一种基于成像的尘埃粒子浓度和速度测量装置及方法

1.本发明涉及环境监测及行星探测领域，具体涉及一种基于成像的尘埃粒子浓度和速度测量装置及方法。


背景技术：

2.常规的尘埃粒子浓度测量一般分为取样法和非取样法。取样法是在气流装置中将尘埃颗粒取样到滤膜或采样泵上，通过对滤膜或采样泵上尘埃的重量进行测量来计算尘埃粒子的浓度，该方法仅能测量尘埃粒子浓度。非取样法主要采用光散射法，通过气流装置中激光的散射回波来计算尘埃粒子浓度，该方法可同时测量尘埃的粒子浓度和尘埃的运动速度。
3.以上两种尘埃测量方法均需依赖气流装置，不适用于无法产生气流的场合，例如对噪音要求比较高的场所，或无大气的行星和探月等活动场所。而在行星探测、探月工程等活动中，尘埃数据能揭示很多行星环境特殊现象，如辉光、微磁层等。但因月球表面没有大气，无法产生气流，因此采用现有的测量方法无法获取尘埃数据。


技术实现要素：

4.本发明为了解决现有的尘埃粒子浓度测量方法无法对无气流环境下的尘埃进行测量的技术问题，而提供一种基于成像的尘埃粒子浓度和速度测量装置及方法。
5.为了实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：
6.一种基于成像的尘埃粒子浓度和速度测量装置，其特殊之处在于：
7.包括分别设置在探测区域四周的照明单元、成像单元、背板及光陷阱；
8.所述照明单元用于将探测区域内的尘埃粒子照亮；照明单元包括激光器和照明整形镜组；
9.所述照明整形镜组包括沿激光器出射光光路设置的第一柱面镜和第二柱面镜；所述第一柱面镜与第二柱面镜的轴线垂直；第一柱面镜为凸面朝向像方的正透镜，第二柱面镜为凸面朝向像方的正透镜；所述激光器位于第一柱面镜的焦点处，激光器的出射光经第一柱面镜、第二柱面镜后形成柱形光束进入探测区域；
10.所述成像单元和背板分别位于柱形光束所在探测区域的两侧；所述成像单元用于对探测区域内的尘埃粒子进行成像；所述背板靠近探测区域的一侧设有吸光涂层，用于遮挡外界杂散光；
11.所述光陷阱位于出射光穿过探测区域后的光路上，用于吸收杂散光。
12.进一步地，所述柱形光束的横截面为矩形，其平行成像单元光轴方向的光束边长为d，垂直成像单元光轴方向的光束边长为w；
13.其中，边长d的计算公式为：d＝2
×
f1×
tan(θ/2)，式中，f1为第一柱面镜的焦距，θ为激光器光源的发散角；
14.边长w的计算公式为：w＝2
×
f2×
tan(θ/2)，式中，f2为第二柱面镜的焦距。
15.进一步地，光束边长w取值为：1.01l《w《1.3l，其中，l为成像单元的线视场。
16.进一步地，所述成像单元包括壳体，沿入射光路依次设置在壳体内的滤光片、成像镜组及焦平面；
17.所述成像镜组包括沿光路依次设置的第一胶合镜、第二胶合镜、第三胶合镜、第一正透镜、第一负透镜和第二正透镜；
18.所述第一胶合镜由透镜一和透镜二胶合而成，其中透镜一为双凸面正透镜，透镜二为凸面朝向像方的弯月形负透镜；
19.所述第二胶合镜由透镜三和透镜四胶合而成，其中透镜三为双凸面正透镜，透镜四为双凹面负透镜；
20.所述第三胶合镜由透镜五和透镜六胶合而成，其中透镜五为凹面朝向像方的弯月形负透镜，透镜六为凸面朝向物方的弯月形正透镜；
21.所述第一正透镜为凹面朝向像方的弯月形透镜；
22.所述第一负透镜为凹面朝向像方的弯月形透镜；
23.所述第二正透镜为凹面朝向像方的弯月形透镜；
24.所述焦平面为ccd或cmos探测器，用于将图像光信号转化为电信号。
25.进一步地，所述激光器为脉冲激光器，其脉冲频率为1000-10000hz，脉冲宽度为10ns-10ms。
26.进一步地，所述成像单元前端与柱形光束光轴的距离为80～200mm；成像单元的f数为4～6，放大倍率为0.1～1。
27.进一步地，所述滤光片为带通滤光片，其中心波长与激光器的发射波长相同，且半峰全宽小于30nm。
28.此外，本发明还提供一种基于成像的尘埃粒子浓度和速度测量方法，其特殊之处在于，采用上述的基于成像的尘埃粒子浓度和速度测量装置，包括以下步骤：
