一种基于成像的尘埃粒子浓度和速度测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于成像的尘埃粒子浓度和速度测量装置及方法，用以解决现有的尘埃浓度测量方法无法对无气流环境下的尘埃进行测量的技术问题。本发明专利技术的测量装置包括分别设置在探测区域四周的照明单元、成像单元、背板及光陷阱；照明单元用于将探测区域内的尘埃粒子照亮；照明单元包括激光器和照明整形镜组，照明整形镜组包括沿激光器出射光光路设置的第一柱面镜和第二柱面镜，激光器发出的出射光经第一柱面镜和第二柱面镜后转换为柱形光束，大大提高了光能利用率，同时通过成像单元，获取尘埃粒子的成像，进一步计算即可获取尘埃粒子的浓度和速度，以此有效解决了现有的测量方法无法对无气流环境下的尘埃进行测量的问题。法无法对无气流环境下的尘埃进行测量的问题。法无法对无气流环境下的尘埃进行测量的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于成像的尘埃粒子浓度和速度测量装置及方法


[0001]本专利技术涉及环境监测及行星探测领域，具体涉及一种基于成像的尘埃粒子浓度和速度测量装置及方法。

技术介绍

[0002]常规的尘埃粒子浓度测量一般分为取样法和非取样法。取样法是在气流装置中将尘埃颗粒取样到滤膜或采样泵上，通过对滤膜或采样泵上尘埃的重量进行测量来计算尘埃粒子的浓度，该方法仅能测量尘埃粒子浓度。非取样法主要采用光散射法，通过气流装置中激光的散射回波来计算尘埃粒子浓度，该方法可同时测量尘埃的粒子浓度和尘埃的运动速度。
[0003]以上两种尘埃测量方法均需依赖气流装置，不适用于无法产生气流的场合，例如对噪音要求比较高的场所，或无大气的行星和探月等活动场所。而在行星探测、探月工程等活动中，尘埃数据能揭示很多行星环境特殊现象，如辉光、微磁层等。但因月球表面没有大气，无法产生气流，因此采用现有的测量方法无法获取尘埃数据。

