CN116297040B - 基于数字同轴全息成像的三维雾滴测量装置及方法 - Google Patents
基于数字同轴全息成像的三维雾滴测量装置及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116297040B CN116297040B CN202310556137.4A CN202310556137A CN116297040B CN 116297040 B CN116297040 B CN 116297040B CN 202310556137 A CN202310556137 A CN 202310556137A CN 116297040 B CN116297040 B CN 116297040B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- light
- double
- holographic imaging
- fogdrop
- hologram
- 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
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 title claims abstract description 53
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 77
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims abstract description 49
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims abstract description 6
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 21
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 17
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 16
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 claims description 14
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims description 13
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims description 10
- 238000007500 overflow downdraw method Methods 0.000 claims description 7
- 238000012805 post-processing Methods 0.000 claims description 6
- 238000005086 pumping Methods 0.000 claims description 6
- 238000013519 translation Methods 0.000 claims description 5
- 238000000605 extraction Methods 0.000 claims description 4
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 4
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 claims description 3
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 claims description 3
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims description 3
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 2
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 claims description 2
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims 3
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 6
- 238000009826 distribution Methods 0.000 abstract description 3
- 238000001093 holography Methods 0.000 description 5
- 239000003595 mist Substances 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 239000000571 coke Substances 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 1
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 description 1
- 241000238631 Hexapoda Species 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 238000012271 agricultural production Methods 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 238000013480 data collection Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 230000005571 horizontal transmission Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012634 optical imaging Methods 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004781 supercooling Methods 0.000 description 1
- 230000005570 vertical transmission Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
- G01N15/02—Investigating particle size or size distribution
- G01N15/0205—Investigating particle size or size distribution by optical means
- G01N15/0227—Investigating particle size or size distribution by optical means using imaging; using holography
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
- G01N15/06—Investigating concentration of particle suspensions
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
- G06T5/00—Image enhancement or restoration
- G06T5/50—Image enhancement or restoration using two or more images, e.g. averaging or subtraction
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
- G01N15/06—Investigating concentration of particle suspensions
- G01N15/075—Investigating concentration of particle suspensions by optical means
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
- G01N15/02—Investigating particle size or size distribution
- G01N15/0205—Investigating particle size or size distribution by optical means
- G01N15/0227—Investigating particle size or size distribution by optical means using imaging; using holography
- G01N2015/0233—Investigating particle size or size distribution by optical means using imaging; using holography using holography
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
- G01N15/02—Investigating particle size or size distribution
- G01N2015/0294—Particle shape
-
- 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
- G06T2207/20—Special algorithmic details
- G06T2207/20212—Image combination
- G06T2207/20221—Image fusion; Image merging
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
- Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Holo Graphy (AREA)
Abstract
本申请涉及一种基于数字同轴全息成像的三维雾滴测量装置及方法，包括本体，本体上设有双光路全息成像单元及粒子抽吸单元；双光路全息成像单元用于在采样区域生成斜交同轴双光路，并对雾滴全息图进行捕获；粒子抽吸单元置于双光路全息成像单元之间，用于更新采样区域中的含雾粒子流量。本发明基于数字全息技术对雾滴粒子进行测量，可以同步获取雾滴粒子的空间位置、尺寸、浓度、形状和谱分布等特征参数；其中，粒子抽吸单元可以增加雾滴采样效率，获取更高时间分辨率的雾滴结构演变观测资料；并通过搭建斜交同轴双光路，较大幅度增加了仪器的有效采样体积大小，适合进行结构化仪器设计。
Description
技术领域
本申请涉及云雾微物理观测技术领域，特别是涉及一种基于数字同轴全息成像的三维雾滴测量装置及方法。
背景技术
雾是由悬浮在近地面层空气中微小水滴或冰晶组成的一种天气现象，对交通安全、电力供应和农业生产等有严重的影响。提高对雾害的科学认识，增强防御雾害的能力，前提是科学认识雾的形成原因，准确获取雾的宏微观特征。
根据测量原理，常见的雾滴测量仪器有碰撞取样式和光学散射式等类型。机械式三用滴谱仪是典型的碰撞取样式仪器，该方式操作繁琐、易产生人工误差、时空分辨率小。光学散射式测量仪器，比如，美国DMT公司生产的FM-100型雾滴谱仪，是目前主要的雾滴观测仪器，具有一体化设计、自动记录等诸多优点。然而，光学散射式测量仪器需要对粒子的形状进行假设，无法获取粒子的空间位置信息，从而无法用于雾滴碰并、雾滴蒸发等物理过程的观测研究。
全息术是一种真正意义上的三维照相技术，可以获取粒子的空间位置、大小、形状和浓度等信息，已在煤粉燃烧、发动机喷雾等领域得到应用。公开号为CN108761573 A的发明专利提出了一种基于光学全息术的双光路光学雨量计，但是该雨量计采用的是上下两层平行光路的设计，无法用于云雾滴粒子信息获取。相比于光学全息，数字全息是近年来新兴的光学成像技术，它利用计算机大大简化了全息图的处理过程，在粒子场测量领域应用前景广阔。公开号为CN114942206 A和公开号为CN113484201 A的发明专利均提出了一种基于数字全息的云雾场测量装置，均使用单光路测量云雾粒子，采样体积有限，被取样含雾气流需要借助风力更新，装置缺少必要的防护机构，使用场景受限。
总的来看，数字全息技术是实现三维雾滴准确测量的有力工具，可以获取更多的粒子信息。如何增加雾滴采样空间体积、提高雾滴测量精度以及尽可能的设计适用于结构化仪器的数字全息光路，是工程技术人员急需解决的现实问题。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够适用于雾滴粒子测量，提高采样效率的基于数字同轴全息成像的三维雾滴测量装置及方法。
一种基于数字同轴全息成像的三维雾滴测量装置，所述装置包括:
本体；
双光路全息成像单元，设在所述本体上，用于在采样区域生成斜交同轴双光路，并对雾滴全息图进行捕获；
粒子抽吸单元，设在所述本体上并位于所述双光路全息成像单元之间，用于更新采样区域中的含雾粒子流量；
控制单元，设在所述双光路全息成像单元中，用于监控所述双光路全息成像单元温度和本体内部湿度，以及对所述双光路全息成像单元进行加热；
数据采集部件，设在所述本体上，分别与所述双光路全息成像单元、供电稳压单元及数据处理单元电连接，并在接收所述双光路全息成像单元的触发信号后，对雾滴全息图进行采集；
数据处理单元，与所述数据采集部件电连接，用于发送工作指令，对雾滴全息图进行采集、存储及分析；
供电稳压单元，设在所述本体上，并分别与所述双光路全息成像单元、数据采集部件电连接，用于稳定输出电能；
所述粒子抽吸单元包括依次电连接的气泵、流量计与风扇；
所述气泵与所述流量计均置于所述本体的腔体中，其中，所述气泵用于控制采样区域粒子更新速率，所述流量计用于监控所述气泵抽气时含雾滴气流的流量；
所述风扇设在所述本体的顶板上且正对采样区域，用于增加采样区域的抽气面积。
其中一个实施例中，所述双光路全息成像单元包括：
激光器；
光束调整组件，设在所述激光器的发射管路上，以对所述激光器发射的激光光束进行调整，在采样区域生成斜交同轴双光路；
两个远心镜头，其下分别设置有CCD相机，两所述远心镜头分别位于所述斜交同轴双光路的两条光路上，用于捕获干涉图样，并通过CCD相机获得雾滴全息图；
同步器，与两所述CCD相机电连接，以进行同步控制。
其中一个实施例中，所述光束调整组件包括：设在所述激光器发射管路上的反射镜、分束镜及转动棱镜，以对所述激光器发射的激光光束进行分路、方向或角度的调整。
其中一个实施例中，所述光束调整组件还包括设在所述激光器发射管路上的空间滤波器、扩束镜及准直镜；
所述空间滤波器、所述扩束镜及所述准直镜同轴间隔设置，其中，所述空间滤波器用于消除噪音和干扰，所述扩束镜用于对所述激光光束进行扩展，所述准直镜用于稳定所述激光光束方向。
其中一个实施例中，所述控制单元包括湿度探头、温度控制组件及总体监控组件；所述温度控制组件包括热电偶及主动控制加热器。
一种基于数字同轴全息成像的三维雾滴测量方法，根据基于数字同轴全息成像的三维雾滴测量装置来实现，所述方法包括：
计算机组件发出指令，激光器发出激光光束；
所述粒子抽吸单元控制抽气速率，实时更新采样区域的含雾滴气流的流量；
所述激光光束经过光束调整组件，形成两路光束，并在采样区域交叉形成斜交同轴双光路；
所述斜交同轴双光路通过所述光束调整组件分别射入远心镜头，并通过对应的CCD相机捕获，获得雾滴全息图；
所述数据采集与处理单元接收所述雾滴全息图，并对所述雾滴全息图进行后处理，得到三维雾滴粒子特征。
其中一个实施例中，所述数据采集与处理单元接收所述雾滴全息图，并对所述雾滴全息图进行后处理，得到三维雾滴粒子特征，包括：
接收所述CDD相机记录的同一时刻雾滴全息图，对所述雾滴全息图进行滤波去噪，并利用角谱法对所述雾滴全息图重建，得到不同距离上的粒子重建图像；
利用灰度梯度联合判焦方法，对粒子进行判焦，根据聚焦重建图二值化结果中雾滴粒子所占据的像素点数量，确定粒子的大小、形状信息；
