CN115718054A - 一种评估微颗粒堆积物粒径参数的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种评估微颗粒堆积物粒径参数的方法及系统，所述方法包括步骤：通过脉冲激光辐照微颗粒堆积物表面，以诱导激光等离子体的产生；捕获通过激光等离子体流场加速形成的颗粒射流；对捕获到的颗粒射流进行分析，以获取颗粒射流速度或动能参数；根据获取的颗粒射流速度或动能参数获取颗粒直径，以得到颗粒射流速度与微颗粒堆积物的粒径参数之间存在的对应关系；采用颗粒射流速度作为可观测探针，评估出微颗粒堆积物的粒径参数信息。本发明将颗粒射流速度作为微颗粒堆积物的粒径参数的可观测探针，可快速、原位、遥感监测微颗粒堆积物粒径参数。
Description
技术领域
本发明涉及激光等离子体应用领域和野外科考技术领域，特别是涉及一种评估微颗粒堆积物粒径参数的方法及系统。
背景技术
在工业生产和野外科考活动中，常常会遇到原位遥测颗粒堆积物的粒径的问题，一个近期备受关注的例子：“祝融号”火星车搭载的导航地形相机承担了对火星地表原位独特风沙地貌的拍摄任务，对拍摄影像进行分析时，地表颗粒粒径就是要提取的关键参数之一。值得提及的时，“祝融号”火星车搭载的导航地形相机通过遥感技术获取的影像对表面颗粒粒径的识别仅有毫米精度，如此受限的分辨率，决定了直接采用遥感影像无法定量获取到野外细风沙地貌区对应的表面微颗粒粒径的信息。
由于现有的遥感技术获取的影像对表面颗粒粒径的识别仅有毫米精度，其无法定量获取到野外细风沙地貌区对应的表面微颗粒粒径的信息，因此，目前急需一种能够实现原位遥测微颗粒粒径的方法。
发明内容
本发明为克服上述现有的遥感技术获取的影像对表面颗粒粒径的识别仅有毫米精度，其无法定量获取到野外细风沙地貌区对应的表面微颗粒粒径的信息的问题，提供一种评估微颗粒堆积物粒径参数的方法及系统，其由一束脉冲激光作为辅助首先驱动一颗粒射流的产生，然后采用相机遥感监测宏观可见的颗粒射流，从而构建一个原位评估微颗粒堆积物粒径参数的新方法，该通过监测激光驱动颗粒射流评估微颗粒堆积物粒径参数的方法具有快速、原位、遥感监测的特点。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种评估微颗粒堆积物粒径参数的方法，包括步骤：
S10.通过脉冲激光辐照微颗粒堆积物表面，以诱导激光等离子体的产生；
S20.捕获通过激光等离子体流场加速形成的颗粒射流；
S30.对捕获到的颗粒射流进行分析，以获取颗粒射流速度或动能参数；
S40.根据获取的颗粒射流速度或动能参数获取颗粒直径，以得到颗粒射流速度与微颗粒堆积物的粒径参数之间存在的对应关系；
S50.采用颗粒射流速度作为可观测探针，评估出微颗粒堆积物的粒径参数信息。
进一步的，作为优选技术方案，所述脉冲激光为聚焦脉冲激光，所述聚焦脉冲激光由LIBS系统提供，或者由参数固定的脉冲激光器输出并通过聚焦透镜后形成。
进一步的，作为优选技术方案，所述微颗粒堆积物为不同粒径的微颗粒堆积而成。
进一步的，作为优选技术方案，所述颗粒射流采用高速相机捕获，步骤S20具体为：
采用高速相机捕获在不同粒径的微颗粒堆积物表面产生的通过激光等离子体流场加速形成的颗粒射流；
进一步的，作为优选技术方案，步骤S30具体为：
对捕获到的颗粒射流进行分析，以获取不同粒径的微颗粒堆积物表面对应的颗粒射流速度或动能参数。
进一步的，作为优选技术方案，所述动能参数包括：