技术实现思路

[0004]本专利技术为了解决现有的尘埃粒子浓度测量方法无法对无气流环境下的尘埃进行测量的技术问题，而提供一种基于成像的尘埃粒子浓度和速度测量装置及方法。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术的技术解决方案如下：
[0006]一种基于成像的尘埃粒子浓度和速度测量装置，其特殊之处在于：
[0007]包括分别设置在探测区域四周的照明单元、成像单元、背板及光陷阱；
[0008]所述照明单元用于将探测区域内的尘埃粒子照亮；照明单元包括激光器和照明整形镜组；
[0009]所述照明整形镜组包括沿激光器出射光光路设置的第一柱面镜和第二柱面镜；所述第一柱面镜与第二柱面镜的轴线垂直；第一柱面镜为凸面朝向像方的正透镜，第二柱面镜为凸面朝向像方的正透镜；所述激光器位于第一柱面镜的焦点处，激光器的出射光经第一柱面镜、第二柱面镜后形成柱形光束进入探测区域；
[0010]所述成像单元和背板分别位于柱形光束所在探测区域的两侧；所述成像单元用于对探测区域内的尘埃粒子进行成像；所述背板靠近探测区域的一侧设有吸光涂层，用于遮挡外界杂散光；
[0011]所述光陷阱位于出射光穿过探测区域后的光路上，用于吸收杂散光。
[0012]进一步地，所述柱形光束的横截面为矩形，其平行成像单元光轴方向的光束边长为d，垂直成像单元光轴方向的光束边长为w；
[0013]其中，边长d的计算公式为：d＝2
×
f1×
tan(θ/2)，式中，f1为第一柱面镜的焦距，θ为激光器光源的发散角；
[0014]边长w的计算公式为：w＝2
×
f2×
tan(θ/2)，式中，f2为第二柱面镜的焦距。
[0015]进一步地，光束边长w取值为：1.01L<w<1.3L，其中，L为成像单元的线视场。
[0016]进一步地，所述成像单元包括壳体，沿入射光路依次设置在壳体内的滤光片、成像镜组及焦平面；
[0017]所述成像镜组包括沿光路依次设置的第一胶合镜、第二胶合镜、第三胶合镜、第一正透镜、第一负透镜和第二正透镜；
[0018]所述第一胶合镜由透镜一和透镜二胶合而成，其中透镜一为双凸面正透镜，透镜二为凸面朝向像方的弯月形负透镜；
[0019]所述第二胶合镜由透镜三和透镜四胶合而成，其中透镜三为双凸面正透镜，透镜四为双凹面负透镜；
[0020]所述第三胶合镜由透镜五和透镜六胶合而成，其中透镜五为凹面朝向像方的弯月形负透镜，透镜六为凸面朝向物方的弯月形正透镜；
[0021]所述第一正透镜为凹面朝向像方的弯月形透镜；
[0022]所述第一负透镜为凹面朝向像方的弯月形透镜；
[0023]所述第二正透镜为凹面朝向像方的弯月形透镜；
[0024]所述焦平面为CCD或CMOS探测器，用于将图像光信号转化为电信号。
[0025]进一步地，所述激光器为脉冲激光器，其脉冲频率为1000
‑
10000Hz，脉冲宽度为10ns
‑
10ms。
[0026]进一步地，所述成像单元前端与柱形光束光轴的距离为80～200mm；成像单元的F数为4～6，放大倍率为0.1～1。
[0027]进一步地，所述滤光片为带通滤光片，其中心波长与激光器的发射波长相同，且半峰全宽小于30nm。
[0028]此外，本专利技术还提供一种基于成像的尘埃粒子浓度和速度测量方法，其特殊之处在于，采用上述的基于成像的尘埃粒子浓度和速度测量装置，包括以下步骤：
[0029]步骤1】，激光器发出的出射光经照明整形镜组后，转换为柱形光束并进入探测区域；
[0030]步骤2】，探测区域内的尘埃粒子在柱形光束下发生散射，通过成像单元得到尘埃粒子图像，并获取尘埃粒子图像的DN值；
[0031]步骤3】，基于尘埃粒子图像的DN值，获得曝光时间内探测区域尘埃粒子散射光的光强；所述曝光时间为成像单元拍照的曝光时间；
[0032]步骤4】，基于步骤3】得到的光强，通过计算即可得到探测区域内的尘埃粒子浓度；
[0033]步骤5】，基于步骤2】得到的尘埃粒子图像，通过帧间帧内位移计算方法得到探测区域内尘埃粒子的速度。
[0034]进一步地，步骤4】具体为，基于步骤3】得到的尘埃粒子散射光的光强，根据散射原理计算得到探测区域内不同光强下的尘埃粒子数量，所述尘埃粒子数量与探测区域体积的比值即为探测区域内的尘埃粒子浓度。
[0035]进一步地，步骤5】具体为，所述尘埃粒子图像包括速度较快的尘埃粒子图像和速度较慢的尘埃粒子图像；
[0036]所述速度较快的尘埃粒子图像是指速度的尘埃粒子的图像，其中，p为焦
