CN113075097A - 一种基于散射光偏振检测的粒径测量方法、装置及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于散射光偏振检测的粒径测量方法、装置及设备,其方法包括:获取由图像采集器采集到光路系统的两幅偏振图像；对两幅所述偏振图像进行运算,以生成所述偏振图像中的粒子图像；根据所述粒子图像,获取所述光路系统在不同入射波长及不同观测角度下的散射偏振比；根据所述散射偏振比对粒子进行反演运算,以获得粒子整体的最优解，基于图像处理获得散射光偏振比，避免了绝对量测量对光路的高要求，提高实验抗干扰性；同时，能实现快速的在线测量。
Description
技术领域
本发明涉及粒子检测领域，特别涉及一种基于散射光偏振检测的粒径测量方法、装置及设备。
背景技术
微粒检测是一项涉及到多学科多领域的技术，主要涉及颗粒粒度、浓度和流场等微粒特性的获取。固体颗粒、液滴、气泡等微粒的实时在线检测技术已被广泛应用于化工、医药、环保、动力和大气等领域，有效的测量与控制颗粒的粒度对抑制环境污染、提高能量利用率、降低能耗等具有重要意义。
在已有的颗粒粒径测量技术中，光学散射方法有其不可取代的优势，因其能实现快速实时无干扰的测量并易于与其他测量方式相结合实现两种甚至两种以上参数的同时获取，更是得到了颗粒测试研究领域的广泛关注。尤其近三十年来，随着激光技术和计算机技术特别是图像处理技术的发展，光学测量方法也取得了很大的进步和完善。这些光学测量方法大多通过实验获取粒子散射光的各个参数，再基于粒子散射光理论进行反演计算，从而取得单个粒子直径或粒子群粒径分布函数。
在较为成熟的粒子光散射模型中，米氏散射理论(Mie Scattering Theory或Lorenz-Mie Theory)因其精确度、运算效率和计算能力占据了独特的地位，使我们对于均匀各向同性的球形粒子的电磁散射有一个全面的认识。虽然在自然界和工业过程中我们所遇到的粒子有很大一部分是非球形，米氏散射理论对许多微小粒子光散射共性的基础性描述仍是不可多得的。基于米氏理论的光散射测量方案根据所使用的光源可被划分为两大类：一是通过调节入射光源频谱来获得一定范围粒子散射光频谱数据进行粒径反演，但此方法因需要进行光谱调节导致响应时间过长，并且因为粒子复折射率随入射波长改变而增加了数据处理难度。基于一些测量领域进行快速测量的需求(如喷雾，易挥发气溶胶等等)发展出了快速的连续测量方法，入射光由单色波长或数色相互独立波长构成，可进行多角度测量，其中包括基于消光法的测量和多角度散射光的测量。以上的光散射粒径测量法依赖于绝对量的测量，即散射光光强(或光通量)的绝对量，因此对实验环境要求高，其测量过程抗干扰能力相对较弱。
有鉴于此，提出本申请。
发明内容
本发明公开了一种基于散射光偏振检测的粒径测量方法、装置及设备，至少部分解决现有技术的不足。
本发明第一实施例提供了一种基于散射光偏振检测的粒径测量方法,包括:
获取由图像采集器采集到光路系统的两幅偏振图像；
对两幅所述偏振图像进行运算,以生成所述偏振图像中的粒子图像；
根据所述粒子图像,获取所述光路系统在不同入射波长及不同观测角度下的散射偏振比；
根据所述散射偏振比对粒子进行反演运算,以获得粒子整体的最优解。
优选地，所述对两幅所述偏振图像进行运算,以生成所述偏振图像中的粒子图像，具体为：
将所述两幅偏振图像进行背景去噪和二进制处理以获取粒子的准确位置；
对两幅偏振图像进行关联运算，以确定每一个粒子在两幅图像中的对应像素坐标，进而生成粒子图像。
优选地，所述根据所述粒子图像,获取所述光路系统在不同入射波长及不同观测角度下的散射偏振比，具体为：
获取每一所述粒子图像的灰度值；
将所述灰度值进行线性叠加，以获得所述两幅偏振图像的总灰度值；
计算所述光路系统在不同入射波长及不同观测角度下的散射偏振比。
优选地，所述根据所述散射偏振比对粒子进行反演运算,以获得粒子整体的最优解，具体为：
引入进粒子所处环境介质与空气的折射率将所述散射偏振比进行修正；
