干涉粒子成像系统采样区内粒子的判别方法技术方案

一种干涉粒子成像系统采样区内粒子的判别方法，应用于干涉粒子成像系统，属于光学测量技术领域。该方法首先根据干涉条纹图尺寸计算公式推导片状激光束照明区域内干涉条纹图尺寸范围Φt_min～Φt_max。然后搭建干涉粒子成像实验系统，在系统离焦距g处采集干涉粒子条纹图像，处理图像得到实际干涉条纹图尺寸Φe，判断粒子是否在采样区内，若Φt_min＜Φe＜Φt_max，则粒子在采样区内，否则粒子不在采样区内。采集多幅图像，判断每个粒子是否在采样区内，记录实验结果，统计实验数据。根据实验结果，计算粒子场信息，比如粒子数密度。本发明专利技术为判别粒子是否在干涉粒子成像系统采样区内提供了一种新的方法，为粒子的浓度、粒子数密度的测量提供有力依据。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种判别粒子是否在离焦成像系统采样区内的方法，特别是应用于干 涉粒子成像系统，属于光学测量

技术介绍
干涉粒子成像（IPI)技术广泛应用于粒子场测量，其基本原理是片状激光束照射 球形粒子，粒子发生散射，在粒子离焦像面上形成干涉条纹图，通过测量干涉条纹图样的中 心位置可以得到粒子的位置信息，通过计算干涉条纹频率可以得到粒子尺寸信息。IPI系统 是离焦成像系统，像面位于离焦位置，即物面上的点均不能在像面上成清晰像；IPI系统是 物面倾斜成像系统，物面上不同位置的放大倍率不同，若采用CCD图像传感器作为成像器 件，IPI系统的采样区域是片状激光束照明区域与受CCD靶面尺寸限制的物空间成像范围交 集区域。 对于粒子场测量，粒子的浓度、粒子数密度等是很重要的信息，而想要测量这些信 息首先需要知道粒子的采样区域，然后判断粒子是否在采样区内，因为在CCD靶面上成像的 并非只有采样区内的粒子，采样区外的粒子受杂散光影响也可能在CCD靶面上成像。所以判 别粒子是否在IPI系统采样区内的方法至关重要，到目前为止，判别粒子是否在IPI系统采 样区内的方法还没有被提出。
技术实现思路
本专利技术提出一种判别粒子是否在干涉粒子成像系统采样区域的方法，利用这一方 法可以区分采样区内和采样区外的粒子。该专利技术为计算粒子场中粒子的浓度、粒子数密度 提供有力的依据。 本专利技术提出的的步骤如下： 第1、理论推导片状激光束照明区域内干涉条纹图尺寸范围Φ t min~Φ t max。干涉 条纹图尺寸计算公式如下(I) 其中，g表示离焦距，w表示系统收集角，β表示放大倍率，Δχ表示CCD图像传感器像 元尺寸。 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条纹 图尺寸不同。第2、搭建干涉粒子成像实验系统，在某一系统离焦距g处采集干涉粒子条纹图像， 处理图像得到实际干涉条纹图尺寸Φθ。实验系统由半导体激光器、空间滤波器、准直透镜、柱透镜组、放在样品池去离子 水中的标准球形粒子、成像镜头和CCD图像传感器组成。半导体激光器发出的光通过空间滤 波器，去除杂散光影响，同时扩束，然后经过准直透镜将发散光束准直成平行光，平行光束 经过柱透镜组，将截面为圆形的光束一维压缩，压缩成片状激光束照射粒子场，粒子放在样 品池中的去离子水中。使用成像镜头收集粒子散射光，利用位于离焦像面上的CCD图像传感 器采集粒子干涉条纹图。 第3、根据CCD靶面上不同位置处干涉条纹图的尺寸范围，判断粒子是否在采样区 内，若Φ t_min< Φ e< Φ t_max，则粒子在采样区内，否则粒子不在采样区内。 第4、采集多幅图像，重复第2步到第3步，判断每个粒子是否在采样区内，记录实验 结果，统计实验数据。 第5、根据实验结果，计算粒子场信息，比如粒子数密度。 