向为z轴正方向，电矢量沿x轴正方向，r1为球面半径，所述球面半径等于散射光观测点到散射颗粒的距离；
测量散射角θ1、入射光振动面与散射面之间的夹角方位角φ1；以及
结合颗粒折射率m1、入射光光强I1推导出光通量F1的计算公式；
第三步：推导多颗粒的光通量F2的计算公式,其步骤包括：
将激光束入射在所述鱼眼镜头上，获取激光束的散射光强；
统计激光束的颗粒数量N0，测量散射角θ2、散射区域长度Lθ2；以及
结合颗粒折射率m2、激光光强I2、散射角为90度时的散射区域长度L0、所述单颗粒的光通量F1的计算公式、所述相同散射范围对应的散射区域长度与散射角之间的函数关系推导出光通量F2的计算公式；
第四步：推导透镜接收面积与光通量F2的函数关系，其步骤包括：
观察并测量不同角度的入射光在透镜的散射区域位置及散射区域长度，通过散射区域长度计算其相应的透镜接收面积；
获取不同角度的入射光的散射光强；
推导透镜接收面积对测量散射光强的函数关系；以及
结合多颗粒的光通量F2的计算公式推导透镜接收面积与光通量F2的函数关系；
第五步：推导鱼眼镜头的曲率与光通量的函数关系，其步骤包括：
测量鱼眼镜头在不同散射角对应的散射区域的相对长度；
将所述在不同散射角对应的散射区域的相对长度放入一个一维数组Tθ，Tθ作为一个修订数组，用于表示在不同散射角下鱼眼镜头的曲率与光散射强度的函数关系；
获取不同散射角下的散射光强；以及
推导在不同散射角方向上的光通量的计算公式；以及
第六步：根据不同散射角对应的光通量计算散射相函数；
其中，所述散射角和像素坐标之间的函数关系的计算方法包括以下步骤：
使用鱼眼相机对一个标尺进行成像，镜头离标尺的距离等于实验时镜头相对于激光束的垂直距离；
通过成像找到像素坐标以及标尺上刻度之间的关系；
计算标尺上不同刻度值对应的散射角，从而得到像素坐标和散射角之间的对应关系；以及
选取标尺上一些刻度作为样点，计算出每个样点对应的散射角和像素坐标，对散射角和像素坐标之间的函数关系进行曲线拟合，并将拟合的曲线函数一作为散射角和像素坐标的函数关系；
其中，相同散射范围对应的散射区域长度与散射角之间的函数关系的计算方法包括：
测量在散射角不同的情况下，所述鱼眼镜头在激光束上对应的散射区域长度；
计算相同散射范围在不同散射角所对应的测量区域长度与散射角为90°时对应测量区域长度的比值，所述比值用于表达散射范围对散射相函数的影响关系；以及
将相同散射范围对应的散射区域长度与散射角之间的函数关系进行曲线拟合，并以拟合的曲线函数二作为相同散射范围对应的散射区域长度与散射角之间的函数关系：1/sin2θ；
其中，单颗粒的光通量F1的计算方法是：
在半径为r1的球面上，方位角在φ1～φ1′，散射角在θ1～θ1′范围内的光通量，即面积元dS1上的光通量可按关系式(1)求得：
dF1＝IS1dS1(1)
其中IS1为面积元dS1处的散射光强，而面积元dS1表示为：
因此，将(2)式代入(1)式后，得到φ1～φ1′方位角和θ1～θ1′散射角范围内的光通量的计算公式为：
其中，在偏振光入射的条件下，瑞利散射的散射光强公式IS1表示为：
其中，d1为单颗粒粒径，m1为单颗粒折射率，I0为入射激光光强，λ为激光的波长；
其中，多颗粒的光通量F2的计算方法是：
假设腔体内的颗粒的空间分布是均匀的，以及忽略激光束的扩散角因素，激光束照射区域内单位体积包含的颗粒数目N0就与区域长度成正比，因此N0表示为：
N0＝kLθ2 (5)
其中k为常数系数，Lθ2表示散射角为θ2时对应的散射区域长度，进一步将Lθ2表示为：
其中L0表示为散射角90度时散射范围对应的散射区域长度，将式(5)、(6)带入前面式(4)，得：
其中，将鱼眼透镜在不同散射角对应的散射区域的相对长度放入一个一维数组Tθ，Tθ作为一个修订数组，每个角度散射光强计算完成后都会乘上对应的修订数TTθ，推导出在瑞利散射时不同散射角对应的散射强度公式为：
将式(8)代入到式(3)中，可以得到最终的光通量计算公式：
2.如权利要求1所述的基于鱼眼镜头的成像浊度计的散射相函数的计算方法，其特征在于，对不同的散射角在瑞利散射时与其相应的光通量之间的函数关系进行曲线拟合；以拟合的曲线函数三作为散射相函数。
3.如权利要求1所述的基于鱼眼镜头的成像浊度计的散射相函数的计算方法，其特征在于，所述基于鱼眼镜头的成像浊度计获取光强的方法包括以下步骤：
水平出射激光，并将激光调制为偏振方向平行于散射面的线偏振光，所述线偏振光与浊度计腔体内的待测光的颗粒相互作用，产生散射；
采集散射光信号；
将所述散射光信号转化为光强；以及
将沿出射方向的激光以及反射出来的激光通入光陷阱。
4.如权利要求3所述的基于鱼眼镜头的成像浊度计的散射相函数的计算方法，其特征在于，将所述散射光信号转化为光强的方法包括：
使用相机采集散射光并以图片的形式传入计算机；以及
读取所述图片上对应像素的灰度值作为光强值。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210303181.XA CN114609093B (zh) | 2022-03-24 | 2022-03-24 | 基于鱼眼镜头的成像浊度计的散射相函数的计算方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210303181.XA CN114609093B (zh) | 2022-03-24 | 2022-03-24 | 基于鱼眼镜头的成像浊度计的散射相函数的计算方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114609093A CN114609093A (zh) | 2022-06-10 |
| CN114609093B true CN114609093B (zh) | 2024-04-19 |
Family
ID=81867915
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210303181.XA Active CN114609093B (zh) | 2022-03-24 | 2022-03-24 | 基于鱼眼镜头的成像浊度计的散射相函数的计算方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114609093B (zh) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106018346A (zh) * | 2016-05-09 | 2016-10-12 | 山东省科学院海洋仪器仪表研究所 | 气溶胶散射相函数观测装置及观测方法 |
| CN107345893A (zh) * | 2017-07-24 | 2017-11-14 | 哈尔滨工业大学 | 一种粒子散射相函数测量装置及测量方法 |
| CN107727677A (zh) * | 2017-09-22 | 2018-02-23 | 中国科学院地质与地球物理研究所 | 独居石的阴极发光成像方法 |
| CN111103217A (zh) * | 2019-12-27 | 2020-05-05 | 合肥工业大学 | 一种快速响应的高精度光散射浊度计测量装置 |
| CN111541886A (zh) * | 2020-05-15 | 2020-08-14 | 珠海罗博飞海洋科技有限公司 | 一种应用于浑浊水下的视觉增强系统 |
