CN115469115B - 一种荧光探测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种荧光探测方法及装置，涉及流体非接触测量领域，通过控制像增强器和相机的时序使像增强器曝光一次的同时相机连续开启两次快门，有效的提高了荧光图像的采集帧频，使荧光探测帧频不再局限于像增强器固有拍摄帧频，能够更好的适用于复杂流场下的流场速度测量；本发明相比传统分幅图像采集方案，提高了图像的信号强度，具有良好的实用性；同时，本发明通过由高速像增强器和跨帧CCD相机组成的图像采集通道，能够实现荧光图像的连续高时间分辨探测，实现了流场荧光分子的高频探测，适用于超声速、高超声速、附面层和剪切流等复杂流场的显示及速度分布测量。
Description
技术领域
本发明涉及流体非接触测量领域，具体地，涉及一种荧光探测方法及装置。
背景技术
在飞行器和武器装备模型风洞实验中，利用先进的技术手段，精细显示模型周围的流场结构、准确测量气流的流动速度，对观察流动现象、揭示流动机理并支撑飞行器和武器装备的气动设计具有十分重要的意义。近年来，随着飞行器飞行速度的提高和气动布局设计的不断创新，模型周围流体的流动变得十分复杂，并且随时间变化极快，对流动显示与测量技术提出了很高的要求。随着激光技术的发展，近年来出现的激光诱导电子荧光标记技术因示踪分子极好的跟随性、高时空分辨性以及相对简单的试验系统，在复杂、快变流场中展示出了很强的试验能力，然而，现有的荧光图像采集通常由相机和像增强器同步双曝光实现，其拍摄帧频受到像增强器固有拍摄帧频的限制，使荧光图像的采集帧频难以提高。
发明内容
为了解决现有技术中荧光探测帧频受到像增强器固有拍摄帧频的限制而导致荧光图像采集帧频低的问题，本发明提供了一种荧光探测方法，所述荧光探测方法包括以下步骤：
步骤1：确定目标区域，产生指向目标区域的激光；
步骤2：利用激光激发所述目标区域内的气体分子，获得若干荧光分子团；
步骤3：利用像增强器对所述目标区域内的所述若干荧光分子团进行曝光增强，并利用相机对所述目标区域进行图像采集，获得荧光分子图像；其中，所述相机对所述目标区域开启两次快门，对应所述像增强器对所述目标区域进行一次曝光，获得相邻时刻的两张荧光分子图像，所述荧光分子图像曝光时长为所述相机开启快门的时间和所述像增强器曝光时间的交集。
其中，本方法原理为：确定目标区域后，利用激光激发所述目标区域内的气体分子，获得若干荧光分子团，通过像增强器和相机双重曝光多次采集所述目标区域内的荧光分子图像，其中，由于采集到的荧光分子图像曝光时长为所述相机开启快门的时间和所述像增强器曝光时间的交集，因此控制所述像增强器和所述相机的时序，使像增强器曝光一次的同时相机连续开启两次快门，有效的提高了荧光图像的采集帧频，解决了现有相机和像增强器同步曝光方式中，荧光探测帧频受到像增强器固有拍摄帧频的限制而导致荧光图像采集帧频低的问题，能够更好的适用于复杂流场下的流场速度测量；同时，相比传统分幅图像采集方案，采集相同数量图像的条件下，提高了图像的信号强度，同时降低了系统的复杂性。
进一步的，由于激光的能量越强，被激发到激发态的分子就越多，产生的荧光强度就越强，便于后续的测量，而飞秒激光具有极高的瞬时功率，经过聚焦后，其光强能达到1022W/cm2量级，通过飞秒激光激发获得的荧光分子团具有长荧光寿命，易于被所述相机和像增强器捕捉，因此，所述激光为飞秒激光。
进一步的，为了根据探测到的荧光分子图像对复杂流场进行进一步分析，根据所述荧光分子图像获得流场的速度特征，在获得所述若干荧光分子图像时记录所述荧光分子图像对应的采集时刻，获得所述荧光分子图像之后，本方法还包括以下步骤：
分析所述荧光分子图像，获得所述若干荧光分子团在对应采集时刻的空间位置坐标；
根据所述空间位置坐标和所述采集时刻计算目标区域的气流运动速度。
进一步的，虽然相机和像增强器采集图像的时间很短，但其仍然对应的是一个时间段，为了保证采集到的每幅图像包含相等时长的荧光信息量，便于后续处理，所述相邻时刻的两张荧光分子图像曝光时长相等。
进一步的，为了进一步提高相邻两帧图像间的探测帧频，所述相机为跨帧相机，所述步骤3具体为：