将修正后的所述散射偏振比进行反演运算,以获得粒子整体的最优解。
优选地，所述将修正后的所述散射偏振比进行反演运算,具体为：
将待测微粒群初始化为一群随机粒子，以使得每一粒子有一个适应值；
根据每一粒子的适应值进行迭代，已获得给个体历史最优位置及群体历史最优位置，进而更新粒子的粒度；
当判断到粒子的粒度在误差范围内时，生成粒子整体的最优解。
本发明第二实施例提供了一种基于散射光偏振检测的粒径测量装置,包括:
偏振图像获取单元，用于获取由图像采集器采集到光路系统的两幅偏振图像；
粒子图像生成单元，对两幅所述偏振图像进行运算,以生成所述偏振图像中的粒子图像；
散射偏振比获取单元，用于根据所述粒子图像,获取所述光路系统在不同入射波长及不同观测角度下的散射偏振比；
最优解获取单元，用于根据所述散射偏振比对粒子进行反演运算,以获得粒子整体的最优解。
优选地，所述粒子图像生成单元具体用于：
将所述两幅偏振图像进行背景去噪和二进制处理以获取粒子的准确位置；
对两幅偏振图像进行关联运算，以确定每一个粒子在两幅图像中的对应像素坐标，进而生成粒子图像。
优选地，所述散射偏振比获取单元具体用于：
获取每一所述粒子图像的灰度值；
将所述灰度值进行线性叠加，以获得所述两幅偏振图像的总灰度值；
计算所述光路系统在不同入射波长及不同观测角度下的散射偏振比。
优选地，所述最优解获取单元具体用于：
引入进粒子所处环境介质与空气的折射率将所述散射偏振比进行修正；
将修正后的所述散射偏振比进行反演运算,以获得整体的最优解。
本发明第三实施例提供了一种基于散射光偏振检测的粒径测量设备，其特征在于，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序实现如上任意一项所述的一种基于散射光偏振检测的粒径测量方法。
基于本发明提供的一种基于散射光偏振检测的粒径测量方法、装置及设备，通过图像采集器去采集光路系统的两幅偏振图像，接着运算两幅偏振图像以获取述偏振图像中的粒子图像，并根据粒子图像获得粒子群散射偏振比，引入粒子所处环境介质与空气对粒子群散射偏振比进行修正，之后，根据修正后的粒子群散射偏振比，对粒子进行反演运算,以获得粒子整体的最优解。基于图像处理获得散射光偏振比，避免了绝对量测量对光路的高要求，提高实验抗干扰性；同时，能实现快速的在线测量。
附图说明
图1是本发明第一实施例提供的一种基于散射光偏振检测的粒径测量方法流程示意图；
图2是本发明提供的光学系统示意图；
图3是本发明提供的图像处理过程示意图；
图4是本发明提供的反演运算简图；
图5是本发明第二实施例提供的一种基于散射光偏振检测的粒径测量装置模块示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。
实施例中提及的“第一\第二”仅仅是是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
以下结合附图对本发明的具体实施例做详细说明。
本发明公开了一种基于散射光偏振检测的粒径测量方法、装置及设备，至少部分解决现有技术的不足。
请参阅图1，本发明第一实施例提供了一种基于散射光偏振检测的粒径测量方法,其可由基于散射光偏振检测的粒径测量(以下简称粒径测量设备)来执行，特别的，由粒径测量设备内的一个或者多个处理器来执行，以实现如下步骤：
S101，获取由图像采集器采集到光路系统的两幅偏振图像；
需要说明的是，在本实施例中，所述光路系统可以包括偏振激光1、柱状棱镜2、凸透镜3、分离偏振镜4、平面镜5、及棱镜6组成；具体地，其光路过程可以是：由偏振激光器发出的多色波长光经起1/4波长片调节成圆形偏振入射(保证入射光两偏振分量相等)，经柱状棱镜调节为片状光源，厚度控制在1mm-3mm以保证在稀疏粒子场中发生单次折射。待测颗粒群散射光在一定观测角度θ由凸透镜聚焦，之后通过分离偏振镜分离之后，分别由平面镜及平面棱镜反射同时到达图像采集器上进行成像。本实施例中，所述图像采集器可以是CCD高速相机，在其他实施例中，还可以是其他设备，这里不做具体限定。需要说明的是，主要光学元件将被固定在同一光路板上确保其相对位置并方便调节，其实现多个散射角测量。同时使用组合激光以实现至少4个波长入射，逐个改变观测角度，在每一个角度通过更换CCD滤镜来获取不同波长散射光成像。
S102，对两幅所述偏振图像进行运算,以生成所述偏振图像中的粒子图像；
在本实施例中，将所述两幅偏振图像进行背景去噪和二进制处理以获取粒子的准确位置；
对两幅偏振图像进行关联运算，以确定每一个粒子在两幅图像中的对应像素坐标，进而生成粒子图像。
具体地：通过背景去噪和二进制处理等步骤确定粒子准确位置，再进行关联运算，确定每一个粒子在两幅图像中的对应像素坐标(如图3所示，图像处理步骤为a-b-c)。
S103，根据所述粒子图像,获取所述光路系统在不同入射波长及不同观测角度下的散射偏振比；
在本实施例中，获取每一所述粒子图像的灰度值；
将所述灰度值进行线性叠加，以获得所述两幅偏振图像的总灰度值；
计算所述光路系统在不同入射波长及不同观测角度下的散射偏振比。
具体地，因粒子热运动以及受激光照射后可能引起的介质对流运动，逐个变化入射波长及观测角度时所得的的粒子图像也必须通过关联程序以确定对应粒子的位置。获得粒子图像灰度值后，经线性叠加得到待测粒子场两幅偏振图像的总灰度值(垂直偏振i⊥，平行偏振为i//)，计算不同入射波长及不同观测角度散射偏振比(公式1)
S104，根据所述散射偏振比对粒子进行反演运算,以获得粒子整体的最优解。
在本实施例中，引入进粒子所处环境介质与空气的折射率将所述散射偏振比进行修正；
将修正后的所述散射偏振比进行反演运算,以获得粒子整体的最优解。
具体地，在利用散射光偏振比进行粒度反演之前需要进行米氏散射理论的正向计算以获得散射光偏振比的理论值，如公式2所示：
米氏散射理论编程计算已经发展得较为成熟，然而依据本项目的实验设计，以片状光源入射时，需考虑到视场中粒子位置对于散射角乃至散射光偏振比的影响。同时，待测粒子所处环境也会对散射参数计算造成影响。以待测粒子悬浮于水中并以玻璃器皿装盛为例，粒子散射光经历了水，玻璃，空气三种介质到达CCD平面，因为折射引起的散射角变化也会对散射光强的计算造成影响，需引进粒子所处环境介质与空气的折射率差异，对计算结果进行修正。
在本实施例中，所述将修正后的所述散射偏振比进行反演运算,具体为：
将待测微粒群初始化为一群随机粒子，以使得每一粒子有一个适应值；
根据每一粒子的适应值进行迭代，已获得给个体历史最优位置及群体历史最优位置，进而更新粒子的粒度；
当判断到粒子的粒度在误差范围内时，生成粒子整体的最优解。
具体地，基于图像处理所得到的散射光偏振比实验值与经过以上修正的散射参数计算值，可进行待测粒子群粒度的反演计算。近年来，基于米氏散射理论的反演计算已被广泛应用光学粒径测量方案中，然而反演算法的不适定性导致其精度一直是众多研究者致力要解决的问题。经过前期调研，相应于本项目所采用的散射光强图像测量方案，拟采用粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization PSO)。PSO首先将待测粒子群初始化为一群随机粒子，每个粒子有一个适应值，以判断当前结果好坏。每次迭代过程不完全随机，而是将较好结果保留，并以此为依据来寻找下一个解。每次迭代，粒子通过粒子位置和粒子速度进行自我更新，同时寻找整体最优解。这种反演算法在处理不确定粒径分布粒子群问题上的优越性已得到了验证。其算法流程在图4所示。
请参阅图5，本发明第二实施例提供了一种基于散射光偏振检测的粒径测量装置,包括:
偏振图像获取单元，用于获取由图像采集器采集到光路系统的两幅偏振图像；
粒子图像生成单元，对两幅所述偏振图像进行运算,以生成所述偏振图像中的粒子图像；
散射偏振比获取单元，用于根据所述粒子图像,获取所述光路系统在不同入射波长及不同观测角度下的散射偏振比；
最优解获取单元，用于根据所述散射偏振比对粒子进行反演运算,以获得粒子整体的最优解。
优选地，所述粒子图像生成单元具体用于：