颗粒射流中被高速相机捕获到的颗粒在流场中感受到的平均冲击力，颗粒射流中被高速相机捕获到的颗粒感受到冲击力的横截面积，颗粒射流中被高速相机捕获到的颗粒质量，颗粒射流中被高速相机捕获到的颗粒速度。
进一步的，作为优选技术方案，步骤S40具体包括：
根据压强关系式及动量守恒定律，结合获取的不同粒径的微颗粒堆积物表面对应的颗粒射流速度或动能参数，获取颗粒直径，以得到颗粒射流速度与微颗粒堆积物的粒径参数之间存在的对应关系。
进一步的，作为优选技术方案，所述颗粒直径通过以下关系获取：
F∝A；
A∝d2；
mv∝F∝d2；
v∝1/d；
通过以上关系式可知，颗粒射流速度与微颗粒堆积物的粒径参数之间存在了一一对应的反比关系；
其中：F∝A表示基于流场阻力模型，颗粒在流场中受到的作用力；F表示颗粒射流中被高速相机捕获到的颗粒在流场中感受到的平均冲击力；A表示颗粒射流中被高速相机捕获到的颗粒感受到冲击力的横截面积；d表示颗粒射流中被高速相机捕获到的颗粒直径；m表示颗粒射流中被高速相机捕获到的颗粒质量，v表示颗粒射流中被高速相机捕获到的颗粒速度。
进一步的，作为优选技术方案，所述颗粒射流速度的获取具体包括：
通过影像学方法计算高速相机记录的颗粒射流顶端位置随时间的变化，从而得到颗粒射流速度。
一种评估微颗粒堆积物粒径参数的系统，包括：
脉冲激光器和聚焦透镜，用于提供聚焦脉冲激光，以辐照到不同粒径的微颗粒堆积物表面，通过激光烧蚀产生激光等离子体；
高速相机，用于捕获记录通过激光等离子体流场加速而形成的颗粒射流；
计算模块，利用影像学方法计算高速相机记录的颗粒射流中颗粒的位置随时间的变化，计算得到颗粒射流中被高速相机捕获到的颗粒速度，得到颗粒射流速度，并拟合得到颗粒射流速度与粒径之间的关系；
其中，微颗粒堆积物由不同粒径的微颗粒堆积而成，用于在聚焦脉冲激光的辐照下产生激光等离子体。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明将颗粒射流速度作为微颗粒堆积物的粒径参数的可观测探针，可快速、原位、遥感监测宏观可见的颗粒射流，从而构建一个原位评估微微颗粒堆积物粒径参数的新方法。
附图说明
图1为本发明对应的微颗粒堆积物的粒径评估方法流程示意图。
图2为本发明颗粒射流顶端速度与微颗粒堆积物的粒径参数之间的关系图。
图3为本发明一种评估微颗粒堆积物粒径参数的系统应用场景简图。
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的；相同或相似的标号对应相同或相似的部件；附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征更易被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围作出更为清楚的界定。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
此外，若有“第一”、“第二”等术语仅用于描述目的，主要是用于区分不同的装置、元件或组成部分(具体的种类和构造可能相同也可能不同)，并非用于表明或暗示所指示装置、元件或组成部分的相对重要性和数量，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。
实施例1
