[发明专利]一种测量粒子粒径的方法

说明书

技术领域

本发明属于粒径光学测量技术领域，涉及的是测量流场粒子粒径的方法，特 别是一种使用配备双相机的粒子图像速度场仪(PIV)成像系统拍摄流场粒子图 像，并利用双目视觉匹配与粒子图像灰度差异测量粒径的方法。

背景技术

粒子图像速度场仪(Particle Image Velocimetry)是近二十年发展起来的 一种全新的流场显示测量技术，融计算机图像处理与光学技术为一体，具有能测 量研究空间全流场的瞬态速度和对流场干扰小的优点，成为流场测试和分析的一 个非常有效的工具。

粒径和速度分布的实验测量是流场显示及其定量分析研究的主要内容，因 而，研究人员通常都希望在获得流场速度特性的时候，同时得到流场粒子粒度信 息。目前，相位多普勒技术PDA(Phase Laser Doppler Velocimetry)能够实 现粒子尺寸与速度的同时测量，是非接触式测量技术，具有较高的时间和空间分 辨率。但是，PDA技术只能实现流场的单点测量。基于PIV技术发展起来的各种 速度粒度同场实时测量技术，如图像法、ILIDS(interferometric laser imaging for droplet sizing)和GSV(Global Size and Velocity Measurement)等方 法继承了PIV技术非接触式全场瞬态测量的优点，成为PIV技术研究的热点之一。

图像法将PIV图像上粒子像点面积等效为圆面积，计算圆直径作为粒子等效 粒径。图像法受衍射、相机景深和空间分辨率等各种因素影响，粒径测量精度不 高。ILIDS技术利用粒子反射光与折射光之间的相位差，在离焦平面上形成圆形 干涉条纹图，粒子粒径不同，干涉条纹图的条纹数量不同，根据条纹数量即可得 到粒径大小。GSV技术基于Mie散射理论：光线经圆形粒子散射后形成强烈角振 荡特征，其角间距与粒子粒径成一定比例关系；GSV采用的拍摄角度为60度， 在此角度下，振荡间距对折射率最不敏感，且与粒径关系最为简单；在相机前加 装狭缝光圈，解决粒子浓度较高时振荡条纹重叠的问题；采用了窗口化FFT算法， 以进一步提高粒径计算精度；GSV是目前速度粒度同场测量的最优技术。以上方 法的测速部分使用的都是传统PIV技术。

已有技术中，张伟，吴志军在“基于灰度统计的粒子图像速度粒度实时测量 新技术”(《应用激光》，Vol.25，No.2April2005)一文中介绍的数字PIV系统 测量喷雾粒径的方法，是利用PIV系统两台激光器输出能量的差异，获得喷雾流 场具有灰度差异的两次曝光粒子图像，在计算机上采用图像集合校正、平滑和去 噪、二值化、元素分割以及膨胀和腐蚀等数字图像分析处理方法对粒子图像进行 预处理后，进行粒子识别和统计，获得各个粒子像点位置、大小和灰度信息；统 计粒子图像灰度直方图，根据平均灰度区分两次曝光粒子像点。计算粒子像点包 含的像素个数作为粒子像点面积，将粒子像点等效为圆形粒子像点，借助圆面积 计算公式得到相应的等效直径。比较两次曝光粒子像点等效直径以获得最优值。 这种方法的缺点是各种数字图像分析预处理方法都会影响粒子像点的大小，从而 影响到粒子直径真实尺寸的确定；同时，该方法对激光强度的稳定性要求很高， 激光强度一旦改变，就需要对各种数字图像分析处理方法重新设定；两次曝光激 光能量的波动容易使比较结果产生误差；另外，粒子成像还受激光衍射和PIV 系统误差的影响。

发明内容

本方法的目的在于提供一种利用双目视觉匹配与粒子图像灰度差异测量粒 径的方法，该方法以配备双相机的粒子图像速度场仪成像系统作为成像设备，以 激光片光脉冲照射流场，处于不同前向角的两相机同时单次曝光，获得两幅流场 的具有灰度差异的粒子图像，经图像处理技术预处理后，利用双目视觉匹配实现 同一粒子在两幅图像上对应两粒子像点的配对，由两粒子像点的灰度值总和经粒 径求解公式得到粒子粒径大小，从而获得整个流场的粒度分布信息。

进一步，本发明可通过以下技术方案实现，具体包括：