将所述两幅偏振图像进行背景去噪和二进制处理以获取粒子的准确位置；
对两幅偏振图像进行关联运算，以确定每一个粒子在两幅图像中的对应像素坐标，进而生成粒子图像。
优选地，所述散射偏振比获取单元具体用于：
获取每一所述粒子图像的灰度值；
将所述灰度值进行线性叠加，以获得所述两幅偏振图像的总灰度值；
计算所述光路系统在不同入射波长及不同观测角度下的散射偏振比。
优选地，所述最优解获取单元具体用于：
引入进粒子所处环境介质与空气的折射率将所述散射偏振比进行修正；
将修正后的所述散射偏振比进行反演运算,以获得整体的最优解。
本发明第三实施例提供了一种基于散射光偏振检测的粒径测量设备，其特征在于，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序实现如上任意一项所述的一种基于散射光偏振检测的粒径测量方法。
基于本发明提供的一种基于散射光偏振检测的粒径测量方法、装置及设备，通过图像采集器去采集光路系统的两幅偏振图像，接着运算两幅偏振图像以获取述偏振图像中的粒子图像，并根据粒子图像获得粒子群散射偏振比，引入粒子所处环境介质与空气对粒子群散射偏振比进行修正，之后，根据修正后的粒子群散射偏振比，对粒子进行反演运算,以获得粒子整体的最优解。基于图像处理获得散射光偏振比，避免了绝对量测量对光路的高要求，提高实验抗干扰性；同时，能实现快速的在线测量。
示例性地，本发明第三实施例和第四实施例中所述的计算机程序可以被分割成一个或多个模块，所述一个或者多个模块被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。所述一个或多个模块可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序在所述实现一种基于散射光偏振检测的粒径测量设备中的执行过程。例如，本发明第二实施例中所述的装置。
所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器是所述一种基于散射光偏振检测的粒径测量方法的控制中心，利用各种接口和线路连接整个所述实现对一种基于散射光偏振检测的粒径测量方法的各个部分。
所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现一种基于散射光偏振检测的粒径测量方法的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、文字转换功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、文字消息数据等)等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘、智能存储卡(Smart Media Card,SMC)、安全数字(Secure Digital,SD)卡、闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
其中，所述实现的模块如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一个计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
需说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的装置实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于散射光偏振检测的粒径测量方法,其特征在于,包括:
获取由图像采集器采集到光路系统的两幅偏振图像；
对两幅所述偏振图像进行运算,以生成所述偏振图像中的粒子图像；
根据所述粒子图像,获取所述光路系统在不同入射波长及不同观测角度下的散射偏振比；
根据所述散射偏振比对粒子进行反演运算,以获得粒子整体的最优解。
2.根据权利要求1所述的一种基于散射光偏振检测的粒径测量方法,其特征在于,所述对两幅所述偏振图像进行运算,以生成所述偏振图像中的粒子图像，具体为：