| CN112014274A (zh) * | 2020-08-31 | 2020-12-01 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种气溶胶颗粒物总体平均散射特性测量系统及方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8531516B2 (en) * | 2010-02-03 | 2013-09-10 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of Commerce | Imaging polar nephelometer |
-
2022
- 2022-03-24 CN CN202210303181.XA patent/CN114609093B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106018346A (zh) * | 2016-05-09 | 2016-10-12 | 山东省科学院海洋仪器仪表研究所 | 气溶胶散射相函数观测装置及观测方法 |
| CN107345893A (zh) * | 2017-07-24 | 2017-11-14 | 哈尔滨工业大学 | 一种粒子散射相函数测量装置及测量方法 |
| CN107727677A (zh) * | 2017-09-22 | 2018-02-23 | 中国科学院地质与地球物理研究所 | 独居石的阴极发光成像方法 |
| CN111103217A (zh) * | 2019-12-27 | 2020-05-05 | 合肥工业大学 | 一种快速响应的高精度光散射浊度计测量装置 |
| CN111541886A (zh) * | 2020-05-15 | 2020-08-14 | 珠海罗博飞海洋科技有限公司 | 一种应用于浑浊水下的视觉增强系统 |
| CN112014274A (zh) * | 2020-08-31 | 2020-12-01 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种气溶胶颗粒物总体平均散射特性测量系统及方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Development and validation of a CCD-laser aerosol detective system for measuring the ambient aerosol phase function;Yuxuan Bian et al.;《Atmos. Meas. Tech》;20171231;第2313-2322页 * |
| 多角度偏振浊度计系统设计;王杉杉 等;《仪表技术》;20201231(第7期);第36-39页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114609093A (zh) | 2022-06-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| WO2017054070A1 (en) | System and method for individual particle sizing using light scattering techniques | |
| CN104316443A (zh) | 一种基于ccd后向散射的pm 2.5浓度监测方法 | |
| EP3421953A1 (en) | Measurement device and method for spectral responsivity of large-aperture radiometer | |
| CN103712777A (zh) | 检测紫外光电成像系统性能参数的装置及检测方法 | |
| CN111458108A (zh) | 一种发射接收光轴平行度测量装置及测量方法 | |
| US10113945B2 (en) | Method and apparatus for combining measurements of particle characteristics using light scattering and optical imaging | |
| RU2492477C1 (ru) | Способ и устройство определения объема штабеля круглых лесоматериалов, расположенных на автомобиле | |
| CN106018346A (zh) | 气溶胶散射相函数观测装置及观测方法 | |
| CN209147932U (zh) | 一种激光成像测距系统 | |
| US11415500B2 (en) | Particulate observation device and particulate observation method | |
| CN110470608A (zh) | 一种利用偏振成像测定物体光滑度的方法及装置 | |
| CN114609093B (zh) | 基于鱼眼镜头的成像浊度计的散射相函数的计算方法 | |
| CN114235149A (zh) | 一种基于ccd反射成像法的激光测量系统及其方法 | |
| CN110851965B (zh) | 一种基于物理模型的光源优化方法及优化系统 | |
| CN218886153U (zh) | 一种激光雷达装置、设备及系统 | |
| CN110471047A (zh) | 一种偏振激光雷达的标定方法 | |
| JPS6319506A (ja) | 滴下液滴の検出方法 | |
| US8531516B2 (en) | Imaging polar nephelometer | |
| CN113340850A (zh) | 一种近180度水体三维体积散射函数测量系统 | |
| CN109405749B (zh) | 一种激光成像测距方法及系统 | |
| Gilerson et al. | Polarimetric imaging of underwater targets | |
| CN113340851A (zh) | 一种水体前向小角度三维体积散射函数测量系统 | |
| US20210223101A1 (en) | System for the real-time high precision measurement of the atmospheric attenuation of electromagnetic radiation from at least one source and method for measurement | |
| RU100636U1 (ru) | Устройство регистрации лидарного сигнала | |
| CN115165683A (zh) | 一种气溶胶粒径分布测量方法和系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |