一种基于双光束照射的干涉粒子成像测量方法

摘要

本发明公开了一种基于双光束照射的干涉粒子成像测量方法。该方法采用两条强度相等的片状光束相向照射粒子场，在散射角为90°区域记录粒子散射光的聚焦像（两点像）和/或离焦像（条纹图）。基于单向梯度匹配和傅里叶变换技术，提取粒子离焦像位置及条纹数/条纹间距，利用修正Rife/二次修正Rife算法对频率进行亚像素细分。利用模版匹配方法提取粒子聚焦像位置坐标，再对每个粒子两点像进行自相关、Gaussian插值提取两点像之间距离，进而计算得到粒子尺寸大小，其测量精度可达到亚象素精度。结合PIV/PTV技术，可实现粒子速度测量。这种非接触测量方法具有原理简单、测量方便、成本低、精度高、实用性等特点，可用于粒子场尺寸、速度测量。

主权项

1.一种基于双光束照射的干涉粒子成像测量方法，其特征在于，该方法包括：第一、激光器发出的光束经扩束准直系统、光束压缩系统压缩为片状光束，片状光束经分束镜分成强度相等的两束光，相向照射粒子场，粒子发生散射；第二、由成像透镜、探测器CCD组成的成像系统，在散射角为90°区域接收粒子的散射光，在聚焦像面形成两点像，在离焦像面上形成条纹图；第三、对上述成像系统采集到的粒子聚焦两点像和/或离焦条纹图，分别利用不同的图像处理算法，得到粒子尺寸大小和位置坐标；（1）、对条纹图，利用单向梯度匹配算法提取条纹图中心坐标(x,y)，根据粒子条纹图中心坐标及粒子干涉条纹图像的形状、大小提取出单个粒子干涉条纹图像；再对每个粒子干涉图进行傅立叶变换，利用修正Rife/二次修正Rife算法提取条纹频率，得到粒子干涉条纹数N/条纹间距；由计算，得到粒子直径，其测量精度可达到亚象素精度，式中，M为成像系统的放大率，d_a为成像透镜孔径大小，f为成像透镜焦距，λ为激光波长；（2）、对两点像，利用模版匹配方法提取粒子像位置坐标(x,y)，根据粒子像位置坐标(x,y)及两点像间距提取出单个粒子两点像图像；再对每个粒子两点像进行自相关，Gaussian插值提取两点像之间距离Δl，由计算，得到粒子直径，其测量精度达到亚象素精度，式中，M为成像系统的放大率；第四、通过多次曝光，记录不同时间刻的粒子条纹图和/或两点像，根据上步条纹图和两点像图像处理算法，得到的粒子条纹图中心坐标(x,y)和/或粒子像位置坐标(x,y)，结合PTV，利用v=Δs(MΔt)计算得到粒子速度，式中，Δt为记录时间间隔，为两聚焦像距离或/和两条纹图中心距离，其中，(x₁,y₁)、(x₂,y₂)为两聚焦像中心坐标或/和两条纹图中心坐标，Δx、Δy为CCD的象素尺寸。