采用图像融合法，准确重构双光路相交区域的粒子三维图像。
其中一个实施例中，所述图像融合法主要利用如下坐标转换公式：
；
其中， 、/>、/>为垂直于测量双臂的坐标系，/>、/>和/>为其中一条光路所在坐标系，/>为两坐标系之间的夹角，/>、/>和/>为与夹角有关的坐标平移系数。
上述基于数字同轴全息成像的三维雾滴测量装置及方法，其装置包括本体，本体上设有双光路全息成像单元及粒子抽吸单元；双光路全息成像单元用于在采样区域生成斜交同轴双光路，并对雾滴全息图进行捕获；粒子抽吸单元置于双光路全息成像单元之间，用于更新采样区域中的含雾粒子流量。本发明基于数字全息技术对雾滴粒子进行测量，可以同步获取雾滴粒子的空间位置、尺寸、浓度、形状和谱分布等特征参数；其中，粒子抽吸单元可以增加雾滴采样效率，获取更高时间分辨率的雾滴结构演变观测资料；并通过搭建斜交同轴双光路，较大幅度增加了仪器的有效采样体积大小，并且适合进行结构化仪器设计；方法采用双视角粒子全息图像融合重建，提高了三维雾滴的测量精度。
附图说明
图1为一个实施例中基于数字同轴全息成像的三维雾滴测量装置结构示意图；
图2为一个实施例中基于数字同轴全息成像的三维雾滴测量方法流程示意图；
图3为一个实施例中坐标系示意图；
附图标号：
底板11，外壳12，测量右臂13，测量左臂14，第一通光孔151，第二通光孔152；
激光器21，空间滤波器221，扩束镜222，准直镜223，第一反射镜2241，第二反射镜2242，分束镜225，第一转动棱镜2261，第二转动棱镜2262，第三转动棱镜2263，第四转动棱镜2264，第一远心镜头231，第二远心镜头232，第一CCD相机241，第二CCD相机242，同步器25，采样区域26；
气泵31，流量计32，风扇33；
计算机组件41，数据采集部件42，供电稳压单元51。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第 二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体地限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，为本发明提供的基于数字同轴全息成像的三维雾滴测量装置，包括：本体，本体为矩形盒体结构，其上设置有双光路全息成像单元、粒子抽吸单元、控制单元、数据采集部件42，数据处理单元及供电稳压单元。其中，双光路全息成像单元用于在采样区域生成斜交同轴双光路，并对雾滴全息图进行捕获；粒子抽吸单元用于更新采样区域中的含雾粒子流量；控制单元用于监控双光路全息成像单元温度和本体内部湿度，以及对双光路全息成像单元进行加热；数据采集与处理单元用于接收触发信号，对雾滴全息图进行采集、存储和分析；供电稳压单元用于稳定输出电能。
具体地，本体包括底板11和封装外壳，底板11为带有安装孔的不锈钢方形底板，用于固定双光路全息成像单元中的光学器件、气泵31、供电稳压单元51及数据采集部件42等。封装外壳包括外壳12、测量右臂13、测量左臂14，用于保护仪器内部光源元器件；外壳12沿底板11边沿设置，围合成矩形结构，其上附有盖板，盖板上对称设置有测量右臂13与测量左臂14，测量右臂13与测量左臂14均为矩形空腔结构，其顶端具有坡度，可以减小雾滴在测量右臂13和测量左臂14上的积水，防止昆虫、树叶等杂物掉落在顶端，影响测量。
测量右臂13与测量左臂14相对的一侧分别开设有通光孔15；其中，测量右臂13上的通光孔15用蓝宝石封装，用于辅助消除冷凝的水滴或冰晶；测量左臂14上的通光孔15用有色玻璃封装，用于滤除杂散光。外壳、测量右臂13及测量左臂14采用金属材质制成，优选铝合金材质。
双光路全息成像单元包括激光器21、光束调整组件、远心镜头、CCD相机及同步器25，光束调整组件主要由光学器件组成，用于对激光光束进行调整，包括空间滤波器221、扩束镜222、准直镜223，反射镜、分束镜225及转动棱镜。激光器21、空间滤波器221、扩束镜222、准直镜223及第一反射镜2241中心同轴间隔设置在底板11上，第一反射镜2241与水平方向夹角为45°。分束镜225、第二反射镜2242、第一转动棱镜2261及第二转动棱镜2262间隔设置在测量右臂13的空腔中，其中，分束镜225与第一转动棱镜2261竖向同轴设置，且第一转动棱镜2261与垂直方向夹角为45°；第二反射镜2242与第二转动棱镜2262竖向同轴，与分束镜225水平同轴，且第二反射镜2242与水平方向夹角为45°，第二转动棱镜2262与垂直方向夹角为45°第三转动棱镜2263、第四转动棱镜2264、第一远心镜头231，第二远心镜头232、第一CCD相机241及第二CCD相机242间隔设置在测量左臂14的空腔中，其中，第三转动棱镜2263、第一远心镜头231及第一CCD相机241竖向同轴设置，且第三转动棱镜2263与垂直方向夹角为45°；第四转动棱镜2264、第二远心镜头232及第二CCD相机242竖向同轴设置，且第四转动棱镜2264与垂直方向夹角为45°。双光路全息成像单元中，通过空间滤波器消除噪音和干扰，通过扩束镜对所述激光光束进行扩展，通过准直镜稳定激光光束方向，通过反射镜、转动棱镜改变激光光束的方向和角度，通过分束镜将激光光束分成两路，以在采样区域形成斜交同轴双光路，通过同步器对CCD相机的拍摄进行同步控制。
第一CCD相机241及第二CCD相机242分别与数据采集部件42、同步器25电连接；同步器25与激光器21，激光器21与供电稳压单元51之间均为电连接，其中，同步器25用于接收工作指令，触发第一CCD相机241和第二CCD相机242以及数据采集部件42开始工作；数据采集部件42安装在底板11上，并分别与供电稳压单元51、计算机组件41、第一CCD相机241及第二CCD相机242电连接，并在接收双光路全息成像单元的触发信号后，对雾滴全息图进行采集。