29.步骤1】，激光器发出的出射光经照明整形镜组后，转换为柱形光束并进入探测区域；
30.步骤2】，探测区域内的尘埃粒子在柱形光束下发生散射，通过成像单元得到尘埃粒子图像，并获取尘埃粒子图像的dn值；
31.步骤3】，基于尘埃粒子图像的dn值，获得曝光时间内探测区域尘埃粒子散射光的光强；所述曝光时间为成像单元拍照的曝光时间；
32.步骤4】，基于步骤3】得到的光强，通过计算即可得到探测区域内的尘埃粒子浓度；
33.步骤5】，基于步骤2】得到的尘埃粒子图像，通过帧间帧内位移计算方法得到探测区域内尘埃粒子的速度。
34.进一步地，步骤4】具体为，基于步骤3】得到的尘埃粒子散射光的光强，根据散射原理计算得到探测区域内不同光强下的尘埃粒子数量，所述尘埃粒子数量与探测区域体积的比值即为探测区域内的尘埃粒子浓度。
35.进一步地，步骤5】具体为，所述尘埃粒子图像包括速度较快的尘埃粒子图像和速度较慢的尘埃粒子图像；
36.所述速度较快的尘埃粒子图像是指速度的尘埃粒子的图像，其中，p为焦
平面的像素尺寸，β为成像单元的放大倍率，τ为成像单元拍摄的同一图像中相邻两个激光脉冲之间的时间间隔；
37.所述速度较快的尘埃粒子的速度采用帧内位移计算方法计算，其计算公式为：
[0038][0039]
式中，x1、y1为成像单元拍摄的同一图像中前一个激光脉冲对应的光斑位置坐标，x2、y2为成像单元拍摄的同一图像中后一个激光脉冲对应的光斑位置坐标；
[0040]
所述速度较慢的尘埃粒子图像是指速度的尘埃粒子的图像，速度较慢的尘埃粒子的速度通过在相邻两帧图像间进行粒子匹配和质心定位，并结合时间间隔进行计算，其计算公式为：
[0041][0042]
式中，xa、ya为前一幅图像中的尘埃光斑位置坐标，xb、yb为后一幅图像中的尘埃光斑位置坐标，δt为相邻两幅图像之间的时间间隔。
[0043]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0044]
1、本发明所构建的测量装置，通过第一柱面镜和第二柱面镜相配合的方式，将激光器发出的出射光整形为柱形光束，大大提高了光能利用率，以及成像区域的光能量密度；同时基于成像单元获取尘埃粒子的成像，并通过进一步计算即可获取尘埃粒子的浓度和速度，以此有效解决了现有的测量方法无法对无气流环境下的尘埃进行测量的问题。
[0045]
2、本发明所构建的测量装置，通过光陷阱大幅抑制了照明后的激光造成的光散射，避免了杂散光的干扰。
[0046]
3、本发明所构建的测量装置，无需示踪粒子及产生气流的装置，采用直接成像的方式无接触探测粒子运动轨迹及浓度，测量方式简单直观，可实现轻量化系统载荷。
附图说明
[0047]
图1为本发明实施例的结构示意图；
[0048]
图2为本发明实施例中照明整形镜组结构示意图；
[0049]
图3为图2的俯视图；
[0050]
图4为本发明实施例中成像单元结构示意图。
[0051]
附图标记如下：
[0052]
1-激光器；2-柱面镜组；21-第一柱面镜；22-第二柱面镜；3-成像系统；31-滤光片；32-成像镜组；33-焦平面；34-第一胶合镜；341-透镜一；342-透镜二；35-第二胶合镜；351-透镜三；352-透镜四；36-第三胶合镜；361-透镜五；362-透镜六；37-第一正透镜；38-第一负透镜；39-第二正透镜；4-背光板；5-光陷阱；6-探测区域。
具体实施方式
[0053]
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明
49.28mm，厚度为9.66mm，间隔为0mm，折射率为1.497，阿贝数为81.595。透镜四352的前曲率半径为-49.28mm，后曲率半径为141.69mm，厚度为7.37mm，间隔为2.91mm，折射率为1.904，阿贝数为31.420。
[0066]