平面的像素尺寸，β为成像单元的放大倍率，τ为成像单元拍摄的同一图像中相邻两个激光脉冲之间的时间间隔；
[0037]所述速度较快的尘埃粒子的速度采用帧内位移计算方法计算，其计算公式为：
[0038][0039]式中，x1、y1为成像单元拍摄的同一图像中前一个激光脉冲对应的光斑位置坐标，x2、y2为成像单元拍摄的同一图像中后一个激光脉冲对应的光斑位置坐标；
[0040]所述速度较慢的尘埃粒子图像是指速度的尘埃粒子的图像，速度较慢的尘埃粒子的速度通过在相邻两帧图像间进行粒子匹配和质心定位，并结合时间间隔进行计算，其计算公式为：
[0041][0042]式中，x
a
、y
a
为前一幅图像中的尘埃光斑位置坐标，x
b
、y
b
为后一幅图像中的尘埃光斑位置坐标，Δt为相邻两幅图像之间的时间间隔。
[0043]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0044]1、本专利技术所构建的测量装置，通过第一柱面镜和第二柱面镜相配合的方式，将激光器发出的出射光整形为柱形光束，大大提高了光能利用率，以及成像区域的光能量密度；同时基于成像单元获取尘埃粒子的成像，并本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于成像的尘埃粒子浓度和速度测量装置，其特征在于：包括分别设置在探测区域(6)四周的照明单元、成像单元(3)、背板(4)及光陷阱(5)；所述照明单元用于将探测区域(6)内的尘埃粒子照亮；照明单元包括激光器(1)和照明整形镜组(2)；所述照明整形镜组(2)包括沿激光器(1)出射光光路设置的第一柱面镜(21)和第二柱面镜(22)；第一柱面镜(21)与第二柱面镜(22)的轴线垂直；所述第一柱面镜(21)和第二柱面镜(22)均为凸面朝向像方的正透镜；所述激光器(1)位于第一柱面镜(21)的焦点处，激光器(1)的出射光经第一柱面镜(21)、第二柱面镜(22)后形成柱形光束进入探测区域(6)；所述成像单元(3)和背板(4)分别位于柱形光束所在探测区域(6)的两侧；所述成像单元(3)用于对探测区域(6)内的尘埃粒子进行成像；所述背板(4)靠近探测区域(6)的一侧设有吸光涂层，用于遮挡外界杂散光；所述光陷阱(5)位于出射光穿过探测区域(6)后的光路上，用于吸收杂散光。2.根据权利要求1所述的基于成像的尘埃粒子浓度和速度测量装置，其特征在于：所述柱形光束的横截面为矩形，其平行成像单元(3)光轴方向的光束边长为d，垂直成像单元(3)光轴方向的光束边长为w；其中，边长d的计算公式为：d＝2
×
f1×
tan(θ/2)，式中，f1为第一柱面镜(21)的焦距，θ为激光器(1)光源的发散角；边长w的计算公式为：w＝2
×
f2×
tan(θ/2)，式中，f2为第二柱面镜(22)的焦距。3.根据权利要求2所述的基于成像的尘埃粒子浓度和速度测量装置，其特征在于：光束边长w取值为：1.01L<w<1.3L，其中，L为成像单元的线视场。4.根据权利要求3所述的基于成像的尘埃粒子浓度和速度测量装置，其特征在于：所述成像单元(3)包括壳体，沿入射光路依次设置在壳体内的滤光片(31)、成像镜组(32)及焦平面(33)；所述成像镜组(32)包括沿光路依次设置的第一胶合镜(34)、第二胶合镜(35)、第三胶合镜(36)、第一正透镜(37)、第一负透镜(38)和第二正透镜(39)；所述第一胶合镜(34)由透镜一(341)和透镜二(342)胶合而成，其中透镜一(341)为双凸面正透镜，透镜二(342)为凸面朝向像方的弯月形负透镜；所述第二胶合镜(35)由透镜三(351)和透镜四(352)胶合而成，其中透镜三(351)为双凸面正透镜，透镜四(352)为双凹面负透镜；所述第三胶合镜(36)由透镜五(361)和透镜六(362)胶合而成，其中透镜五(361)为凹面朝向像方的弯月形负透镜，透镜六(362)为凸面朝向物方的弯月形正透镜；所述第一正透镜(37)为凹面朝向像方的弯月形透镜；所述第一负透镜(38)为凹面朝向像方的弯月形透镜；所述第二正透镜(39)为凹面朝向像方的弯月形透镜；所述焦平面(33)为CCD或CMOS探测器，用于将图像光信号转化为电信号。5.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵意意，薛彬，戴艺丹，杨建峰，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：