粒子抽吸单元包括依次电连接的气泵31、流量计32及风扇33，本体的顶板上设有一沿竖向贯穿的安装孔，该安装孔上固设有风扇33，风扇33设置在测量右臂13与测量左臂14之间，正对采样区域26，用于增加采样区域26的抽气面积，顶部设有滤网，用于防止树叶、杂草等掉入；气泵31与流量计32设置在本体之内，且气泵31与数据采集部件42电连接。气泵用于控制采样区域粒子更新速率，流量计监控气泵抽气时含雾滴气流的流量。
控制单元包括湿度探头、温度控制组件及总体监控组件，用于测量和监控装置内部激光器和两台CCD相机周围的温度和湿度，确保仪器内部干燥，并防止激光器21及两台CCD相机过冷或者过热工作，以及在通光孔15加热防止结霜结露；1个湿度探头位于底板11上；温度控制组件包括热电偶及主动控制加热器，热电偶有2个，分别位于激光器21附近和两台CCD相机之间，主动控制加热器分别设置在第一通光孔151和第二通光孔152周围内侧、激光器21底部和两台CCD相机表面；第一通光孔151和第二通光孔152周围内侧的主动控制加热器，呈环形包裹通光孔；其它两处主动控制加热器分别平铺在激光器21的底部和两台CCD相机相机表面；总体监控组件位于底板11上，收集装置内部温湿度传感器信息，并传送至数据处理单元进行显示。当总体监控组件检测到2处热电偶测量值过低时，驱动主动控制加热器工作，并发出警告信号。当湿度过大或者温度过高时，总体监控组件也发出警告信号，并自动切断电源供电。
数据处理单元包括信号接收组件、存储介质和计算机组件41，用于发送工作指令、接收数据采集部件42的雾滴全息图，并对其进行存储和处理分析。
工作时，首先在计算机组件41上设定粒子抽吸单元的工作频率和抽气速度，气泵31开始工作；含雾滴气流从风扇33处被吸入，从而对采样区域雾滴进行更新，流量计32监控抽气含雾气流的流量。
激光器21接收工作指令，发射光束，光束依次经过空间滤波器221、扩束镜222、准直镜223及第一反射镜2241后，由第一反射镜2241改变光束角度，由水平传输转为竖直传输，进入测量右臂13；同时，同步器25接收指令，触发第一CCD相机241和第二CCD相机242以及数据采集部件42开始工作；计算机组件41对气泵31、激光器21、第一CCD相机241和第二CCD相机242进行时序控制。
测量右臂13内的分束镜225将竖直传输的光束分为竖直传输的第一光束和水平传输的第二光束（强度1:1），第一光束经过第一转动棱镜2261后，射向对面的测量左臂14的第一通光孔151，被第三转动棱镜2263反射后进入第一远心镜头231，最后被第一CCD相机241捕获，第一光束对应的采样区域为测量右臂13与测量左臂14之间，记为第一采样区。第二光束经过第二反射镜2242与第二转动棱镜2262后，射向对面的测量左臂14的第二通光孔152，被第四转动棱镜2264反射后进入第二远心镜头232，最后被第二CCD相机242捕获，第二光束对应的采样区域为测量右臂13与测量左臂14之间，记为第二采样区。第一采样区与第二采样区相交部分为采样区域26。
第一CCD相机241和第二CCD相机242捕获雾滴全息图后，传输至数据采集部件42，利用计算机组件41调取带有时间标记的全息图，利用配套软件对全息图进行分析处理。
值得说明的是，当蒸发的云滴留下气溶胶颗粒和其他气溶胶颗粒撞击通光孔时，全息图的强度会降低，噪音会增加，因此定期清洁光学窗口。
如图2所示，为本发明提供的一种基于数字同轴全息成像的三维雾滴测量方法，采用基于数字同轴全息成像的三维雾滴测量装置实现，包括以下步骤：
步骤102，计算机组件发出指令，激光器发出激光光束，并触发同步信号，第一CCD相机241和第二CCD相机242也接收到触发信号开启工作。
步骤014，粒子抽吸单元开始工作，控制抽气速率，实时更新采样区域的含雾滴气流的流量。
步骤106，激光光束经过光束调整组件，形成两路光束，并在采样区域交叉形成斜交同轴双光路。
步骤108，斜交同轴双光路通过所述光束调整组件分别射入远心镜头，并通过对应的CCD相机捕获，获得雾滴全息图。
步骤110，数据采集与处理单元接收所述雾滴全息图，输出到存储介质进行保存，计算机组件对所述雾滴全息图进行后处理，得到三维雾滴粒子特征，并在配套软件上输出显示，包括雾滴粒子的大小、形状和空间位置。
进一步地，计算机组件对所述雾滴全息图进行后处理，得到三维雾滴粒子特征包括以下步骤：
步骤202：选取第一CCD相机241和第二CCD相机242记录的同一时刻全息图，先对全息图进行滤波去噪，然后设定激光波长、CCD相机像素点数量和像元大小，利用角谱法对全息图重建，得到不同距离上的粒子重建图像。
步骤204：利用灰度梯度联合判焦方法，对粒子进行判焦，确定粒子z轴位置，根据聚焦图像中的粒子质心位置确定x轴和y轴坐标，根据聚焦重建图二值化结果中雾滴粒子所占据的像素点数量，确定粒子的大小、形状信息。
步骤206：利用图像融合的方法，准确重构双光路相交的采样区域26的粒子三维图像。
进一步地，灰度梯度联合判焦方法是根据粒子处于聚焦平面时，再现像灰度残差最小和边缘梯度值最大原则进行判别。
进一步地，图像融合法主要利用如下坐标转换公式：
；
其中， 、/>、/>为垂直于测量双臂的坐标系，/>、/>和/>为其中一条光路所在坐标系，/>为两坐标系之间的夹角，/>、/>和/>为与夹角有关的坐标平移系数。如图3所示。/>为两坐标系之间的夹角，/>、/>和/>为与夹角有关的坐标平移系数。当光路固定以后，/>、/>、/>和/>都是常数，因此可以通过对仪器定标得到。
