[發明專利]一種測量粒子粒徑的方法

無效

• 申請號: 200710040310.6
• 申請日: 2007-04-29
• 公開（公告）號: CN101295024A
• 公開（公告）日: 2008-10-29
• 發明（設計）人: 吳志軍;田志松;黃成杰;李治龍;李理光
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: G01T5/00
• 分類號: G01T5/00;G01T5/02;G01C11/00
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司
• 代理人: 吳林松

技術領域

本發明屬于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，并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干擾小的優點，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，相位多普勒技術PDA(Phase?Laser?Doppler?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。基于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)和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、相機景深和空間分辨率等各種因素影響，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 干涉條紋圖，粒子粒徑不同，干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技術基于Mie散射理論：光線經圓形粒子散射后形成強烈角振 蕩特征，其角間距與粒子粒徑成一定比例關系；GSV采用的拍攝角度為60度， 在此角度下，振蕩間距對折射率最不敏感，且與粒徑關系最為簡單；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；采用了窗口化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。

已有技術中，張偉，吳志軍在“基于灰度統計的粒子圖像速度粒度實時測量 新技術”(《應用激光》，Vol.25，No.2April2005)一文中介紹的數字PIV系統 測量噴霧粒徑的方法，是利用PIV系統兩臺激光器輸出能量的差異，獲得噴霧流 場具有灰度差異的兩次曝光粒子圖像，在計算機上采用圖像集合校正、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 預處理后，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，借助圓面積 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，該方法對激光強度的穩定性要求很高， 激光強度一旦改變，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，粒子成像還受激光衍射和PIV 系統誤差的影響。

發明內容

本方法的目的在于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 激光片光脈沖照射流場，處于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后，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：