所述跨帧相机对所述目标区域进行图像采集，连续开启两次快门，所述像增强器根据所述跨帧相机的快门对所述目标区域进行一次曝光，获得相邻时刻的两张荧光分子图像；
其中，所述跨帧相机开启第一次快门的时刻为
，所述跨帧相机结束第一次快门的时刻为
，所述跨帧相机开启第二次快门的时刻为
，所述跨帧相机结束第二次快门的时刻为
，所述像增强器开始曝光的时刻为
，所述像增强器结束曝光的时刻为
，则有
。
进一步的，将激光激发获得的若干荧光分子团的像分为两个光路，两个光路分别对应独立的相机和像增强器，通过两个光路的配合能够进一步提高荧光探测帧频，能够获得连续的四幅图像，提高荧光图像高帧频率探测的数量，因此，所述相机包括第一相机和第二相机，所述像增强器包括第一像增强器和第二像增强器；
所述步骤2具体为：所述激光激发所述目标区域内的气体分子，获得若干荧光分子团，所述若干荧光分子团的像被分光为第一光路和第二光路；
所述步骤3具体为：所述第一相机根据所述第一光路对所述目标区域开启两次快门，对应所述第一像增强器对所述目标区域进行一次曝光，获得相邻时刻的两张第一荧光分子图像；所述第二相机根据所述第二光路对所述目标区域开启两次快门，对应所述第二像增强器对所述目标区域进行一次曝光，获得相邻时刻的两张第二荧光分子图像。
进一步的，为了使分光后的两个光路采集到的连续四幅图像在整体上间隔时间相等，便于后续处理，对分光后的两个光路进行时序控制，所述第一像增强器和所述第二像增强器分别对所述第一光路和第二光路进行曝光，其中，所述相邻时刻的两张第一荧光分子图像和所述相邻时刻的两张第二荧光分子图像间隔时间均相同。由此，对于每一个采集周期，所述第一光路上采集到的为第1、2幅图像，所述第二光路上采集到的为第3、4幅图像，所述第一光路上采集到的图像和所述第二光路上采集到的图像间隔时间相同。
为了实现上述目的，本发明提供了一种荧光探测装置，所述荧光探测装置包括激光发生器、像增强器、相机和时序控制器，所述时序控制器用于控制所述相机、所述像增强器和所述激光发生器，其中，所述荧光探测装置探测荧光图像包括以下步骤：
确定目标区域，所述激光发生器产生指向目标区域的激光；
利用所述激光激发所述目标区域内的气体分子，获得若干荧光分子团；
利用所述像增强器对所述目标区域内的所述若干荧光分子团进行曝光增强，并利用所述相机对所述目标区域进行图像采集，获得荧光分子图像；其中，所述相机对所述目标区域开启两次快门，对应所述像增强器对所述目标区域进行一次曝光，获得相邻时刻的两张荧光分子图像，所述荧光分子图像曝光时长为所述相机开启快门的时间和所述像增强器曝光时间的交集。
其中，本装置原理为：确定目标区域后，利用激光发生器产生的激光激发所述目标区域内的气体分子，获得若干荧光分子团；利用时序控制器控制像增强器和相机共同实现对所述目标区域的图像采集，使像增强器曝光一次的同时相机连续开启两次快门，有效的提高了荧光图像的采集帧频。
进一步的，将激光激发获得的若干荧光分子团的像分为两个光路，通过两个光路的配合能够进一步提高荧光探测帧频，因此，所述荧光探测装置还包括分光镜，所述分光镜对所述激光发生器产生的激光进行分光，获得第一光路和第二光路，所述第一光路和第二光路分别对应不同的像增强器和相机。
进一步的，由于激光的能量越强，被激发到激发态的分子就越多，产生的荧光强度就越强，便于后续的测量，因此，所述激光发生器为飞秒激光发生器。
本发明提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
1．通过控制像增强器和相机的时序使像增强器曝光一次的同时相机连续开启两次快门，有效的提高了荧光图像的采集帧频，使荧光探测帧频不再局限于像增强器固有拍摄帧频，能够更好的适用于复杂流场下的流场速度测量。
2．相比传统分幅图像采集方案，采集相同数量图像的条件下，提高了图像的信号强度，同时降低了系统的复杂性，具有良好的实用性。
3．扩展性强，通过分光镜将成像光路分光，并由独立的像增强器和跨帧相机与分光后的成像光路组成独立的图像采集通道，能够实现荧光图像的连续高时间分辨探测。
