[發明專利]一種基于線陣CCD和線狀紅外激光的液體表面波探測方法及裝置

有效

• 申請號: 201310390953.9
• 申請日: 2013-09-01
• 公開（公告）號: CN103438980A
• 公開（公告）日: 2013-12-11
• 發明（設計）人: 康一梅;陳昱
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01H9/00
• 分類號: G01H9/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明;李新華

技術領域

本發明涉及一種基于線陣CCD和線狀紅外激光的液體表面波探測方法及裝置，屬于液體表面波檢測領域。

背景技術

在物理學中，表面波是一種沿著兩種不同流體界面傳播的機械波。液體表面波通常是指沿液體和空氣界面傳播的一種機械波，通常是由于液體受到擾動后形成的。如果我們研究的液體表面波波長或者振幅比較小,我們就無法用肉眼看到它,這給液體表面波頻率的測量帶來一定的困難。

目前測量液體表面波的方法主要包括接觸式測量和非接觸式測量兩種方法。由于接觸式測量方法會對待測水表面波引入人為干擾，所以液體表面波的測量應優先考慮非接觸式的測量。在非接觸式測量方法中，又分為直接測量法，和利用光的衍射、干涉性質的間接測量法。

在直接測量法中,比較典型的是童培雄等人在論文“測量水的振動頻率與水波傳播速度”中提出的基于硅光電池和點狀激光的測量方法，該方法利用硅光電池的電壓與照射面積之間的關系估算出光斑的位置。但由于硅光電池存在死區電壓，以及光電參數不均勻等原因使得測量精度比較差。

在間接測量法中，對于不同頻段的液體有不同的方法。苗潤才等人用衍射的方法測量幾百赫茲的液體表面波的物理特性，實驗觀察到了表面波的衍射效應，而且得到了幾乎100%的衍射效率，還討論了衍射條紋間距與液體表面張力的關系，并對液體表面波的衰減特性進行了研究；對于頻率為幾赫茲或更小的液體表面波，Bartor等人曾采用表面波斜率激光掃描技術分析過這些頻率以下的液體表面波，但在他的研究中，液體必須染色，不適合于像水這樣的透明液體；對于頻率為幾十赫茲的液體表面波，張曉琳等人曾提供一種基于散射激光多普勒效應的液體表面波探測方法及裝置，解決了之前對液體表面波頻率和振幅進行測量的激光干涉技術中，要求接收主反射光，并且要求光路輸出和接收部分的角度嚴格匹配的問題，但是它的測量頻率的量程有限，只能探測0-40赫茲的表面波，同時設備也較復雜，成本高。

本發明涉及一種基于線陣CCD和線狀紅外激光的液體表面波探測方法，屬于上述的非接觸測量方法中的直接測量法。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于線陣CCD和線狀紅外激光的液體表面波探測方法及裝置。它解決了現有基于激光干涉的液體表面波探測方法需要嚴格匹配光路輸出和接收部分的角度的問題，同時也解決了基于散射激光多普勒效應的液體表面波探測方法量程不夠廣的問題。

其測量方法包括下述步驟：

步驟一：用線狀紅外激光器發射的激光線照射到待測液體表面，使得激光面和液面的交線垂直于激光器的發射方向，光線經液體表面后通過可見光濾波器濾掉可見光成分；

步驟二：步驟一得到的純紅外激光線垂直照射到線陣CCD上，線陣CCD輸出數字視頻信號；

步驟三：步驟二得到的數字視頻信號經過濾波和模式匹配得到光斑中心點坐標,所述光斑是一條中間亮周圍暗的粗線；線陣CCD輸出的數字視頻信號的時序圖如圖6所示，該信號為半數字半模擬信號，線陣CCD信號處理芯片是將上述半數字半模擬的數字視頻信號轉換為數字信號并將信號送給圖像處理芯片；

圖像處理芯片的處理過程包括采樣、濾波、匹配三個步驟：

3.1.采樣

上述數字信號被圖像處理器采樣，得到原始幀序列A[n],序列的長度設為N；

3.2.濾波

對上述原始幀序列A[n]進行軟件濾波（濾波的作用是濾除環境光線干擾以及電噪聲干擾）得到濾波后的幀序列，記為F[n],其中n代表線陣CCD的第n個像素（在本文的描述中坐標指的就是像素序號）；

3.3.匹配

光斑在線陣CCD感光區域的光強分布類似正態分布，且當光斑中心靠近線陣CCD感光區域的邊緣時會有部分光線照射在線陣CCD感光區域外，針對上述情況，本專利采用基于預存模板的匹配算法精確的得到了光斑中心的坐標。匹配算法的具體流程如下：圖像處理器預存了光斑中心在每個坐標位置的模板，例如：

第0像素點預存的模板序列為M[0],

…

第i像素點預存的模板序列為M[i],

…

第N像素點預存的模板序列為M[N],

M[n][i]的計算公式如下：