进一步地，坐标转换系数定标方法如下：
步骤302：将20μm直径的探针至于平移台上，探针位置位于轴确定位置上，其顶端处于双光路双较区域，记录此时粒子在/>平面上的位置/>，然后利用某一光路上的全息图，通过重建确定探针在该光路所对应坐标系中的位置/>。
步骤304：然后，探针顶端在x和z两个方向分别移动和/>，重建全息图也获得相应坐标系上的一组位移值/>。
步骤306：根据相对应的一组和/>，得到一个/>值：
；
步骤308：重复以上步骤302到步骤306，得到多个，求平均确定最优/>；根据/>再求相应的/>、/>和/>。
步骤310：对另外一条光路，重复步骤302到步骤308，确定该光路所对应的最优、/>、/>和/>，从而通过定标确定坐标转换矩阵中的参数。
本发明公开的基于数字同轴全息成像的三维雾滴测量装置及方法，其装置包括本体，本体上设有双光路全息成像单元及粒子抽吸单元；双光路全息成像单元用于在采样区域生成斜交同轴双光路，并对雾滴全息图进行捕获；粒子抽吸单元置于双光路全息成像单元之间，用于更新采样区域中的含雾粒子流量。本发明基于数字全息技术对雾滴粒子进行测量，可以同步获取雾滴粒子的空间位置、尺寸、浓度、形状和谱分布等特征参数；其中，粒子抽吸单元可以增加雾滴采样效率，获取更高时间分辨率的雾滴结构演变观测资料；并通过搭建斜交同轴双光路，较大幅度增加了仪器的有效采样体积大小，提升了雾滴粒子微物理特征参数的获取能力，适合进行结构化仪器设计；方法采用双视角粒子全息图像融合法进行重建，提高了三维雾滴的测量精度。
以上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范围。
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本发明范围的限制。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范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (4)
1.一种基于数字同轴全息成像的三维雾滴测量装置，其特征在于，所述装置包括：
本体；
双光路全息成像单元，设在所述本体上，用于在采样区域生成斜交同轴双光路，并对雾滴全息图进行捕获；
粒子抽吸单元，设在所述本体上并位于所述双光路全息成像单元之间，用于更新采样区域中的含雾粒子流量；
控制单元，设在所述双光路全息成像单元中，用于监控所述双光路全息成像单元温度和本体内部湿度，以及对所述双光路全息成像单元进行加热；
数据采集部件，设在所述本体上，分别与所述双光路全息成像单元、供电稳压单元及数据处理单元电连接，并在接收所述双光路全息成像单元的触发信号后，对雾滴全息图进行采集；
数据处理单元，与所述数据采集部件电连接，用于发送工作指令，对雾滴全息图进行采集、存储及分析；
供电稳压单元，设在所述本体上，并分别与所述双光路全息成像单元、数据采集部件电连接，用于稳定输出电能；
所述本体包括底板与封装外壳，所述封装外壳包括测量右臂与测量左臂，对称分别设置在粒子抽吸单元的两侧，所述测量右臂与所述测量左臂为空腔结构，其顶端具有坡度；
所述测量右臂与所述测量左臂相对的一侧分别开设有通光孔，其中，所述测量右臂上的通光孔用蓝宝石封装，所述测量左臂上的通光孔用有色玻璃封装；
所述斜交同轴双光路位于所述测量右臂与所述测量左臂之间，并位于所述采样区域内；
所述粒子抽吸单元包括依次电连接的气泵、流量计与风扇；
所述气泵与所述流量计均置于所述本体的腔体中，其中，所述气泵用于控制采样区域粒子更新速率，所述流量计用于监控所述气泵抽气时含雾滴气流的流量；
所述风扇设在所述本体的顶板上且正对采样区域，用于增加采样区域的抽气面积；
所述双光路全息成像单元包括：
激光器；
光束调整组件，设在所述激光器的发射管路上，以对所述激光器发射的激光光束进行调整，在采样区域生成斜交同轴双光路；
两个远心镜头，其下分别设置有CCD相机，两所述远心镜头分别位于所述斜交同轴双光路的两条光路上，用于捕获干涉图样，并通过CCD相机获得雾滴全息图；
同步器，与两所述CCD相机电连接，以进行同步控制；
所述光束调整组件包括：设在所述激光器发射管路上的反射镜、分束镜及转动棱镜，以对所述激光器发射的激光光束进行分路、方向或角度的调整；
所述光束调整组件还包括设在所述激光器发射管路上的空间滤波器、扩束镜及准直镜；
所述空间滤波器、所述扩束镜及所述准直镜同轴间隔设置，其中，所述空间滤波器用于消除噪音和干扰，所述扩束镜用于对所述激光光束进行扩展，所述准直镜用于稳定所述激光光束方向；
所述控制单元包括湿度探头、温度控制组件及总体监控组件；所述温度控制组件包括热电偶及主动控制加热器；其中，所述热电偶分别位于激光器附近和两台CCD相机之间，主动控制加热器分别设置在第一通光孔和第二通光孔周围内侧、激光器底部和两台CCD相机表面；所述总体监控组件设置在底板上，用于收集装置内部温湿度传感器信息，并传送至数据处理单元进行显示，并在温度过低时发出警告信号，在温度过高时自动切断供电。
2.一种基于数字同轴全息成像的三维雾滴测量方法，其特征在于，根据权利要求1所述的装置来实现，所述方法包括：
计算机组件发出指令，激光器发出激光光束；
所述粒子抽吸单元控制抽气速率，实时更新采样区域的含雾滴气流的流量；
所述激光光束经过光束调整组件，形成两路光束，并在采样区域交叉形成斜交同轴双光路；
所述斜交同轴双光路通过所述光束调整组件分别射入远心镜头，并通过对应的CCD相机捕获，获得雾滴全息图；
