一種測量粒子粒徑的方法

2023-04-30 11:38:01 1

專利名稱：一種測量粒子粒徑的方法
技術領域：
本發明屬於粒徑光學測量技術領域，涉及的是測量流場粒子粒徑的方法，特 別是一種使用配備雙相機的粒子圖像速度場儀(PIV)成像系統拍攝流場粒子圖 像,並利用雙目視覺匹配與粒子圖像灰度差異測量粒徑的方法。
背景技術：
粒子圖像速度場儀(Particle Image Velocimetry)是近二十年發展起來的 一種全新的流場顯示測量技術，融計算機圖像處理與光學技術為一體，具有能測 量研究空間全流場的瞬態速度和對流場幹擾小的優點，成為流場測試和分析的一 個非常有效的工具。
粒徑和速度分布的實驗測量是流場顯示及其定量分析研究的主要內容，因 而，研究人員通常都希望在獲得流場速度特性的時候，同時得到流場粒子粒度信 息。目前，相位都卜勒技術PDA (Phase Laser D叩pler Velocimetry)能夠實 現粒子尺寸與速度的同時測量，是非接觸式測量技術，具有較高的時間和空間分 辨率。但是，PDA技術只能實現流場的單點測量。基於PIV技術發展起來的各種 速度粒度同場實時測量技術，如圖像法、ILIDS (interferometric laser imaging for droplet sizing)禾口 GSV (Global Size and Velocity Measurement)等方 法繼承了 PIV技術非接觸式全場瞬態測量的優點，成為PIV技術研究的熱點之一。
圖像法將PIV圖像上粒子像點面積等效為圓面積，計算圓直徑作為粒子等效 粒徑。圖像法受衍射、相機景深和空間解析度等各種因素影響，粒徑測量精度不 高。ILIDS技術利用粒子反射光與折射光之間的相位差，在離焦平面上形成圓形 幹涉條紋圖，粒子粒徑不同，幹涉條紋圖的條紋數量不同，根據條紋數量即可得 到粒徑大小。GSV技術基於Mie散射理論光線經圓形粒子散射後形成強烈角振 蕩特徵，其角間距與粒子粒徑成一定比例關係；GSV採用的拍攝角度為60度， 在此角度下，振蕩間距對摺射率最不敏感，且與粒徑關係最為簡單；在相機前加裝狹縫光圈，解決粒子濃度較高時振蕩條紋重疊的問題；採用了窗口化FFT算法， 以進一步提高粒徑計算精度；GSV是目前速度粒度同場測量的最優技術。以上方 法的測速部分使用的都是傳統PIV技術。
己有技術中，張偉，吳志軍在"基於灰度統計的粒子圖像速度粒度實時測量 新技術"(《應用雷射》，Vol. 25， No. 2 April 2005) —文中介紹的數字PIV系統 測量噴霧粒徑的方法，是利用PIV系統兩臺雷射器輸出能量的差異，獲得噴霧流 場具有灰度差異的兩次曝光粒子圖像，在計算機上採用圖像集合校正、平滑和去 噪、二值化、元素分割以及膨脹和腐蝕等數字圖像分析處理方法對粒子圖像進行 預處理後，進行粒子識別和統計，獲得各個粒子像點位置、大小和灰度信息；統 計粒子圖像灰度直方圖，根據平均灰度區分兩次曝光粒子像點。計算粒子像點包 含的像素個數作為粒子像點面積，將粒子像點等效為圓形粒子像點，藉助圓面積 計算公式得到相應的等效直徑。比較兩次曝光粒子像點等效直徑以獲得最優值。 這種方法的缺點是各種數字圖像分析預處理方法都會影響粒子像點的大小，從而 影響到粒子直徑真實尺寸的確定；同時，該方法對雷射強度的穩定性要求很高， 雷射強度一旦改變，就需要對各種數字圖像分析處理方法重新設定；兩次曝光激 光能量的波動容易使比較結果產生誤差；另外，粒子成像還受雷射衍射和PIV 系統誤差的影響。

發明內容