本实施例为克服现有的遥感技术获取的影像对表面颗粒粒径的识别仅有毫米精度，其无法定量获取到野外细风沙地貌区对应的表面微颗粒粒径的信息的问题，提供一种评估微颗粒堆积物粒径参数的方法，其由一束脉冲激光作为辅助首先驱动一颗粒射流的产生，然后采用相机遥感监测宏观可见的颗粒射流，从而构建一个原位评估微颗粒堆积物粒径参数的新方法，该通过监测激光驱动颗粒射流评估微颗粒堆积物粒径参数的方法具有快速、原位、遥感监测的特点。
需要说明的是，细风沙地貌表层是由粒径为几十微米到百微米不等的颗粒堆积而成的离散微颗粒堆积物。当一束强脉冲激光与具有一定孔隙率的颗粒堆积物表面相互作用时，会发生以下物理过程：被激光辐照到的颗粒发生熔化、蒸发，形成沿着垂直于靶面向上的方向做高速流动的瞬态激光等离子体；由于孔隙的存在，激光等离子体的产生位置会渗透到颗粒靶表层以下；由于激光等离子体流场压强梯度的存在，包裹在激光等离子体流场内的表层颗粒会被垂直于靶面向上的激光等离子体流场直接加速，并沿着激光等离子体流动的方向以一定速度定向从靶面出射(出射速度通常在几米到几百米每秒)；随着时间的演化，出射粒子形成一尺寸在毫米量级时其密度仍可宏观容易识别的颗粒射流。显然，基于流体阻力模型，当颗粒的材质确定时，处于激光等离子体流场中的这些颗粒获得的初始速度(也即颗粒射流速度)直接关联到了颗粒粒径的信息。因此，通过在不提升现有相机分辨性能的前提下，从直接拍摄颗粒堆积物表面来获取颗粒粒径信息，转变成由一束脉冲激光作为辅助首先驱动一颗粒射流的产生，然后采用相机遥感监测宏观可见的颗粒射流，可以构建一个原位评估微颗粒堆积物粒径参数的新方法。
本实施例的一种评估微颗粒堆积物粒径参数的方法，如图1所示，包括步骤：
S10.通过脉冲激光辐照微颗粒堆积物表面，以诱导激光等离子体的产生。
在本步骤中，脉冲激光为聚焦脉冲激光，聚焦脉冲激光由LIBS系统提供，也可以由参数固定的脉冲激光器输出并通过聚焦透镜后形成。而微颗粒堆积物为不同粒径的微颗粒堆积而成。
故此，本步骤具体为：
由参数固定的脉冲激光器输出并通过聚焦透镜后形成的聚焦脉冲激光辐照不同粒径的微颗粒堆积而成的微颗粒堆积物表面，以诱导激光等离子体的产生。
激光等离子体的产生过程及原理参见背景技术，其为现有技术，在此不对其进行过多阐述。
S20.捕获通过激光等离子体流场加速形成的颗粒射流。
在本步骤中，颗粒射流通过高速相机捕获，故此，本步骤具体为：
采用高速相机捕获在不同粒径的微颗粒堆积物表面产生的通过激光等离子体流场加速形成的颗粒射流。
S30.对捕获到的颗粒射流进行分析，以获取颗粒射流速度或动能参数。
本步骤具体为：
分析捕获到的颗粒射流，计算获得不同粒径的微颗粒堆积物表面对应的颗粒射流速度或动能参数。
其中：颗粒射流速度是通过影像学方法计算高速相机记录的颗粒射流顶端位置随时间的变化而得到的。
动能参数包括：
颗粒射流中被高速相机捕获到的颗粒在流场中感受到的平均冲击力，颗粒射流中被高速相机捕获到的颗粒感受到冲击力的横截面积，颗粒射流中被高速相机捕获到的颗粒质量，颗粒射流中被高速相机捕获到的颗粒速度。
S40.根据获取的颗粒射流速度或动能参数获取颗粒直径，以得到颗粒射流速度与微颗粒堆积物的粒径参数之间存在的对应关系。
在本步骤中，可根据压强关系式及动量守恒定律，结合获取的不同粒径的微颗粒堆积物表面对应的颗粒射流速度或动能参数，获取颗粒直径，以得到颗粒射流速度与微颗粒堆积物的粒径参数之间存在的对应关系。
具体为：基于流场阻力模型，可通过关系式F∝A得到颗粒在流场中受到的作用力，而A∝d2，颗粒获得的动量为mv∝F∝d2，故此，通过上述关系式得到v∝1/d，即为颗粒射流速度随颗粒粒径的变化关系，从而得到颗粒射流速度与微颗粒堆积物的粒径参数之间存在了一一对应的反比关系。
