基于双波长的散射角自标定全场彩虹测量方法及装置

摘要

本发明涉及气液两相流测量领域，旨在提供一种基于双波长的散射角自标定全场彩虹测量方法及装置。该测量装置包括喷雾发生单元、激光发射单元、信号收集单元和信号处理单元四部分；其中激光发射单元由两个波长不同的半导体激光器、调制元件、装在旋转位移台上的分束镜以及反光镜台架系统组成；信号收集单元是指：由视场透镜、小孔光阑和成像透镜组成的傅里叶成像系统，以及一个彩色CCD芯片。本发明实现了全场彩虹测量中散射角的系统自标定；具有快速自标定、结构简洁、操作简便、免额外高精度测量仪器、适合拓展到一维彩虹测量及工业化在线应用等特点；能快速、精确、有效地确定全场彩虹测量系统中散射角与CCD像素之间的内在关系。

主权项

一种基于双波长的散射角自标定全场彩虹测量方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将两种不同波长的激光器发射的两束激光经分束镜调制成一束后，照射粒径分布和折射率数据已知的标准液体的喷雾场，在喷雾场后向散射区产生两种波长的散射光信号，由傅里叶成像系统的视场透镜收集后，经过小孔光阑和成像透镜投射到一个彩色CCD芯片上，由其同时记录两种波长的彩虹信号光强；(2)对彩色CCD芯片记录到两种波长的彩虹信号进行R、G、B信号分离，得到两种彩虹信号各自对应的通道灰度值，进而得到两条分离的彩虹信号光强与像素列之间的关系曲线；(3)上述彩虹信号光强与像素列之间的关系曲线经快速傅里叶变换FFT滤波以及IFFT逆运算后，得到2条平滑的彩虹曲线；将彩虹曲线的光强进行0‑1归一化处理，找到这2条平滑的彩虹曲线中光强为0.468的像素列坐标pix_rg1和pix_rg2，这两个像素列坐标即对应两种波长下的几何光学彩虹角θ_rg和θ_rg2；(4)根据标准液体在不同波长激光下的折射率m₁、m₂，计算得到这两种波长下几何光学彩虹角θ_rg和θ_rg2的大小；由步骤(3)得到两个坐标点(pix_rg1，θ_rg1)和(pix_rg2，θ_rg2)，根据近轴光路中彩虹绝对散射角和像素列之间的近线性关系，推算出像素列与散射角之间的线性关系式，得到初始标定方程(angle＝a+b×pixel)中的特征参数a、b；(5)根据初始标定方程和CCD拍摄得到的彩虹图像，即可反演得到一组折射率反演值m₁₀、m₂₀，将此反演值与已知折射率m₁、m₂比较；若m₁₀与m₁、m₂₀与m₂中至少有一对的差值不小于0.0001，根据反演值与已知值的差值正负性对m₁、m₂进行向下或向上修正，修正后的折射率作为迭代代入值再次计算彩虹角并求出标定方程特征参数；(6)重复步骤(5)，开始迭代，直到两种波长下的迭代代入折射率与由此反演得到的折射率的差值均小于0.0001，迭代结束，即认为当前标定方程特征参数a、b有效，散射角自标定过程完成；(7)由(6)中迭代结束时的有效标定方程特征参数a、b计算得到全场彩虹标定方程(angle＝a+b×pixel)，通过标定方程即得知CCD上每个像素列对应的绝对散射角；进而进行常规的全场彩虹测量与信号处理，即得到目标液体喷雾的粒径分布和折射率数据，并结合获取的折射率与溶液浓度、温度与组分的关系，反推得到液滴的浓度、温度与组分。