将所述两幅偏振图像进行背景去噪和二进制处理以获取粒子的准确位置；
对两幅偏振图像进行关联运算，以确定每一个粒子在两幅图像中的对应像素坐标，进而生成粒子图像。
3.根据权利要求1所述的一种基于散射光偏振检测的粒径测量方法,其特征在于,所述根据所述粒子图像,获取所述光路系统在不同入射波长及不同观测角度下的散射偏振比，具体为：
获取每一所述粒子图像的灰度值；
将所述灰度值进行线性叠加，以获得所述两幅偏振图像的总灰度值；
计算所述光路系统在不同入射波长及不同观测角度下的散射偏振比。
4.根据权利要求1所述的一种基于散射光偏振检测的粒径测量方法,其特征在于,所述根据所述散射偏振比对粒子进行反演运算,以获得粒子整体的最优解，具体为：
引入粒子所处环境介质与空气的折射率将所述散射偏振比进行修正；
将修正后的所述散射偏振比进行反演运算,以获得粒子整体的最优解。
5.根据权利要求4所述的一种基于散射光偏振检测的粒径测量方法,其特征在于,所述将修正后的所述散射偏振比进行反演运算,具体为：
将待测微粒群初始化为一群随机粒子，以使得每一粒子有一个适应值；
根据每一粒子的适应值进行迭代，已获得给个体历史最优位置及群体历史最优位置，进而更新粒子的粒度；
当判断到粒子的粒度在误差范围内时，生成粒子整体的最优解。
6.一种基于散射光偏振检测的粒径测量装置,其特征在于,包括:
偏振图像获取单元，用于获取由图像采集器采集到光路系统的两幅偏振图像；
粒子图像生成单元，对两幅所述偏振图像进行运算,以生成所述偏振图像中的粒子图像；
散射偏振比获取单元，用于根据所述粒子图像,获取所述光路系统在不同入射波长及不同观测角度下的散射偏振比；
最优解获取单元，用于根据所述散射偏振比对粒子进行反演运算,以获得粒子整体的最优解。
7.根据权利要求6所述的一种基于散射光偏振检测的粒径测量装置,其特征在于,所述粒子图像生成单元具体用于：
将所述两幅偏振图像进行背景去噪和二进制处理以获取粒子的准确位置；
对两幅偏振图像进行关联运算，以确定每一个粒子在两幅图像中的对应像素坐标，进而生成粒子图像。
8.根据权利要求6所述的一种基于散射光偏振检测的粒径测量装置,其特征在于,所述散射偏振比获取单元具体用于：
获取每一所述粒子图像的灰度值；
将所述灰度值进行线性叠加，以获得所述两幅偏振图像的总灰度值；
计算所述光路系统在不同入射波长及不同观测角度下的散射偏振比。
9.根据权利要求6所述的一种基于散射光偏振检测的粒径测量装置,其特征在于,所述最优解获取单元具体用于：
引入进粒子所处环境介质与空气的折射率将所述散射偏振比进行修正；
将修正后的所述散射偏振比进行反演运算,以获得整体的最优解。
10.一种基于散射光偏振检测的粒径测量设备，其特征在于，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序实现如权利要求1至5任意一项所述的一种基于散射光偏振检测的粒径测量方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110303782.6A CN113075097A (zh) | 2021-03-22 | 2021-03-22 | 一种基于散射光偏振检测的粒径测量方法、装置及设备 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202110303782.6A CN113075097A (zh) | 2021-03-22 | 2021-03-22 | 一种基于散射光偏振检测的粒径测量方法、装置及设备 |
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| CN113075097A true CN113075097A (zh) | 2021-07-06 |
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