本方法的目的在於提供一種利用雙目視覺匹配與粒子圖像灰度差異測量粒 徑的方法，該方法以配備雙相機的粒子圖像速度場儀成像系統作為成像設備，以 雷射片光脈衝照射流場，處於不同前向角的兩相機同時單次曝光，獲得兩幅流場 的具有灰度差異的粒子圖像，經圖像處理技術預處理後，利用雙目視覺匹配實現 同一粒子在兩幅圖像上對應兩粒子像點的配對，由兩粒子像點的灰度值總和經粒 徑求解公式得到粒子粒徑大小，從而獲得整個流場的粒度分布信息。
進一步，本發明可通過以下技術方案實現，具體包括
(1)合理選擇設定配備雙相機的粒子圖像速度場儀成像系統的各個參數 設定雷射器發射的雷射的波長義、所用相機鏡頭前加裝的孔板上的正方形小孔的
邊長Z/、雷射光路與兩個相機光軸的夾角即前向角《和《、相機鏡頭中心至相機光軸與雷射光路交點的距離吒、雷射片光脈衝寬度即相機曝光時間n相機快門
開啟的持續時間:r以及決定雷射片光脈衝光強/的雷射器輸出功率p;並將各個 參數輸入計算機。
(2) 獲取兩幅流場單次曝光的具有灰度差異的粒子圖像使用配備雙相機
的粒子圖像速度場儀成像系統發射一束雷射片光脈衝照明流場，兩個具有不同前 向角的相機伴隨雷射脈衝同時進行單次曝光，獲得流場的兩幅具有灰度差異的單 次曝光粒子圖像，輸入計算機。
(3) 粒子圖像的預處理針對本發明以粒子像點灰度值總和作為粒徑計算
主要參數，預處理必須儘可能保留粒子像點原始信息的要求，主要採用背景噪聲 和單點噪聲降噪處理，根據不同流場特性及實際處理要求可進一步選擇採用合適
的圖像幾何校正、平滑和元素分割等數字圖像處理技術中的一種或多種技術對粒 子圖像作預處理，改善圖像質量。
(4) 獲取粒子圖像上各個粒子像點的位置與灰度值總和信息釆用合適的 算子與方法對粒子圖像作邊緣檢測，區分出圖像上的各個不同粒子像點，以粒子
像點的重心作為中心點，得到粒子像點的中心位置;c和少，統計粒子像點佔據的
像素數量作為粒子像點面積^ ;以粒子像點在預處理後粒子圖像上對應各像素的 灰度值之和作為粒子像點灰度值總和G 。
(5) 利用雙目視覺匹配配對單個粒子在兩幅圖像上對應的不同灰度的粒子
像點粒子所成像點在粒子圖像上的位置與相機前向角存在一定關係，根據這一 關係可獲得具有不同前向角兩相機拍攝粒子圖像上各像素對應關係，此即為雙目 視覺匹配關係，以此關係為基礎，由(4)中所得真實粒子在一張圖像上所成粒 子像點的中心位置求得在另一張圖像上的對應位置，中心點位於此對應位置的粒 子像點便是真實粒子在另一張圖像上所成的粒子像點，從而實現同一粒子在兩幅 圖像上對應不同灰度粒子像點的配對，並擴展至整個粒子圖像。
(6) 根據各粒子成對的兩粒子像點的不同灰度信息以及(1)中選擇設定的
成像系統的各個參數，得到整個流場的粒度信息通過(1)中獲得的配備雙相
機的粒子圖像速度場儀成像系統的各個參數，利用公式(a)，求得粒徑求解係數
、根據粒子圖像上各粒子成對兩粒子像點的不同灰度信息，利用基於粒子圖像灰度差異的粒度求解公式(b)即可獲得各個粒子的粒徑大小，從而得到整個流
場的粒度信息。
formula see original document page 7
其中K為相機曝光能量轉化為圖像灰度的係數、^M為功率當量、"為粒子直
徑；Gi是單個真實粒子在前向角為《的相機獲得的粒子圖像上對應粒子像點的 灰度值總和；《是同一真實粒子在前向角為《的相機獲得的粒子圖像中對應粒
子像點的灰度值總和。
進一步，還可包括(7)輸出粒徑信息圖像將獲得整個流場的粒度信息以 圖像的形式顯示在計算機屏幕上，或由印表機輸出。
本發明的有益效果本發明根據不同前向角的粒子散射光光強有差異的特 點，利用兩個相機在不同前向角同時拍攝流場來獲得兩幅具有灰度差異的單次曝 光粒子圖像，單次曝光避免了兩次曝光雷射光強波動帶來的誤差；求解過程中將 雷射光強作為輸入參數，光強的波動可以直接在粒徑求解過程中體現出來，避免 了粒子粒徑測量的雷射光強穩定性的限制；採用雙相機的雙目視覺匹配技術實現 同一真實粒子在兩幅粒子圖像上對應粒子像點的精確配對，提高了粒子圖像配對 的準確性；利用相同光強雷射片光脈衝照明下不同前向角的粒子圖像灰度值相減 求取粒徑，最大程度地消除了系統誤差影響；同一真實粒子在兩幅圖像上的粒子 像點的灰度信息經過相同數字圖像處理方法處理得到，因此各種圖像處理誤差在 灰度值相減之下基本消除。克服了現有技術中的不足和缺陷，具有實質性特點和 顯著進步。