其中：F∝A表示基于流场阻力模型，颗粒在流场中受到的作用力；F表示颗粒射流中被高速相机捕获到的颗粒在流场中感受到的平均冲击力；A表示颗粒射流中被高速相机捕获到的颗粒感受到冲击力的横截面积；d表示颗粒射流中被高速相机捕获到的颗粒直径；m表示颗粒射流中被高速相机捕获到的颗粒质量，v表示颗粒射流中被高速相机捕获到的颗粒速度。
S50.采用颗粒射流速度作为可观测探针，即可评估出微颗粒堆积物的粒径参数信息。
本实施例将颗粒射流速度作为微颗粒堆积物的粒径参数的可观测探针，可快速、原位、遥感监测宏观可见的颗粒射流，从而构建一个原位评估微微颗粒堆积物粒径参数的新方法。
实施例2
本实施例公开了一种评估微颗粒堆积物粒径参数的方法，其在实施例1的基础上对该一种评估微颗粒堆积物粒径参数的方法进行举例说明。
在本实施例中：采用玻璃砂微颗粒堆积而成的颗粒靶为例，对本实施例1所述的一种评估微颗粒堆积物粒径参数的方法进行阐述。
本实施例具体包括以下步骤：
S10.将不同粒径的离散微米级玻璃砂分别自然堆积在样品盒内，作为微颗粒堆积物。
S20.将准备的具有不同粒径的颗粒堆积物样品依次放置于三维移动平台上，调整好脉冲激光器的工作参数，将其输出的脉冲激光束聚焦后垂直辐照到颗粒堆积物样品表面，通过激光烧蚀产生激光等离子体。
S30.采用高速相机直接记录通过由激光等离子体流场加速而形成的颗粒射流；每一个激光脉冲事件过后，三维移动平台在垂直于激光传输方向做一次移动，以便确保后续激光脉冲作用到没有被先前激光脉冲干扰到的微颗粒堆积物表面区域。
S40.利用影像学方法分别计算不同粒径的情况下对应高速相机拍摄的颗粒射流顶端位置随时间的变化，依次得到颗粒射流顶端速度。
S50.以粒径为横坐标，以颗粒射流顶端速度为纵坐标，建立两者之间的关系，如图2所示，图中使用了v∝1/(d+a)进行拟合(其中a为拟合参数，该拟合方程考虑了流场与颗粒作用时的有效横截面积)。在不同的实施例中也可利用多元回归、单变量拟合、偏最小二乘法或神经网络等方法建立定标曲线。
在本实施例中，粒径与颗粒射流速度之间存在的关系的分析过程参见实施例1，在此不对其进行重复阐述。
本实施例中展示了选用颗粒射流顶端速度作为微颗粒堆积物的粒径参数的可观测探针，还有一些其它方式基于颗粒射流定义的可观测探针也能够与粒径建立对应关系，此处不再举例展示。
实施例3
本实施例公开了一种评估微颗粒堆积物粒径参数的系统，该系统采用实施例1或实施例2的一种评估微颗粒堆积物粒径参数的方法，快速、原位、遥感监测宏观可见的颗粒射流，从而构建一个原位评估微微颗粒堆积物粒径参数。
本实施例公开的一种评估微颗粒堆积物粒径参数的系统，如图3所示，包括：脉冲激光器和聚焦透镜、高速相机、以及计算模块。
脉冲激光器和聚焦透镜1，用于提供聚焦脉冲激光2，以辐照到不同粒径的微颗粒堆积物3表面，通过激光烧蚀产生激光等离子体。
其中，微颗粒堆积物3为待测样品，由不同粒径的微颗粒堆积而成，其可在聚焦脉冲激光的辐照下产生激光等离子体。
高速相机4，用于捕获记录通过激光等离子体流场加速而形成的颗粒射流。
计算模块5，利用影像学方法计算高速相机4记录的颗粒射流中颗粒的位置随时间的变化，计算得到颗粒射流中被高速相机捕获到的颗粒速度，得到颗粒射流速度，并拟合得到颗粒射流速度与粒径之间的关系。
本实例的具体实现过程参见实施例1或实施例2，本实施例不再进行过多阐述。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种评估微颗粒堆积物粒径参数的方法，其特征在于，包括步骤：