4．实现了流场荧光分子的高频探测，适用于超声速、高超声速、附面层和剪切流等复杂流场的显示及速度分布测量。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；
图1是本发明中荧光探测光路示意图；
图2是本发明中相机分路关系示意图；
图3是本发明中荧光探测时序关系示意图；
其中，1-目标区域，2-激光发生器，3-飞秒激光，4-聚焦透镜，5-荧光标记线，6-时序控制器，7-相机，8-像增强器，9-计算机，10-入射荧光，11-分光镜，12-第一像增强器，13-第一相机，14-第二像增强器，15-第二相机，16-相邻图像曝光间隔，17-图像曝光时长。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例一
请参考图1，本发明实施例一提供了一种荧光探测方法，所述荧光探测方法包括以下步骤：
步骤1：确定目标区域，产生指向目标区域的激光；
步骤2：利用激光激发所述目标区域内的气体分子，获得若干荧光分子团；
步骤3：利用像增强器对所述目标区域内的所述若干荧光分子团进行曝光增强，并利用相机对所述目标区域进行图像采集，获得荧光分子图像；其中，所述相机对所述目标区域开启两次快门，对应所述像增强器对所述目标区域进行一次曝光，获得相邻时刻的两张荧光分子图像，所述荧光分子图像曝光时长为所述相机开启快门的时间和所述像增强器曝光时间的交集。
其中，所述激光在目标区域产生的若干荧光分子团为所述目标区域内的固有分子受所述激光激发后形成的，具体的，所述固有分子可以为氮气分子或一氧化氮分子等空气中普遍存在的分子，对于不同的固有分子，其受激光激发并发出荧光与其自身的能级结构有关，因此，所述激光波长和所述固有分子的选择根据实际需要确定，本实施例在此不做具体限定。
其中，所述相机可以为CCD相机、高光谱相机或CMOS相机等，所述相机种类根据实际需要确定，本实施例在此不做具体限定。
其中，所述像增强器可以为真空管式像增强器或固体结构式像增强器，所述像增强器的种类根据实际需要确定，本实施例在此不做具体限定。
其中，在本实施例中，所述激光为飞秒激光，所述荧光分子图像曝光时长17均相等，相邻图像曝光间隔16相同，其具体间隔时长本实施例在此不做具体限定。
具体的，请参考图3，在本实施例中，图3中序列①表示所述像增强器的曝光时序，图3中序列②表示所述相机的快门时序，所述序列①和所述序列②的对应关系即为所述像增强器和所述相机共同对所述目标区域进行采集，获得荧光分子图像的时序关系。
其中，在本实施例中，在获得所述若干荧光分子图像时记录所述荧光分子图像对应的采集时刻，获得所述荧光分子图像之后，本方法还包括以下步骤：
分析所述荧光分子图像，获得荧光分子团在对应采集时刻的空间位置坐标；
根据所述空间位置坐标和所述采集时刻计算目标区域的气流运动速度。
其中，所述分析所述荧光分子图像可以通过DIS光流法、PCA光流法或FB光流法根据光强、形状、流动连续性等特征确定不同图像间荧光分子团的对应关系，具体算法的选择根据实际需要确定，本实施例在此不做具体限定。
实施例二
请参考图1，本发明实施例二提供了一种荧光探测方法，在实施例一的基础上，所述相机为跨帧相机，所述步骤3具体为：
所述跨帧相机对所述目标区域进行图像采集，连续开启两次快门，所述像增强器根据所述跨帧相机的快门对所述目标区域进行曝光，获得相邻时刻的两张荧光分子图像；
其中，请参考图3，所述跨帧相机开启第一次快门的时刻为
，所述跨帧相机结束第一次快门的时刻为
，所述跨帧相机开启第二次快门的时刻为
，所述跨帧相机结束第二次快门的时刻为
，所述像增强器开始曝光的时刻为
，所述像增强器结束曝光的时刻为
，则有
。
其中，所述激光在目标区域产生的若干荧光分子团为所述目标区域内固有的分子受所述激光激发后形成的，具体的，所述固有分子可以为氮气分子或一氧化氮分子等空气中普遍存在的分子，对于不同的固有分子，其受激光激发并发出荧光与其自身的能级结构有关，因此，所述激光波长和所述固有分子的选择根据实际需要确定，本实施例在此不做具体限定。
其中，请参考图2，在本实施例中，所述相机包括第一相机13和第二相机15，所述像增强器包括第一像增强器12和第二像增强器14；