第三胶合镜36由透镜五361和透镜六362胶合而成，其中透镜五361为凹面朝向像方的弯月形负透镜，透镜六362为凸面朝向物方的弯月形正透镜。透镜五361的前曲率半径为28.08mm，前曲率半径为23.30mm，厚度为3.00mm，间隔为0，折射率为1.904，阿贝数为31.318。透镜六362的前曲率半径为23.30mm，后曲率半径为78.10mm，厚度为6.25mm，间隔为0.30mm，折射率为1.497，阿贝数为81.595。
[0067]
第一正透镜37为凹面朝向像方的弯月形透镜；其前曲率半径为18.82mm，后曲率半径为22.76mm，厚度为7.58mm，间隔为1.17mm，折射率为1.658，阿贝数为50.866。
[0068]
第一负透镜38为凹面朝向像方的弯月形透镜，其前曲率半径为-42.75mm，后曲率半径为12.50mm，厚度为5.40mm，间隔为7.58mm，折射率为1.575，阿贝数为41.297。
[0069]
第二正透镜39为凹面朝向像方的弯月形透镜，其前曲率半径为52.28mm，后曲率半径为-33.58mm，厚度为3.13mm，间隔为26.00mm，折射率为1.788，阿贝数为41.517。
[0070]
光陷阱5位于出射光穿过探测区域6后的光路上，用于吸收杂散光。
[0071]
本实施例还提供一种基于成像的尘埃浓度和速度测量方法，包括以下步骤：
[0072]
步骤1】根据测试要求组装基于成像的尘埃浓度和速度测量装置。
[0073]
步骤2】由激光器1发出出射光，出射光经第一柱面镜21和第二柱面镜22后，转换为柱形光束并进入探测区域6。
[0074]
步骤3】探测区域6内悬浮运动的尘埃粒子在柱形光束下发生散射，散射光通过成像单元3中的成像镜组32，在ccd探测器上成像，进而获得尘埃粒子的图像及尘埃粒子图像的dn值。本实施例的成像单元3采用可见光相机方案，在一定曝光时间下对探测区域6内的尘埃粒子进行成像。为了减小杂散光的干扰，在探测区域6远离成像单元3的一侧放置涂有黑色吸光涂层的背板4，用于吸收多余的散射光；用于照明的激光光束穿过探测区域6后进入光陷阱，并被光陷阱所吸收，从而抑制了照明后的激光造成的光散射，进一步避免了杂散光的干扰。
[0075]
步骤4】根据尘埃粒子图像的dn值，获得曝光时间内探测区域6内尘埃粒子散射光的光强。
[0076]
步骤5】基于步骤4】得到的光强，通过计算得到探测区域6内的尘埃粒子的浓度。具体为，基于光强，根据散射原理可以求解出探测区域6内不同光强下的尘埃粒子数量，该数量与探测区域6体积的比值即为探测区域6内不同光强下的尘埃粒子浓度。
[0077]
如果需将不同光强下的尘埃粒子浓度转换为不同粒径下的尘埃粒子浓度，可通过以下方法计算：
[0078]
通过尘埃粒子计数器测量得到探测区域6内不同粒径下的尘埃粒子浓度；将不同光强下的尘埃粒子浓度与尘埃粒子计数器测量得到的不同粒径下的尘埃粒子浓度进行统计比较，并得到定标系数，通过定标系数即可将测量得到的不同光强下的尘埃粒子浓度转换为不同粒径下的尘埃粒子浓度，从而基于数据进行相应的分析工作。
[0079]
步骤6】，基于步骤3】得到的尘埃粒子图像，通过帧间帧内位移计算方法得到探测区域6内尘埃粒子的速度。
[0080]
具体为，尘埃粒子图像包括速度较快的尘埃粒子图像和速度较慢的尘埃粒子图像；速度较快的尘埃粒子在探测器上留下的是间隔一定的点构成的线段，速度较快的尘埃粒子图像是指速度的尘埃粒子的图像，其中，p为焦平面33的像素尺寸，β为成像单元3的放大倍率，τ为成像单元3拍摄的同一图像中相邻两个激光脉冲之间的时间间隔。
[0081]
速度较快的尘埃粒子的速度采用帧内位移计算方法计算，通过计算其线段长度、点与点之间的间距，结合镜头放大倍率与相机曝光时间、激光器频率与脉宽，即可有效计算出粒子速度大小，具体计算公式为：
[0082][0083]
式中，x1、y1为前一个激光脉冲对应的光斑位置坐标，x2、y2为后一个激光脉冲对应的光斑位置坐标。
[0084]
