干涉粒子成像系統(tǒng)采樣區(qū)內(nèi)粒子的判別方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種判別粒子是否在離焦成像系統(tǒng)采樣區(qū)內(nèi)的方法，特別是應(yīng)用于干 涉粒子成像系統(tǒng)，屬于光學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 干涉粒子成像（IPI)技術(shù)廣泛應(yīng)用于粒子場(chǎng)測(cè)量，其基本原理是片狀激光束照射 球形粒子，粒子發(fā)生散射，在粒子離焦像面上形成干涉條紋圖，通過測(cè)量干涉條紋圖樣的中 心位置可以得到粒子的位置信息，通過計(jì)算干涉條紋頻率可以得到粒子尺寸信息。IPI系統(tǒng) 是離焦成像系統(tǒng)，像面位于離焦位置，即物面上的點(diǎn)均不能在像面上成清晰像；IPI系統(tǒng)是 物面傾斜成像系統(tǒng)，物面上不同位置的放大倍率不同，若采用CCD圖像傳感器作為成像器 件，IPI系統(tǒng)的采樣區(qū)域是片狀激光束照明區(qū)域與受CCD靶面尺寸限制的物空間成像范圍交 集區(qū)域。
[0003] 對(duì)于粒子場(chǎng)測(cè)量，粒子的濃度、粒子數(shù)密度等是很重要的信息，而想要測(cè)量這些信 息首先需要知道粒子的采樣區(qū)域，然后判斷粒子是否在采樣區(qū)內(nèi)，因?yàn)樵贑CD靶面上成像的 并非只有采樣區(qū)內(nèi)的粒子，采樣區(qū)外的粒子受雜散光影響也可能在CCD靶面上成像。所以判 別粒子是否在IPI系統(tǒng)采樣區(qū)內(nèi)的方法至關(guān)重要，到目前為止，判別粒子是否在IPI系統(tǒng)采 樣區(qū)內(nèi)的方法還沒有被提出。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提出一種判別粒子是否在干涉粒子成像系統(tǒng)采樣區(qū)域的方法，利用這一方 法可以區(qū)分采樣區(qū)內(nèi)和采樣區(qū)外的粒子。該發(fā)明為計(jì)算粒子場(chǎng)中粒子的濃度、粒子數(shù)密度 提供有力的依據(jù)。
[0005] 本發(fā)明提出的干涉粒子成像系統(tǒng)采樣區(qū)內(nèi)粒子的判別方法的步驟如下：
[0006] 第1、理論推導(dǎo)片狀激光束照明區(qū)域內(nèi)干涉條紋圖尺寸范圍Φ t min~Φ t max。干涉 條紋圖尺寸計(jì)算公式如下
[0007]
(I)
[0008] 其中，g表示離焦距，w表示系統(tǒng)收集角，β表示放大倍率，Δχ表示CCD圖像傳感器像 元尺寸。
[0009] 由于物面上不同位置的放大倍率不同，所以CCD靶面上不同位置形成的干涉條紋 圖尺寸不同。
[0010]第2、搭建干涉粒子成像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在某一系統(tǒng)離焦距g處采集干涉粒子條紋圖像， 處理圖像得到實(shí)際干涉條紋圖尺寸Φθ。
[0011]實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由半導(dǎo)體激光器、空間濾波器、準(zhǔn)直透鏡、柱透鏡組、放在樣品池去離子 水中的標(biāo)準(zhǔn)球形粒子、成像鏡頭和CCD圖像傳感器組成。半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光通過空間濾 波器，去除雜散光影響，同時(shí)擴(kuò)束，然后經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡將發(fā)散光束準(zhǔn)直成平行光，平行光束 經(jīng)過柱透鏡組，將截面為圓形的光束一維壓縮，壓縮成片狀激光束照射粒子場(chǎng)，粒子放在樣 品池中的去離子水中。使用成像鏡頭收集粒子散射光，利用位于離焦像面上的CCD圖像傳感 器采集粒子干涉條紋圖。
[0012] 第3、根據(jù)CCD靶面上不同位置處干涉條紋圖的尺寸范圍，判斷粒子是否在采樣區(qū) 內(nèi)，若Φ t_min< Φ e< Φ t_max，則粒子在采樣區(qū)內(nèi)，否則粒子不在采樣區(qū)內(nèi)。