所述步骤2具体为：所述激光激发所述目标区域内的气体分子，获得若干荧光分子团，所述若干荧光分子团的像被分光为第一光路和第二光路；
所述步骤3具体为：所述第一相机根据所述第一光路对所述目标区域开启两次快门，对应所述第一像增强器对所述目标区域进行一次曝光，获得相邻时刻的两张第一荧光分子图像；所述第二相机根据所述第二光路对所述目标区域开启两次快门，对应所述第二像增强器对所述目标区域进行一次曝光，获得相邻时刻的两张第二荧光分子图像。
具体的，请参考图2，所述激光在目标区域1产生若干荧光分子团后，入射荧光10被分光镜11分为第一光路和第二光路，第一像增强器12和第一相机13共同根据所述第一光路对所述目标区域进行图像采集，获得相邻时刻的两张所述第一荧光分子图像；第二像增强器14和第二相机15共同根据所述第二光路对所述目标区域进行图像采集，获得相邻时刻的两张所述第二荧光分子图像。
具体的，请参考图3，在本实施例中，图3中序列①表示所述第一像增强器的曝光时序，图3中序列②表示所述第一相机的快门时序，所述序列③表示所述第二像增强器的曝光时序，所述序列④表示所述第二相机的快门时序，所述序列①、所述序列②、所述序列③和所述序列④的对应关系即所述第一光路和所述第二光路上对应的相机和像增强器对所述目标区域进行采集，获得荧光分子图像的时序关系。
其中，请参考图3，在本实施例中，所述第一像增强器12和所述第二像增强器14分别根据所述第一光路和第二光路对所述目标区域进行曝光，其中，所述相邻时刻的两张第一荧光分子图像和所述相邻时刻的两张第二荧光分子图像间隔时间均相同；其中，所述间隔时间根据实际需要确定，本实施例在此不做具体限定。
实施例三
请参考图1-3，本发明实施例三提供了一种荧光探测装置，所述荧光探测装置包括激光发生器、像增强器、相机和时序控制器，所述时序控制器用于控制所述相机、所述像增强器和所述激光发生器，其中，所述荧光探测装置探测荧光图像包括以下步骤：
确定目标区域，所述激光发生器产生指向目标区域的激光；
利用所述激光激发所述目标区域内的气体分子，获得若干荧光分子团；
利用像增强器对所述目标区域内的所述若干荧光分子团进行曝光增强，并利用所述相机对所述目标区域进行图像采集，获得荧光分子图像；其中，所述相机对所述目标区域开启两次快门，对应所述像增强器对所述目标区域进行一次曝光，获得相邻时刻的两张荧光分子图像，所述荧光分子图像曝光时长为所述相机开启快门的时间和所述像增强器曝光时间的交集。其中，在本实施例中，所述激光发生器为飞秒激光发生器，所述荧光探测装置还包括分光镜，所述分光镜对所述激光发生器产生的激光进行分光，获得第一光路和第二光路，所述第一光路和第二光路分别对应不同的像增强器和相机，具体的，请参考图2，所述激光在目标区域产生若干荧光分子团后，入射荧光10被分光镜11分为第一光路和第二光路，第一像增强器12和第一相机13共同根据所述第一光路对所述目标区域进行图像采集，获得相邻时刻的两张第一荧光分子图像；第二像增强器14和第二相机15共同根据所述第二光路对所述目标区域进行图像采集，获得相邻时刻的两张第二荧光分子图像。
具体的，请参考图1，所述荧光探测装置探测荧光图像的具体步骤包括：
确定目标区域1，将飞秒激光发生器2输出的飞秒激光3经过聚焦透镜4会聚后在所述目标区域1聚焦成一线状细光丝，激发气体分子产生荧光标记线5；
利用时序控制器6控制所述第一像增强器12、所述第一相机13、所述第二像增强器14和所述第二相机15以满足如图3所示的时序关系，获得连续的四张荧光分子图像，并传输至计算机9；
计算机9分析所述荧光分子图像，获得所述若干荧光分子团在对应采集时刻的空间位置坐标，最后根据所述空间位置坐标和所述采集时刻计算目标区域的气流运动速度。
其中，所述计算机9分析所述若干荧光分子图像可以通过DIS光流法、PCA光流法或FB光流法根据光强、形状、流动连续性等特征确定不同图像间荧光分子团的对应关系，具体算法的选择根据实际需要确定，本实施例在此不做具体限定。