速度较慢的尘埃粒子图像为一个点，速度较慢的尘埃粒子图像是指速度的尘埃粒子的图像，速度较慢的尘埃粒子的速度通过在相邻两帧图像间进行粒子匹配和质心定位，并结合时间间隔进行计算，其计算公式为：
[0085][0086]
式中，xa、ya为前一幅图像中的尘埃光斑位置坐标，xb、yb为后一幅图像中的尘埃光斑位置坐标，δt为相邻两幅图像之间的时间间隔。
[0087]
对于速度较快的点，本实施例采用的是脉冲激光器，脉冲频率为10000hz，其脉冲持续时间为10ns，对于速度为100m/s的微粒在一个光脉冲的时间内，运动位移为1um，远小于像素点的尺寸，结合光的散射，最后成像为一个点；在200us的曝光时间内有2个光脉冲，100m/s的微粒在曝光时间内成像为两个点，两点之间的间隔为10mm，在视场范围内，可以实现百米速度的测量，因此本实施例的测量方法理论上来说可测量的速度范围能达到1～100m/s。
[0088]
为了检验图像处理算法计算粒子速度的正确性，也可以进行验证性的实验。引入风扇，人为地改变待测区域的气流流速，确保流场流速的稳定，为空气中的灰尘微粒赋予固定的速度，用风速计测量气流的流速；再利用我们搭建的piv测速装置对微粒的运动进行成像，借助粒子测速算法进行处理以提取微粒的运动速度，并与之前风速计测取的速度作比较，进行多次实验，检验粒子测速算法的准确性，以及测量的误差范围。

技术特征：
1.一种基于成像的尘埃粒子浓度和速度测量装置，其特征在于：包括分别设置在探测区域(6)四周的照明单元、成像单元(3)、背板(4)及光陷阱(5)；所述照明单元用于将探测区域(6)内的尘埃粒子照亮；照明单元包括激光器(1)和照明整形镜组(2)；所述照明整形镜组(2)包括沿激光器(1)出射光光路设置的第一柱面镜(21)和第二柱面镜(22)；第一柱面镜(21)与第二柱面镜(22)的轴线垂直；所述第一柱面镜(21)和第二柱面镜(22)均为凸面朝向像方的正透镜；所述激光器(1)位于第一柱面镜(21)的焦点处，激光器(1)的出射光经第一柱面镜(21)、第二柱面镜(22)后形成柱形光束进入探测区域(6)；所述成像单元(3)和背板(4)分别位于柱形光束所在探测区域(6)的两侧；所述成像单元(3)用于对探测区域(6)内的尘埃粒子进行成像；所述背板(4)靠近探测区域(6)的一侧设有吸光涂层，用于遮挡外界杂散光；所述光陷阱(5)位于出射光穿过探测区域(6)后的光路上，用于吸收杂散光。2.根据权利要求1所述的基于成像的尘埃粒子浓度和速度测量装置，其特征在于：所述柱形光束的横截面为矩形，其平行成像单元(3)光轴方向的光束边长为d，垂直成像单元(3)光轴方向的光束边长为w；其中，边长d的计算公式为：d＝2
×
f1×
tan(θ/2)，式中，f1为第一柱面镜(21)的焦距，θ为激光器(1)光源的发散角；边长w的计算公式为：w＝2
×
f2×
tan(θ/2)，式中，f2为第二柱面镜(22)的焦距。3.根据权利要求2所述的基于成像的尘埃粒子浓度和速度测量装置，其特征在于：光束边长w取值为：1.01l<w<1.3l，其中，l为成像单元的线视场。4.根据权利要求3所述的基于成像的尘埃粒子浓度和速度测量装置，其特征在于：所述成像单元(3)包括壳体，沿入射光路依次设置在壳体内的滤光片(31)、成像镜组(32)及焦平面(33)；所述成像镜组(32)包括沿光路依次设置的第一胶合镜(34)、第二胶合镜(35)、第三胶合镜(36)、第一正透镜(37)、第一负透镜(38)和第二正透镜(39)；所述第一胶合镜(34)由透镜一(341)和透镜二(342)胶合而成，其中透镜一(341)为双凸面正透镜，透镜二(342)为凸面朝向像方的弯月形负透镜；所述第二胶合镜(35)由透镜三(351)和透镜四(352)胶合而成，其中透镜三(351)为双凸面正透镜，透镜四(352)为双凹面负透镜；所述第三胶合镜(36)由透镜五(361)和透镜六(362)胶合而成，其中透镜五(361)为凹面朝向像方的弯月形负透镜，透镜六(362)为凸面朝向物方的弯月形正透镜；所述第一正透镜(37)为凹面朝向像方的弯月形透镜；所述第一负透镜(38)为凹面朝向像方的弯月形透镜；所述第二正透镜(39)为凹面朝向像方的弯月形透镜；所述焦平面(33)为ccd或cmos探测器，用于将图像光信号转化为电信号。