CN113899916B - 一种采用连续光源和低帧率单相机的全息颗粒测速方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用连续光源和低帧率单相机的全息颗粒测速方法：连续光源发出的光束经过滤波扩束准直形成平行光，对平行光进行分段；被测颗粒通过分段平行光，低帧率相机连续记录两帧或多帧颗粒全息图；对全息图进行重建，获得颗粒的三维位置，从而计算出颗粒的实际位置，利用颗粒匹配算法得出颗粒三维速度。本发明还公开了一种全息颗粒测速装置：连续光源、滤波扩束准直系统、反射镜和低帧率相机，连续光源发出的光束经过滤波扩束准直系统形成平行光，平行光由反射镜分段后照射到运动颗粒；相机记录连续多帧颗粒全息图。该方法及装置采用的测量系统结构简单、成本低、易于实现；平行光分段的方式大大提高了速度测量上限，且可调节性能强。

Description

一种采用连续光源和低帧率单相机的全息颗粒测速方法及 装置

技术领域

本发明涉及多相流测量领域，具体涉及一种采用连续光源和低帧率单相机的全息颗粒测速方法及装置。

背景技术

在工业生产和科学研究的诸多领域中，多相流动是广泛存在的物理过程，对其中的颗粒参数进行有效的测量是深入了解流动过程机理、解决科学问题和优化生产的重要基础。

多相流中颗粒速度测量方法主要有激光多普勒测速、粒子图像测速、空间滤波法、静电法以及多曝光、长曝光、高速相机多帧拍摄的成像方法等。经典的多普勒测速技术已经在流场诊断领域得到了广泛的应用，但它局限于单点测量，而且由于系统复杂、设备昂贵以及现场布置困难等原因目前仅限于实验室环境，应用于工业在线测量难度极大。粒子图像测速技术由于具有全场、非接触、平面二维、瞬态以及高精度等特点也广泛应用于流场诊断，与多普勒测速技术一样，由于价格昂贵、设备复杂等原因难以应用于工业现场。空间滤波法由于频率峰值的确定易受其他因素干扰，测量准确性难以保证。静电法一般测量的是颗粒平均速度，无法获得流场中单颗粒的速度。而多曝光、长曝光、多针拍摄等成像方法对于光源或相机的性能要求较高，例如需要脉冲激光或高速相机，成本较高，而且在实际应用中易受被测颗粒黏附于光学窗口影响测量的问题。

数字全息技术是一种三维测量技术，采用数字记录与数字重建，能够方便地对全息图进行记录保存。数字全息技术对颗粒场的测量是对颗粒场中每个颗粒进行测量，可以得到每个颗粒的运动信息、几何信息与位置信息。如公开号为CN109297874A的中国专利公开了一种用于测量运动颗粒粒径的全息实时测量方法，包括：片激光扩束系统产生片激光，并照射到运动颗粒；片激光经过颗粒的散射光形成物光，未经颗粒的片激光作为参考光，物光与参考光发生干涉形成一维全息条纹，进行记录；对记录的一维全息条纹形成的全息图进行重建，得到颗粒图像，根据颗粒图像中的像素数量和大小计算得到颗粒粒径。

目前采用全息技术进行速度测量一般采用高速相机和脉冲光源，测量成本很高，且系统复杂。如公开号为CN212410375U的中国专利公开了一种大气云雾场颗粒探测与粒径测量的装置：激光扩束平行系统，激光扩束平行系统产生平行光束照射颗粒探测区域，当有颗粒存在时，颗粒产生颗粒散射光；颗粒探测与全息拍摄系统，包括数字相机，颗粒探测与全息拍摄系统用于判断颗粒探测区域是否有颗粒存在，有颗粒存在时，颗粒散射光的一部分进入数字相机并在控制与数据处理系统的控制下对所述颗粒探测区域记录颗粒全息图；控制与数据处理系统，包括光电探测器，颗粒散射光的另一部分触发光电探测器产生脉冲触发信号；控制与数据处理系统利用光电探测器产生的脉冲触发信号控制数字相机拍摄颗粒全息图，并进行重建和处理获得颗粒粒径大小。另外，采用普通连续光源和低帧率相机的全息系统则受限于帧率速度测量极其有限，多用于接近静态的颗粒场，如分散于溶液中的颗粒测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用连续光源和低帧率单相机的全息颗粒测速方法及装置，通过对平行光束进行分段的方式大大提高了速度测量上限，解决了普通的采用连续光源和低帧率相机的全息系统只能测量极低运动速度颗粒的问题。