S10.通过脉冲激光辐照微颗粒堆积物表面，以诱导激光等离子体的产生；
S20.捕获通过激光等离子体流场加速形成的颗粒射流；
S30.对捕获到的颗粒射流进行分析，以获取颗粒射流速度或动能参数；
S40.根据获取的颗粒射流速度或动能参数获取颗粒直径，以得到颗粒射流速度与微颗粒堆积物的粒径参数之间存在的对应关系；
S50.采用颗粒射流速度作为可观测探针，评估出微颗粒堆积物的粒径参数信息。
2.根据权利要求1所述的一种评估微颗粒堆积物粒径参数的方法，其特征在于，所述脉冲激光为聚焦脉冲激光，所述聚焦脉冲激光由参数固定的脉冲激光器输出并通过聚焦透镜后形成。
3.根据权利要求1所述的一种评估微颗粒堆积物粒径参数的方法，其特征在于，所述微颗粒堆积物为不同粒径的微颗粒堆积而成。
4.根据权利要求3所述的一种评估微颗粒堆积物粒径参数的方法，其特征在于，所述颗粒射流采用高速相机捕获，步骤S20具体为：
采用高速相机捕获在不同粒径的微颗粒堆积物表面产生的通过激光等离子体流场加速形成的颗粒射流。
5.根据权利要求4所述的一种评估微颗粒堆积物粒径参数的方法，其特征在于，步骤S30具体为：
对捕获到的颗粒射流进行分析，以获取不同粒径的微颗粒堆积物表面对应的颗粒射流速度或动能参数。
6.根据权利要求5所述的一种评估微颗粒堆积物粒径参数的方法，其特征在于，所述动能参数包括：
颗粒射流中被高速相机捕获到的颗粒在流场中感受到的平均冲击力，颗粒射流中被高速相机捕获到的颗粒感受到冲击力的横截面积，颗粒射流中被高速相机捕获到的颗粒质量，颗粒射流中被高速相机捕获到的颗粒速度。
7.根据权利要求6所述的一种评估微颗粒堆积物粒径参数的方法，其特征在于，步骤S40具体包括：
根据压强关系式及动量守恒定律，结合获取的不同粒径的微颗粒堆积物表面对应的颗粒射流速度或动能参数，获取颗粒直径，以得到颗粒射流速度与微颗粒堆积物的粒径参数之间存在的对应关系。
8.根据权利要求7所述的一种评估微颗粒堆积物粒径参数的方法，其特征在于，所述颗粒直径通过以下关系获取：
F∝A；
A∝d2；
mv∝F∝d2；
v∝1/d；
通过以上关系式可知，颗粒射流速度与微颗粒堆积物的粒径参数之间存在了一一对应的反比关系；
其中：F∝A表示基于流场阻力模型，颗粒在流场中受到的作用力；F表示颗粒射流中被高速相机捕获到的颗粒在流场中感受到的平均冲击力；A表示颗粒射流中被高速相机捕获到的颗粒感受到冲击力的横截面积；d表示颗粒射流中被高速相机捕获到的颗粒直径；m表示颗粒射流中被高速相机捕获到的颗粒质量，v表示颗粒射流中被高速相机捕获到的颗粒速度。
9.根据权利要求5所述的一种评估微颗粒堆积物粒径参数的方法，其特征在于，所述颗粒射流速度的获取具体包括：
通过影像学方法计算高速相机记录的颗粒射流顶端位置随时间的变化，从而得到颗粒射流速度。
10.一种评估微颗粒堆积物粒径参数的系统，其特征在于，包括：
脉冲激光器和聚焦透镜，用于提供聚焦脉冲激光，以辐照到不同粒径的微颗粒堆积物表面，通过激光烧蚀产生激光等离子体；
高速相机，用于捕获记录通过激光等离子体流场加速而形成的颗粒射流；
计算模块，利用影像学方法计算高速相机记录的颗粒射流中颗粒的位置随时间的变化，计算得到颗粒射流中被高速相机捕获到的颗粒速度，得到颗粒射流速度，并拟合得到颗粒射流速度与粒径之间的关系；
其中，微颗粒堆积物由不同粒径的微颗粒堆积而成，用于在聚焦脉冲激光的辐照下产生激光等离子体。
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