5.根据权利要求4所述的基于成像的尘埃粒子浓度和速度测量装置，其特征在于：所述激光器(1)为脉冲激光器，其脉冲频率为1000-10000hz，脉冲宽度为10ns-10ms。6.根据权利要求5所述的基于成像的尘埃粒子浓度和速度测量装置，其特征在于：所述成像单元(3)的前端与柱形光束光轴的距离为80～200mm；成像单元(3)f数为4～
6，放大倍率为0.1～1。7.根据权利要求6所述的基于成像的尘埃粒子浓度和速度测量装置，其特征在于：所述滤光片(31)为带通滤光片，其中心波长与激光器(1)的发射波长相同，且半峰全宽小于30nm。8.一种基于成像的尘埃粒子浓度和速度测量方法，其特征在于，采用权利要求1-7任一所述的基于成像的尘埃粒子浓度和速度测量装置，包括以下步骤：步骤1】，激光器(1)发出的出射光经照明整形镜组(2)后，转换为柱形光束并进入探测区域(6)；步骤2】，探测区域(6)内的尘埃粒子在柱形光束下发生散射，通过成像单元(3)得到尘埃粒子图像，并获取尘埃粒子图像的dn值；步骤3】，基于尘埃粒子图像的dn值，获得曝光时间内探测区域(6)尘埃粒子散射光的光强；所述曝光时间为成像单元(3)拍照的曝光时间；步骤4】，基于步骤3】得到的光强，通过计算即可得到探测区域(6)内的尘埃粒子浓度；步骤5】，基于步骤2】得到的尘埃粒子图像，通过帧间帧内位移计算方法得到探测区域(6)内尘埃粒子的速度。9.根据权利要求8所述的基于成像的尘埃粒子浓度和速度测量方法，其特征在于：步骤4】具体为，基于步骤3】得到的尘埃粒子散射光的光强，根据散射原理计算得到探测区域(6)内不同光强下的尘埃粒子数量，所述尘埃粒子数量与探测区域体积的比值即为探测区域内的尘埃粒子浓度。10.根据权利要求8或9所述的基于成像的尘埃粒子浓度和速度测量方法，其特征在于，步骤5】具体为：所述尘埃粒子图像包括速度较快的尘埃粒子图像和速度较慢的尘埃粒子图像；所述速度较快的尘埃粒子图像是指速度的尘埃粒子的图像，其中，p为焦平面(33)的像素尺寸，β为成像单元(3)的放大倍率，τ为成像单元(3)拍摄的同一个图像中相邻两个激光脉冲之间的时间间隔；所述速度较快的尘埃粒子的速度采用帧内位移计算方法计算，其计算公式为：式中，x1、y1为成像单元(3)拍摄的同一图像中前一个激光脉冲对应的光斑位置坐标，x2、y2为成像单元(3)拍摄的同一图像中后一个激光脉冲对应的光斑位置坐标；所述速度较慢的尘埃粒子图像是指速度的尘埃粒子的图像，速度较慢的尘埃粒子的速度通过在相邻两帧图像间进行粒子匹配和质心定位，并结合时间间隔进行计算，其计算公式为：式中，x
a
、y
a
为前一幅图像中的尘埃光斑位置坐标，x
b
、y
b
为后一幅图像中的尘埃光斑位
置坐标，δt为前一幅图像和后一幅图像之间的时间间隔。

技术总结
本发明公开了一种基于成像的尘埃粒子浓度和速度测量装置及方法，用以解决现有的尘埃浓度测量方法无法对无气流环境下的尘埃进行测量的技术问题。本发明的测量装置包括分别设置在探测区域四周的照明单元、成像单元、背板及光陷阱；照明单元用于将探测区域内的尘埃粒子照亮；照明单元包括激光器和照明整形镜组，照明整形镜组包括沿激光器出射光光路设置的第一柱面镜和第二柱面镜，激光器发出的出射光经第一柱面镜和第二柱面镜后转换为柱形光束，大大提高了光能利用率，同时通过成像单元，获取尘埃粒子的成像，进一步计算即可获取尘埃粒子的浓度和速度，以此有效解决了现有的测量方法无法对无气流环境下的尘埃进行测量的问题。法无法对无气流环境下的尘埃进行测量的问题。法无法对无气流环境下的尘埃进行测量的问题。


技术研发人员：赵意意 薛彬 戴艺丹 杨建峰
受保护的技术使用者：中国科学院西安光学精密机械研究所
技术研发日：2023.05.26
技术公布日：2023/9/23