圖1是本發明一種實施例的脈衝雷射照明流場的情況示意圖。
具體實施例方式
以下結合測量水槽流場中示蹤粒子的粒徑信息的實施例和附圖1對本發明 作進一步詳細描述
(1) 由於水槽流場的流速較慢、流場內粒子較大且比較稀疏，測量解析度 要求不高，因而設定配備雙相機的粒子圖像速度場儀成像系統的各個參數如下 雷射器發射的雷射的波長為2-532"W、所用相機鏡頭前加裝的孔板的正方形小
孔的邊長為6'-14wm 、雷射光路與兩個相機光軸的夾角即前向角分別為《=90° 和《=60°、相機鏡頭中心至相機光軸與雷射光路交點的距離《=500附附、雷射
片光脈衝寬度即相機曝光時間/ = 5臘、相機快門開啟持續時間r = 10慰以及決
定雷射片光脈衝光強/的雷射器輸出功率P = 100mw ;將參數數值輸入計算機。
(2) 配備雙相機的粒子圖像速度場儀成像系統發射雷射片光脈衝照射水槽 流場，兩個相機伴隨雷射脈衝同時進行單次曝光，獲得流場的兩幅具有灰度差異 的粒子圖像，傳輸至計算機。
(3) 以r^lOms拍攝未添加粒子的流場圖像作為背景圖像，粒子圖像與背 景圖像上各像素灰度相減實現背景噪聲降噪，以低灰度閾值與濾波處理實現粒子 圖像單點噪聲降噪處理，不採取任何其它數字圖像預處理技術，最大程度保留粒 子圖像原始信息。
(4) 採用改進的微分算子進一步對兩幅粒子圖像作邊緣檢測，區分出各個
粒子像點，以粒子像點的重心作為中心點，得到粒子像點的中心位置x和y，統
計粒子像點佔據的像素數量作為粒子像點面積S ;以粒子像點在預處理後粒子圖 像上對應各像素的灰度值之和作為粒子像點灰度值總和G 。
(5) 以中心點位置像素替換粒子像點，採用雙目視覺匹配方法，根據粒子 與兩個相機的空間關係，對替換後的圖像作匹配，實現同一粒子在兩幅粒子圖像 上對應不同灰度粒子像點的配對，並拓展至整個粒子圖像。
(6) 由(1)中獲得的配備雙相機的粒子圖像速度場儀成像系統的各個參數，
利用公式^ = 1^4 求得粒徑求解係數^值，然後根據各真實粒子的配對粒 《M 4;r《子像點的不同灰度值信息經粒徑求解公式"- 2—'計算後得到各個粒子
的粒徑信息。(其中《為相機曝光能量轉化為圖像灰度的係數、f^為功率當 量、"為粒子直徑；《是單個真實粒子在前向角為《的相機獲得的粒子圖像上對
應粒子像點的灰度值總和；^是同一真實粒子在前向角為《的相機獲得的粒子
圖像中對應粒子像點的灰度值總和。)
(7)在計算機屏幕上顯示獲得的整個流場的粒子粒徑分布信息或通過列印 機輸出。
上述的對實施例的描述是為便於該技術領域的普通技術人員能理解和應用 本發明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，並 把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經過創造性的勞動。因此，本 發明不限於這裡的實施例，本領域技術人員根據本發明的揭示，對於本發明做出 的改進和修改都應該在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種測量粒子粒徑的方法，其特徵在於使用配備雙相機的粒子圖像速度場儀成像系統拍攝流場粒子圖像，並利用雙目視覺匹配與粒子圖像灰度差異測量粒徑。