本专利技术的优点和积极效果： 本专利技术为判别粒子是否在干涉粒子成像系统采样区内提供了一种新的方法，为粒 子的浓度、粒子数密度的测量提供有力依据。【附图说明】图1是本专利技术的算法流程图。 图2是本专利技术的成像系统结构图，其中：1是放在样品池中去离子水中的标准球形 粒子，2是成像镜头，3是CCD图像传感器。样品池除了底面外有4个端面，样品池表面积大的 那两个端面平行于镜头主面和CCD像面，标准球形粒子放在样品池中的去离子水中。片状激 光束照射在样品池表面积小的端面上经空气-玻璃-水界面发生折射，折射后的激光束倾斜 于成像系统光轴。其中，表示光照射在样品池上的入射角，0 t表示光照射在样品池上的折 射角，τ表示片状激光束中心面与光轴交点〇处粒子的散射光照射在样品池上的入射角，τ ' 表示0处粒子的散射光照射在样品池上的折射角，0W表示去离子水中的散射角，0air表示等 价到空气中的散射角。 图3是本专利技术的实验装置。其中：1是放在样品池中去离子水中的标准球形粒子，2 是成像镜头，3是CCD图像传感器，4是半导体激光器，5是空间滤波器，6是准直透镜，7是柱透 镜组。 图4是干涉条纹图像处理结果，其中：（a)是干涉粒子条纹图像；（b)是粒子掩模图 像；（c)是干涉条纹图像边缘提取结果；（d)是粒子掩模图边缘提取结果；（e)是(c)和(d)做 互相关运算的结果；（f)是干涉粒子条纹图像定位结果。 图5是干涉条纹图尺寸在CCD靶面不同位置分布的理论和实验结果，其中实线和虚 线之间的范围表示理论推导得到的在片状激光束照明区域内粒子干涉条纹图的尺寸范围， 圆点表示实验结果。【具体实施方式】 实施例1:如图1所示本专利技术流程图。第一、首先理论推导片状激光束照明区域内干涉条纹图尺寸范围~ 干涉条纹图尺寸计算公式如下(!) 其中，g表示离焦距，w表示系统收集角，β表示放大倍率，Δχ表示CCD图像传感器像 元尺寸； 第二、搭建干涉粒子成像实验系统 图3是该专利技术的实验系统，实验系统由半导体激光器、空间滤波器、准直透镜、柱透 镜组、放在样品池去离子水中的标准球形粒子、成像镜头和CCD图像传感器组成； 其中：半导体激光器4的波长λ = 532ηπι，最大功率Pmax=2W。激光器4发出的细光束 通过空间滤波器5扩束并去除杂散光影响，扩束后的发散光束经焦距为200mm的准直透镜6 准直为直径15mm的平行光。平行光通过柱透镜组7压缩为厚度c = 0.6mm的片状激光束，其 中，凸柱透镜的焦距是& = 500臟当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种干涉粒子成像系统采样区内粒子的判别方法，其特征在于该方法的步骤如下：第1、理论推导片状激光束照明区域内干涉条纹图尺寸范围Φt_min～Φt_max，干涉条纹图尺寸计算公式如下Φt=2g tan(w/2)β·Δx---(1)]]>其中，g表示离焦距，w表示系统收集角，β表示放大倍率，Δx表示CCD图像传感器像元尺寸；第2、搭建干涉粒子成像实验系统，在系统离焦距g处采集干涉粒子条纹图像，处理图像得到实际干涉条纹图尺寸Φe；第3、根据CCD靶面上不同位置处干涉条纹图的尺寸范围，判断粒子是否在采样区内，若Φt_min＜Φe＜Φt_max，则粒子在采样区内，否则粒子不在采样区内；第4、采集多幅图像，重复第2步到第3步，判断每个粒子是否在采样区内，记录实验结果，统计实验数据；第5、根据实验结果，计算粒子场信息。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张红霞，刘京，贾大功，刘铁根，张以谟，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12