本发明提供如下技术方案：

一种采用连续光源和低帧率单相机的全息颗粒测速方法，所述方法包括以下步骤：

(1)连续光源发出的光束经过滤波扩束准直形成平行光，对平行光进行分段，分段数目为n，其中，n>1；

(2)被测颗粒通过分段平行光，低帧率相机连续记录两帧或多帧颗粒全息图；

(3)对全息图进行重建，获得颗粒的三维位置，从而计算出颗粒的实际位置，利用颗粒匹配算法得出颗粒三维速度。

在步骤(3)中，所述的重建的方法为小波重建算法，重建得到的颗粒三维位置为(x_h,y_h,z_h)，结合颗粒所处的光束段序号n，再计算颗粒在系统坐标中的实际位置(x_r,y_r,z_r)；颗粒匹配算法为最邻近法，相机靶面原点为系统坐标原点。

所述的光束段序号n计算公式为：

其中，“ceil”为向下取整函数，入射至相机靶面的一段长度为l₀，其他段长度为l，相邻两段距离为h；

颗粒在系统坐标中的实际位置(x_r,y_r,z_r)计算公式为：

x_r＝x_h

y_r＝(n-1)h+y_h

所述的颗粒速度计算方法为：

其中，(u_x,u_y,u_z)颗粒三维速度，δt为帧间时间间隔，(x_i,y_i,z_i)为颗粒在一帧中的实际位置，(x_j,y_j,z_j)为匹配的颗粒在后一帧中的实际位置。

本发明还提供了一种采用连续光源和低帧率单相机的全息颗粒测速装置，所述全息颗粒测速装置包括：连续光源、滤波扩束准直系统、反射镜和低帧率相机；连续光源发出的光束经过滤波扩束准直系统形成平行光，平行光由反射镜分段后照射到运动颗粒；低帧率相机记录连续多帧颗粒全息图。

所述滤波扩束准直系统包括物镜、针孔和透镜。

所述连续光源可为波长400nm至700nm的可见光源，为激光器或激光二极管。

所述的低帧率相机为普通工业相机，帧率f小于等于100帧每秒，靶面尺寸为W×H。

所述反射镜为反射棱镜。

所述全息颗粒测速装置采用同轴全息系统。即，物光与参考光传播方向相同。

一般情况下颗粒流动速度以一个方向为主，而另两个方向速度较小。本发明提供的采用连续光源和低帧率单相机的全息颗粒测速方法，各个方向的速度测量上限为：

u_x,max＝W·f

u_y,max＝[(n-1)h+H]·f

u_z,max＝L·f

其中L为颗粒场在z轴的范围。由上述公式可见本发明提供的测量方法可大大提高y方向速度的测量上限。

本发明主要解决的问题是解决了目前颗粒速度全息测量方法系统复杂、成本高的问题，同时解决了普通的采用连续光源和低帧率相机的全息系统只能测量极低运动速度颗粒的问题。通过对平行光束进行分段的方式大大提高了速度测量上限。

本发明的优点在于：1.本发明使用的是连续激光和普通低帧率相机，测量系统结构简单、成本低、易于实现；2.本发明提供平行光分段的方式大大提高了速度测量上限，且可调节性能强，可根据实际测量需求改变系统平行光分段数量。

附图说明

图1为本发明提供的一种全息颗粒速度测量装置的结构示意图；

图2为本发明提供的另一种全息颗粒速度测量装置的结构示意图；

图3为实施例中相机记录的第一帧颗粒全息图；

图4为实施例中相机记录的第二帧颗粒全息图；

其中，1、连续光源，2、滤波扩束准直系统，3、平行光，4、测量区，5、上一帧颗粒，6、反射镜，7、下一帧颗粒，8、低帧率相机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式做进一步说明。

实施例1

如图1所示的采用连续光源和低帧率单相机的全息颗粒测速装置，连续光源1发出的光束经过滤波扩束准直系统2形成平行光3，平行光3照射测量区4中的颗粒，再经过两个反射镜6反射后再次照射测量区4中的颗粒。低帧率相机8分别记录上一帧颗粒5和下一帧颗粒7的全息图。

具体地，在本实施例中，连续光源1采用波长为532纳米的半导体连续激光器。低帧率相机8的帧率为100fps，则两帧之间的时间间隔δt为0.01s。相机分辨率为2048×2045，像素大小为5微米，则相机靶面尺寸为10.24mm×10.24mm。测量区宽度为40mm。本实施例中平行光分段数目n为2，其中入射至相机靶面的一段长度l₀为60mm，相邻两段距离h为20mm。