所述数据采集与处理单元接收所述雾滴全息图，并对所述雾滴全息图进行后处理，得到三维雾滴粒子特征。
3.根据权利要求2所述的基于数字同轴全息成像的三维雾滴测量方法，其特征在于，所述数据采集与处理单元接收所述雾滴全息图，并对所述雾滴全息图进行后处理，得到三维雾滴粒子特征，包括：
接收所述CDD相机记录的同一时刻雾滴全息图，对所述雾滴全息图进行滤波去噪，并利用角谱法对所述雾滴全息图重建，得到不同距离上的粒子重建图像；
利用灰度梯度联合判焦方法，对粒子进行判焦，根据聚焦重建图二值化结果中雾滴粒子所占据的像素点数量，确定粒子的大小、形状信息；
采用图像融合法，准确重构双光路相交区域的粒子三维图像。
4.根据权利要求3所述的基于数字同轴全息成像的三维雾滴测量方法，其特征在于，所述图像融合法主要利用如下坐标转换公式：
；
其中， 、/>、/>为垂直于测量双臂的坐标系，/>、/>和/>为其中一条光路所在坐标系，为两坐标系之间的夹角，/>、/>和/>为与夹角有关的坐标平移系数。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310556137.4A CN116297040B (zh) | 2023-05-17 | 2023-05-17 | 基于数字同轴全息成像的三维雾滴测量装置及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310556137.4A CN116297040B (zh) | 2023-05-17 | 2023-05-17 | 基于数字同轴全息成像的三维雾滴测量装置及方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116297040A CN116297040A (zh) | 2023-06-23 |
| CN116297040B true CN116297040B (zh) | 2023-08-18 |
Family
ID=86789064
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310556137.4A Active CN116297040B (zh) | 2023-05-17 | 2023-05-17 | 基于数字同轴全息成像的三维雾滴测量装置及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116297040B (zh) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105300854A (zh) * | 2015-10-27 | 2016-02-03 | 潍坊学院 | 雾滴参数测量装置及利用该装置的雾滴参数测量分析方法 |
| CN111459004A (zh) * | 2020-04-14 | 2020-07-28 | 清华大学 | 双光路合成孔径全息图拼接方法 |
| CN113484201A (zh) * | 2020-03-17 | 2021-10-08 | 浙江大学 | 一种大气云雾场颗粒探测与粒径测量的方法与装置 |
| CN114608709A (zh) * | 2022-03-23 | 2022-06-10 | 中国人民解放军国防科技大学 | 模拟飞秒激光穿透不同厚度和不同相态云雾的实验装置 |
| CN114689898A (zh) * | 2022-03-30 | 2022-07-01 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种观测飞秒激光成丝冲击云雾滴的装置及方法 |
| CN116008141A (zh) * | 2022-11-16 | 2023-04-25 | 西安华科光电有限公司 | 一种双路雾滴谱仪 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11353392B2 (en) * | 2020-09-21 | 2022-06-07 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army | Contact-free holographic imaging of aerosol particles from mobile platforms |
-
2023
- 2023-05-17 CN CN202310556137.4A patent/CN116297040B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105300854A (zh) * | 2015-10-27 | 2016-02-03 | 潍坊学院 | 雾滴参数测量装置及利用该装置的雾滴参数测量分析方法 |
| CN113484201A (zh) * | 2020-03-17 | 2021-10-08 | 浙江大学 | 一种大气云雾场颗粒探测与粒径测量的方法与装置 |
| CN111459004A (zh) * | 2020-04-14 | 2020-07-28 | 清华大学 | 双光路合成孔径全息图拼接方法 |
| CN114608709A (zh) * | 2022-03-23 | 2022-06-10 | 中国人民解放军国防科技大学 | 模拟飞秒激光穿透不同厚度和不同相态云雾的实验装置 |
| CN114689898A (zh) * | 2022-03-30 | 2022-07-01 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种观测飞秒激光成丝冲击云雾滴的装置及方法 |
