一种基于双光束照射的干涉粒子成像测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于双光束照射的干涉粒子成像测量方法。该方法采用两条强度相等的片状光束相向照射粒子场，在散射角为90°区域记录粒子散射光的聚焦像（两点像）和/或离焦像（条纹图）。基于单向梯度匹配和傅里叶变换技术，提取粒子离焦像位置及条纹数/条纹间距，利用修正Rife/二次修正Rife算法对频率进行亚像素细分。利用模版匹配方法提取粒子聚焦像位置坐标，再对每个粒子两点像进行自相关、Gaussian插值提取两点像之间距离，进而计算得到粒子尺寸大小，其测量精度可达到亚象素精度。结合PIV/PTV技术，可实现粒子速度测量。这种非接触测量方法具有原理简单、测量方便、成本低、精度高、实用性等特点，可用于粒子场尺寸、速度测量。
【专利说明】一种基于双光束照射的干涉粒子成像测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种粒子场测量【技术领域】，特别涉及一种基于光散射粒子尺寸、速度测量技术。
【背景技术】
[0002]粒子广泛存在于喷雾、流体、石油、化工、环保、材料、水利、食品、航空航天、燃料燃烧等领域。粒子尺寸、速度等参数不仅对材料和产品的性能和质量有直接影响，还与优化工艺过程、降低能源消耗、减少环境污染等有着直接或间接的关系。因此粒子场测试与诊断在工业、科研等领域具有重要的意义。目前已提出粒子场测量的常见方法有:
[0003]全息/数字全息技术，该方法是通过对粒子场全息图的再现像分析确定粒子尺寸、速度、分布及其它参量的一种光学测量方法。在数字全息术中，粒子场的全息图直接以数字方式记录在CCD上，再以数字方式再现，可同时获得3D粒子场的振幅和相位的全部信息，并直接以数字形式描述，结合PIV/PTV技术，实现粒子场如粒子尺寸、位置、速度及粒子分布等参数的定量测量和分析。
[0004]光散射/衍射法是一种基于光散射/衍射原理的粒子直径测量技术。激光束照射粒子发生散射/衍射，散射/衍射光强度分布与被照射颗粒的直径有关，根据探测器接收的衍射光能量分布可计算出被测粒子群的粒径分布。
[0005]相位多普勒技术(Phase Doppler Anemometry,简称PDA)是利用运动粒子散射光的多普勒效应实现粒子的尺寸和速度测量，利用散射光的相位差实现粒子尺寸的测量，利用散射光的频率差实现粒子速度的测量。
[0006]干涉粒子成像技术(IPI)是一种相对较新的粒子测量技术，其基本原理是基于Mie散射理论，通过测量粒子散射光干涉条纹图的条纹数/条纹频率，或聚焦两点像之间的距离得到粒子尺寸大小。结合PTV/PIV技术，实现粒子速度测量。该技术适用于透明球形粒子场测量。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是提出一种基于双光束照射的干涉粒子成像测量方法，通过粒子散射光的条纹图和/或聚焦像，得到粒子尺寸大小，结合PTV/PIV技术，得到粒子场速度分布，可用于喷雾粒子场粒子尺寸、速度、粒度分布、空间分布及气缸内空气速度场测量。
[0008]在单光束照射的IPI测量系统中，对散射角Θ古90°区域，这时物平面、成像透镜平面与CCD像面不平行，使得物面上不同位置处放大率不同，从而使聚焦像面上的相同直径粒子形成的聚焦两点像间距大小不同，离焦条纹图大小不同，进而影响了粒子像中心定位和条纹频率的提取精度。本发明中采用的双光束照射的实验系统解决了这个问题。在该系统中，当选择在90°方向接收散射光时，光束面、透镜平面和CCD像面三者严格平行，从而保证了物面上不同位置处的放大率相同，离焦像面上条纹圆大小相同，聚焦像面上相同直径粒子的两点像间距相同，提高了粒子位置、尺寸测量精度。由于采用相向双光束照射，可应用不透明粒子场测量。
[0009]本发明测量方法的具体测量过程包括:
[0010]第一、光路系统搭建
[0011]按照附图3搭建两光束相向照射的干涉粒子成像测量实验光路系统，包括激光器、扩束准直系统、正/负柱透镜组、分束镜、反射镜组组成的片状光束相向照射系统；以及(XD、成像透镜组成的成像系统；附图中相同的部件用相同的标记表示；
[0012]第二、粒子离焦条纹图和/或聚焦两点像采集
[0013]成像系统在散射角为90°区域接收粒子的散射光，在聚焦像面形成两点像，在离焦像面上形成条纹像。
[0014]第三、粒子条纹图处理方法
[0015]对采集到的粒子条纹图，对粒子干涉条纹图和粒子掩模图像，利用单向梯度算法分别提取其边缘图像，对所得到的边缘图像进行相关运算得到粒子条纹像中心坐标(X，y)(本发明中称之为单向梯度匹配算法)，根据粒子条纹图的中心坐标及粒子条纹图像形状、大小提取出单个粒子干涉条纹图。再对每个粒子干涉条纹图进行傅立叶变换，利用修正Rife/ 二次修正Rife算法提取条纹频率，得到粒子干涉条纹数N/条纹间距，其测量精度可达到亚象素精度；
[0016]第四、粒子聚焦像处理方法
[0017]对采集到的粒子聚焦两点像和粒子掩模图像(两点像掩模图)做相关运算，得到粒子像位置(中心)坐标(本发明中称之为模版匹配方法)，根据粒子像位置坐标及两点像间距提取出单个粒子两点像图像。再对每个粒子两点像进行自相关，Gaussian插值提取两点像之间距离Al，其测量精度可达到亚象素精度；
[0018]第五、粒子尺寸测量
[0019]对条纹模式测量，根据上步得到的条纹数N，由
【权利要求】
1.一种基于双光束照射的干涉粒子成像测量方法，其特征在于，该方法包括: 第一、激光器发出的光束经扩束准直系统、光束压缩系统压缩为片状光束，片状光束经分束镜分成强度相等的两束光，相向照射粒子场，粒子发生散射； 第二、由成像透镜、探测器CXD组成的成像系统，在散射角为90°区域接收粒子的散射光，在聚焦像面形成两点像，在离焦像面上形成条纹图； 第三、对上述成像系统采集到的粒子聚焦两点像和/或离焦条纹图，分别利用不同的图像处理算法，得到粒子尺寸大小和位置坐标； (1)、对条纹图，利用单向梯度匹配算法提取条纹图中心坐标(x，y)，根据粒子条纹图中心坐标及粒子干涉条纹图像的形状、大小提取出单个粒子干涉条纹图像；再对每个粒子干涉图进行傅立叶变换，利用修正Rife/ 二次修正Rife算法提取条纹频率，得到粒子干涉条纹数N/条纹间距；由
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，可以同时记录粒子聚焦像和离焦像，也可以单独记录粒子聚焦像和离焦像。
3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，对粒子直径和速度测量，可以采用离焦条纹图测量，也可以采用聚焦两点像测量。
【文档编号】G01P3/68GK103674791SQ201310702859
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月16日 优先权日:2013年12月16日
【发明者】吕且妮, 王祥, 吕通, 靳文华, 陈益亮 申请人:天津大学