可计算得本装置三维速度测量上限为u_x,max＝1.024m/s，u_y,max＝3.024m/s，u_z,max＝4m/s，y方向上的速度测量上限提高了近3倍。

图3为相机记录的第一帧颗粒全息图，对其进行重建得到颗粒三维位置坐标为(x_h＝4.107mm,y_h＝4.107mm,z_h＝120mm)，根据光束段序号n计算公式：

可得其位于第二段平行光段，即n＝2。根据颗粒在系统坐标中的实际位置计算公式：

x_r＝x_h

y_r＝(n-1)h+y_h

可得颗粒实际三维位置为(x_r1＝4.107mm,y_r1＝24.107mm,z_r1＝20mm)。

同理图4为相机记录的第二帧颗粒全息图，对其进行重建得到颗粒三维位置坐标为(x_h＝7.110mm,y_h＝6.109mm,z_h＝40mm)，位于第一段平行光段，颗粒实际三维位置为(x_r2＝7.110mm,y_r2＝6.109mm,z_r2＝40mm)。

根据颗粒三维速度计算公式：

可得颗粒三维速度为(u_x＝0.3m/s,u_y＝1.8m/s,u_z＝2.0m/s)。

实施例2

如图2所示的采用连续光源和低帧率单相机的全息颗粒测速装置，连续光源1发出的光束经过滤波扩束准直系统2形成平行光3，平行光3照射测量区4中的颗粒，再经过两个反射镜6反射后再次照射测量区4中的颗粒，再经过4次反射后两次照射测量区4。低帧率相机8分别记录上一帧颗粒5和下一帧颗粒7的全息图。本实施例中平行光分段数目n为4。

使用本实施例的全息颗粒测速装置测量颗粒速度的方法如实施例1。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种采用连续光源和低帧率单相机的全息颗粒测速方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)连续光源发出的光束经过滤波扩束准直形成平行光，对平行光进行分段，分段数目为n，其中，n>1；

(2)被测颗粒通过分段平行光，低帧率相机连续记录两帧或多帧颗粒全息图；

(3)对全息图进行重建，获得颗粒的三维位置，从而计算出颗粒的实际位置，利用颗粒匹配算法得出颗粒三维速度；

在步骤(3)中，所述的重建的方法为小波重建算法，重建得到的颗粒三维位置为(x_h,y_h,z_h)，结合颗粒所处的光束段序号n，再计算颗粒在系统坐标中的实际位置(x_r,y_r,z_r)；颗粒匹配算法为最邻近法，相机靶面原点为系统坐标原点；

所述的光束段序号n计算公式为：

其中，“ceil”为向下取整函数，入射至相机靶面的平行光长度为l₀，其他段平行光长度为l，相邻两段平行光距离为h；

颗粒在系统坐标中的实际位置(x_r,y_r,z_r)计算公式为：

x_r＝x_h

y_r＝(n-1)h+y_h

颗粒速度计算方法为：

其中，(u_x,u_y,u_z)颗粒三维速度，δt为帧间时间间隔，(x_i,y_i,z_i)为颗粒在一帧中的实际位置，(x_j,y_j,z_j)为匹配的颗粒在后一帧中的实际位置。

2.一种采用权利要求1所述的方法的采用连续光源和低帧率单相机的全息颗粒测速装置，其特征在于，所述全息颗粒测速装置包括：连续光源、滤波扩束准直系统、反射镜和低帧率相机；连续光源发出的光束经过滤波扩束准直系统形成平行光，平行光由反射镜分段后照射到运动颗粒；低帧率相机记录连续多帧颗粒全息图。

3.根据权利要求2所述的采用连续光源和低帧率单相机的全息颗粒测速装置，其特征在于，所述滤波扩束准直系统包括物镜、针孔和透镜。

4.根据权利要求2所述的采用连续光源和低帧率单相机的全息颗粒测速装置，其特征在于，所述连续光源可为波长400nm至700nm的可见光源，为激光器或激光二极管。

5.根据权利要求2所述的采用连续光源和低帧率单相机的全息颗粒测速装置，其特征在于，所述的低帧率相机为普通工业相机，帧率f小于等于100帧每秒，靶面尺寸为W×H。

6.根据权利要求2所述的采用连续光源和低帧率单相机的全息颗粒测速装置，其特征在于，所述反射镜为反射棱镜。

7.根据权利要求2所述的采用连续光源和低帧率单相机的全息颗粒测速装置，其特征在于，所述全息颗粒测速装置采用同轴全息系统。