其中，请参考图3，以最高帧频为0.33Mfps的像增强器为例，当相邻图像的曝光间隔16为150ns，图像曝光时长17为50ns时，本实施例提供的荧光探测装置的探测帧频通过所述第一光路和第二光路的配合，达到了1s÷150ns=6.6Mfps，相对像增强器的固有帧频具有显著提高，解决了荧光探测帧频受到像增强器固有拍摄帧频的限制而导致荧光图像采集帧频低的问题。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种荧光探测方法，其特征在于，所述荧光探测方法包括以下步骤：
步骤1：确定目标区域，产生指向目标区域的激光；
步骤2：利用激光激发所述目标区域内的气体分子，获得若干荧光分子团；
步骤3：利用像增强器对所述目标区域内的所述若干荧光分子团进行曝光增强，并利用相机对所述目标区域进行图像采集，获得荧光分子图像；其中，所述相机对所述目标区域开启两次快门，对应所述像增强器对所述目标区域进行一次曝光，获得相邻时刻的两张荧光分子图像，所述荧光分子图像曝光时长为所述相机开启快门的时间和所述像增强器曝光时间的交集。
2.根据权利要求1所述的一种荧光探测方法，其特征在于，所述激光为飞秒激光。
3.根据权利要求1所述的一种荧光探测方法，其特征在于，在获得所述若干荧光分子图像时记录所述荧光分子图像对应的采集时刻，获得所述荧光分子图像之后，本方法还包括以下步骤：
分析所述荧光分子图像，获得所述若干荧光分子团在对应采集时刻的空间位置坐标；
根据所述空间位置坐标和所述采集时刻计算目标区域的气流运动速度。
4.根据权利要求1所述的一种荧光探测方法，其特征在于，所述相邻时刻的两张荧光分子图像曝光时长相等。
5.根据权利要求1所述的一种荧光探测方法，其特征在于，所述相机为跨帧相机，所述步骤3具体为：
所述跨帧相机对所述目标区域进行图像采集，连续开启两次快门，所述像增强器根据所述跨帧相机的快门对所述目标区域进行一次曝光，获得相邻时刻的两张荧光分子图像；
其中，所述跨帧相机开启第一次快门的时刻为
，所述跨帧相机结束第一次快门的时刻为
，所述跨帧相机开启第二次快门的时刻为
，所述跨帧相机结束第二次快门的时刻为
，所述像增强器开始曝光的时刻为
，所述像增强器结束曝光的时刻为
，则有
。
6.根据权利要求1所述的一种荧光探测方法，其特征在于，所述相机包括第一相机和第二相机，所述像增强器包括第一像增强器和第二像增强器；
所述步骤2具体为：所述激光激发所述目标区域内的气体分子，获得若干荧光分子团，所述若干荧光分子团的像被分光为第一光路和第二光路；
所述步骤3具体为：所述第一相机根据所述第一光路对所述目标区域开启两次快门，对应所述第一像增强器对所述目标区域进行一次曝光，获得相邻时刻的两张第一荧光分子图像；所述第二相机根据所述第二光路对所述目标区域开启两次快门，对应所述第二像增强器对所述目标区域进行一次曝光，获得相邻时刻的两张第二荧光分子图像。
7.根据权利要求6所述的一种荧光探测方法，其特征在于，所述第一像增强器和所述第二像增强器分别根据所述第一光路和第二光路对所述目标区域进行曝光，其中，所述相邻时刻的两张第一荧光分子图像和所述相邻时刻的两张第二荧光分子图像间隔时间均相同。
8.一种荧光探测装置，其特征在于，所述荧光探测装置包括激光发生器、像增强器、相机和时序控制器，所述时序控制器用于控制所述相机、所述像增强器和所述激光发生器，其中，所述荧光探测装置探测荧光图像包括以下步骤：
确定目标区域，所述激光发生器产生指向目标区域的激光；
利用所述激光激发所述目标区域内的气体分子，获得若干荧光分子团；
利用所述像增强器对所述目标区域内的所述若干荧光分子团进行曝光增强，并利用所述相机对所述目标区域进行图像采集，获得荧光分子图像；其中，所述相机对所述目标区域开启两次快门，对应所述像增强器对所述目标区域进行一次曝光，获得相邻时刻的两张荧光分子图像，所述荧光分子图像曝光时长为所述相机开启快门的时间和所述像增强器曝光时间的交集。
9.根据权利要求8所述的一种荧光探测装置，其特征在于，所述荧光探测装置还包括分光镜，所述分光镜对所述激光发生器产生的激光进行分光，获得第一光路和第二光路，所述第一光路和第二光路分别对应不同的像增强器和相机。
10.根据权利要求8所述的一种荧光探测装置，其特征在于，所述激光发生器为飞秒激光发生器。
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