[发明专利]可同时测量颗粒粒径与体积浓度的背光成像系统和方法

说明书

本发明公开了可同时测量颗粒粒径与体积浓度的背光成像系统和方法。本发明系统包括支持系统、照明系统、成像系统和校准系统；支持系统为成像系统和照明系统的连接和固定提供支持；照明系统提供光源并将光均匀地传输至成像系统；成像系统用于获取水体环境中不透明颗粒粒径和体积浓度数据；校准系统保证成像系统获取数据的准确性。本发明方法包括：S1,检查和调整支持系统；S2，开启照明系统；S3，准备成像条件；S4，校准系统标定；S5，识别颗粒的数据处理；S6，选择聚焦颗粒的数据处理；S7，建立聚焦参数模型并进行验证。本发明针对随粒径变化的自适应采样体积，提供了无偏差体积浓度估计；对于高浓度测量，采用颗粒的泊松分布来校正粒子重叠效应。

技术领域

本发明涉及固液两相流的物理模型和成像系统领域，具体涉及可同时测量颗粒粒径与体积浓度的背光成像系统和方法。

背景技术

同时测量各类微粒粒径以及体积浓度的技术，对自然环境保护和工业生产安全至关重要，主要应用于泥沙输移等领域。

目前，多种非侵入式测量设备已经陆续应用于上述场景并得到适度推广。例如，声学反演测量实现了基于对已知颗粒粒径的背向散射强度到浓度信号的转换。虽然声波设备多频率获取粒度和浓度的技术已经取得重大进展，但是反演过程不确定性导致的系统误差和需要独立校准流程是声学反演设备不可忽视的瓶颈。另一种是基于光学原理的测量设备与技术，包括红外或可见光的光学背向散射和透射、激光相位多普勒频移、激光衍射和直接成像的方法。光学设备多依赖于背向散射强度以及粒径的折射率和透射性。相比之下，基于激光手段的设备在颗粒粒径方面提供了更可信的统计数据，但通常仅限于球形颗粒；直接成像系统与方法在测量静止或稳定流动系统中颗粒的不规则尺寸、形状、密度和空间分布方面等具有优势。直接成像方法可根据入射光（或散射）方向分为：前照光（后向散射）、侧照光（侧向散射）和背照光（前向散射）。为了估计颗粒大小和形状特征，前照光和侧照光方法需要解决非均匀光的散射问题。另一方面，背照光成像方法通过白色背景下的颗粒提供与黑色阴影图像更好的对比度。为了获得准确的体积浓度，该项技术是值得再次创新的，因为景深或薄片厚度会影响颗粒浓度的估计。详细来说，在相同的光学条件下，对每个颗粒粒径使用固定聚焦标准可能会导致景深随颗粒大小增加，从而导致偏大的粒径误差和偏小的体积浓度估计。

为了解决景深对颗粒粒径和浓度估计的影响，许多设备与技术通过使用阈值灰度、光晕宽度、最大归一化对比度、衍射条纹、经验或临界梯度指示器，以及最大强度梯度与平均强度梯度之比等参数来识别聚焦的颗粒。然而，目前尚不清楚不同光学条件（如光强度、放大率）、粒子形状和重叠效应是否会影响上述聚焦参数。此外，上述设备与技术多适用于液/气两相的场景，而对固/液场景的适用性却很差。本发明给出基于背光成像技术的可同时测量颗粒粒径与体积浓度的系统及方法，以期广泛应用于相关领域。

发明内容

本发明针对现有设备与技术的不足，提供了一种用于同时测量水体环境中不透明颗粒粒径和体积浓度的背光成像系统和方法。具体地说，采用聚焦参数模型来修改原始的聚焦参数，以便可靠地识别颗粒。修正的聚焦参数综合了光学条件、颗粒形状和重叠程度以及景深随颗粒大小变化的影响。因此，本发明针对随粒径变化的自适应采样体积，提供了无偏差体积浓度估计。此外，对于高浓度测量，采用颗粒的泊松分布来校正粒子重叠效应。

本发明采用的技术方案是：

可同时测量颗粒粒径与体积浓度的背光成像系统，包括支持系统、照明系统、成像系统和校准系统；所述支持系统为所述成像系统和所述照明系统的连接和固定提供支持；所述照明系统提供光源并将光均匀地传输至所述成像系统；所述成像系统为整个系统的核心部分，用于获取水体环境中不透明颗粒粒径和体积浓度数据；所述校准系统保证所述成像系统获取数据的准确性。

所述照明系统包括闪光灯、光学导管和控制电源A；闪光灯受控于控制电源A，光学导管将闪光于空气介质中输送到所述成像系统，实现相对均匀的白色背景光分布，相对均匀以空间光亮值的标准差作为评判标准；