2. 根據權利要求1所述的測量粒子粒徑的方法，其特徵在於該方法以配備 雙相機的粒子圖像速度場儀成像系統作為成像設備，以雷射片光脈衝照射流場， 處於不同前向角的兩相機同時單次曝光，獲得兩幅流場的具有灰度差異的粒子圖 像，經圖像處理技術預處理後，利用雙目視覺匹配實現同一粒子在兩幅圖像上對 應兩粒子像點的配對，由兩粒子像點的灰度值總和經粒徑求解公式得到粒子粒徑 大小，從而獲得整個流場的粒度分布信息。
3. 根據權利要求2所述的測量粒子粒徑的方法，其特徵在於包括(1) 設定雷射器發射的雷射的波長義、所用相機鏡頭前加裝的孔板上的正 方形小孔的邊長6'、雷射光路與兩個相機光軸的夾角即前向角《和《、相機鏡頭中心至相機光軸與雷射光路交點的距離《、雷射片光脈衝寬度即相機曝光時間"相機快門開啟的持續時間T以及決定雷射片光脈衝光強/的雷射器輸出功率 戶；並將各個參數輸入計算機；(2) 使用配備雙相機的粒子圖像速度場儀成像系統發射一束雷射片光脈衝 照明流場，兩個具有不同前向角的相機伴隨雷射脈衝同時進行單次曝光，獲得流場的兩幅具有灰度差異的單次曝光粒子圖像，輸入計算機；(3) 針對本發明以粒子像點灰度值總和作為粒徑計算主要參數，預處理必須儘可能保留粒子像點原始信息的要求，主要採用背景噪聲和單點噪聲降噪處 理，根據不同流場特性及實際處理要求可進一步選擇採用合適的圖像幾何校正、 平滑和元素分割等數字圖像處理技術中的一種或多種技術對粒子圖像作預處理，改善圖像質量；(4) 採用合適的算子與方法對粒子圖像作邊緣檢測，區分出圖像上的各個 不同粒子像點，以粒子像點的重心作為中心點，得到粒子像點的中心位置x和y, 統計粒子像點佔據的像素數量作為粒子像點面積S ;以粒子像點在預處理後粒子圖像上對應各像素的灰度值之和作為粒子像點灰度值總和G ;(5) 粒子所成像點在粒子圖像上的位置與相機前向角存在一定關係，根據 這一關係可獲得具有不同前向角兩相機拍攝粒子圖像上各像素對應關係，此即為 雙目視覺匹配關係，以此關係為基礎，由權利要求(4)中所得真實粒子在一張 圖像上所成粒子像點的中心位置求得在另一張圖像上的對應位置，中心點位於此 對應位置的粒子像點便是真實粒子在另一張圖像上所成的粒子像點，從而實現同 一粒子在兩幅圖像上對應不同灰度粒子像點的配對，並擴展至整個粒子圖像；(6) 通過權利要求(1)中獲得的配備雙相機的粒子圖像速度場儀成像系統的各個參數，利用公式(a)，求得粒徑求解係數、根據粒子圖像上各粒子成對兩粒子像點的不同灰度信息，利用基於粒子圖像灰度差異的粒度求解公式(b) 即可獲得各個粒子的粒徑大小，從而得到整個流場的粒度信息；formula see original document page 3
4.根據權利要求3所述的測量粒子粒徑的方法，其特徵在於還包括將獲 得整個流場的粒子粒徑信息以圖像的形式顯示在計算機屏幕上，或由印表機輸 出。
全文摘要
利用雙目視覺匹配與粒子圖像灰度差異測量粒徑的方法，屬於粒徑光學測量技術領域，本方法根據不同前向角散射光具有光強差異的特點，利用配備雙相機的粒子圖像速度場儀成像系統獲得流場經單次曝光形成的兩幅具有灰度差異的粒子圖像，經圖像處理技術預處理後，根據雙目視覺匹配原理，實現同一粒子在兩幅粒子圖像上對應兩粒子像點的配對，由兩粒子像點的灰度值總和經粒徑求解公式得到粒子粒徑大小，從而獲得整個流場的粒度信息，本方法對雷射光強和穩定性要求降低，粒子配對方法簡便，減少了系統誤差、數字圖像處理技術以及雷射衍射對粒徑測量結果的影響，克服了現有技術中的不足和缺陷，具有實質性特點和顯著進步。
文檔編號G01T5/00GK101295024SQ200710040310
公開日2008年10月29日 申請日期2007年4月29日 優先權日2007年4月29日
發明者吳志軍, 李治龍, 李理光, 田志松, 黃成傑 申請人:同濟大學