| CN116008141A (zh) * | 2022-11-16 | 2023-04-25 | 西安华科光电有限公司 | 一种双路雾滴谱仪 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| J. Gao et al.."Characterization of Aerodynamic Fragmentation of A Drop by Cross-beam Two-view Digital In-line Holography".《ILASS Americas 26th Annual Conference on Liquid Atomization and Spray Systems》.2014,第2页右栏交叉光束双视图数字同轴全息配置章节-第5页结论与讨论章节. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116297040A (zh) | 2023-06-23 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8810796B2 (en) | Light processing system and method | |
| US8797550B2 (en) | Atmospheric measurement system | |
| US8866322B2 (en) | Atmospheric measurement system | |
| EP0764274B1 (en) | Fluid velocity measurement apparatus | |
| US7495774B2 (en) | Optical air data system | |
| CN201104273Y (zh) | 基于红外的测云传感器 | |
| US20130314694A1 (en) | Atmospheric measurement system and method | |
| Henneberger et al. | HOLIMO II: a digital holographic instrument for ground-based in situ observations of microphysical properties of mixed-phase clouds | |
| EP2671103A1 (en) | Atmospheric measurement system and method | |
| US9188677B2 (en) | Imaging doppler lidar for wind turbine wake profiling | |
| CN103842797A (zh) | 一维全场彩虹测量装置及测量方法 | |
| CN106970046A (zh) | 基于偏振探测的云粒子探测系统及方法 | |
| CN111344598A (zh) | 共光路数码成像的激光测距仪 | |
| CN116297040B (zh) | 基于数字同轴全息成像的三维雾滴测量装置及方法 | |
| US20150092179A1 (en) | Light ranging with moving sensor array | |
| CN117990568A (zh) | 一种云雾颗粒后向散射成像一体化测量装置 | |
| KR20110087206A (ko) | 다파장 레이저 산란 신호를 이용한 물체의 물성분 특성 측정 장치 및 방법 | |
| Marchant et al. | Aglite lidar: a portable elastic lidar system for investigating aerosol and wind motions at or around agricultural production facilities | |
| CN209689751U (zh) | 基于微反射镜阵列的快照式光谱成像系统 | |
| CN205826867U (zh) | 一种大气风速分布探测的装置 | |
| Saylor et al. | A method for increasing depth of field during droplet imaging | |
| Bauknecht et al. | Flow measurement techniques for rotor wake characterization on free-flying helicopters in ground effect | |
| Mei et al. | Particle emission source tracking by a scanning Scheimpflug lidar system | |
| Jones | Development and testing of the Virginia Tech Doppler global velocimeter (DGV) | |
| Tan et al. | Polarimetric reflectance and depolarization ratio from several tree species using a multiwavelength polarimetric lidar |
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 |