[0013] 第4、采集多幅圖像，重復(fù)第2步到第3步，判斷每個(gè)粒子是否在采樣區(qū)內(nèi)，記錄實(shí)驗(yàn) 結(jié)果，統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
[0014] 第5、根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算粒子場(chǎng)信息，比如粒子數(shù)密度。
[0015] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果：
[0016] 本發(fā)明為判別粒子是否在干涉粒子成像系統(tǒng)采樣區(qū)內(nèi)提供了一種新的方法，為粒 子的濃度、粒子數(shù)密度的測(cè)量提供有力依據(jù)。
【附圖說明】
[0017 ]圖1是本發(fā)明的算法流程圖。
[0018] 圖2是本發(fā)明的成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，其中：1是放在樣品池中去離子水中的標(biāo)準(zhǔn)球形 粒子，2是成像鏡頭，3是CCD圖像傳感器。樣品池除了底面外有4個(gè)端面，樣品池表面積大的 那兩個(gè)端面平行于鏡頭主面和CCD像面，標(biāo)準(zhǔn)球形粒子放在樣品池中的去離子水中。片狀激 光束照射在樣品池表面積小的端面上經(jīng)空氣-玻璃-水界面發(fā)生折射，折射后的激光束傾斜 于成像系統(tǒng)光軸。其中，表示光照射在樣品池上的入射角，0 t表示光照射在樣品池上的折 射角，τ表示片狀激光束中心面與光軸交點(diǎn)〇處粒子的散射光照射在樣品池上的入射角，τ ' 表示0處粒子的散射光照射在樣品池上的折射角，0W表示去離子水中的散射角，0air表示等 價(jià)到空氣中的散射角。
[0019] 圖3是本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)裝置。其中：1是放在樣品池中去離子水中的標(biāo)準(zhǔn)球形粒子，2 是成像鏡頭，3是CCD圖像傳感器，4是半導(dǎo)體激光器，5是空間濾波器，6是準(zhǔn)直透鏡，7是柱透 鏡組。
[0020] 圖4是干涉條紋圖像處理結(jié)果，其中：（a)是干涉粒子條紋圖像；（b)是粒子掩模圖 像；（c)是干涉條紋圖像邊緣提取結(jié)果；（d)是粒子掩模圖邊緣提取結(jié)果；（e)是(c)和(d)做 互相關(guān)運(yùn)算的結(jié)果；（f)是干涉粒子條紋圖像定位結(jié)果。
[0021] 圖5是干涉條紋圖尺寸在CCD靶面不同位置分布的理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中實(shí)線和虛 線之間的范圍表示理論推導(dǎo)得到的在片狀激光束照明區(qū)域內(nèi)粒子干涉條紋圖的尺寸范圍， 圓點(diǎn)表示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】 [0022] 實(shí)施例1:
[0023]如圖1所示本發(fā)明干涉粒子成像系統(tǒng)采樣區(qū)內(nèi)粒子的判別方法流程圖。
[0024]第一、首先理論推導(dǎo)片狀激光束照明區(qū)域內(nèi)干涉條紋圖尺寸范圍~ 干涉條紋圖尺寸計(jì)算公式如下
[0025]
(!)
[0026] 其中，g表示離焦距，w表示系統(tǒng)收集角，β表示放大倍率，Δχ表示CCD圖像傳感器像 元尺寸；
[0027] 第二、搭建干涉粒子成像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
[0028] 圖3是該發(fā)明的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由半導(dǎo)體激光器、空間濾波器、準(zhǔn)直透鏡、柱透 鏡組、放在樣品池去離子水中的標(biāo)準(zhǔn)球形粒子、成像鏡頭和CCD圖像傳感器組成；
[0029] 其中：半導(dǎo)體激光器4的波長λ = 532ηπι，最大功率Pmax=2W。激光器4發(fā)出的細(xì)光束 通過空間濾波器5擴(kuò)束并去除雜散光影響，擴(kuò)束后的發(fā)散光束經(jīng)焦距為200mm的準(zhǔn)直透鏡6 準(zhǔn)直為直徑15mm的平行光。平行光通過柱透鏡組7壓縮為厚度c = 0.6mm的片狀激光束，其 中，凸柱透鏡的焦距是& = 500臟