基于均值濾波的混合場(chǎng)粒徑測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于均值濾波的混合場(chǎng)粒徑測(cè)量方法，本發(fā)明以均值濾波和3σ準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，通過不同模板系數(shù)下的粒徑計(jì)算，得到粒徑均值作為最終粒徑計(jì)算結(jié)果，同時(shí)對(duì)多次計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行判斷，剔除粗大誤差，提高測(cè)量精度。其效果是為復(fù)雜粒子場(chǎng)的測(cè)量提供依據(jù)，同時(shí)得到干涉條紋圖均值濾波模板的選取原則，為光學(xué)系統(tǒng)中不同尺寸粒子的測(cè)量提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
【專利說明】
基于均值濾波的混合場(chǎng)粒徑測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明提出一種干涉粒子成像系統(tǒng)中混合場(chǎng)粒徑測(cè)量方法，特別涉及粒徑測(cè)量精 度的提高。
【背景技術(shù)】
[0002] 粒子尺寸測(cè)量在工業(yè)、云微物理檢測(cè)和工程測(cè)量上具有重要意義。干涉粒子成像 測(cè)量技術(shù)廣泛應(yīng)用于粒子尺寸和粒子空間分布的獲取，該方法具有非接觸、精度高、速度快 等優(yōu)點(diǎn)，其研究技術(shù)較為成熟，研究對(duì)象多為尺寸相同的球形粒子。大氣中的懸浮粒子、雨 滴以及人體細(xì)胞等實(shí)際粒子場(chǎng)中，粒子尺寸并不相同，因此，研究適用于混合粒子場(chǎng)的干涉 成像處理算法，對(duì)提高粒子尺寸的測(cè)量精度具有重要意義。
[0003] 干涉粒子成像技術(shù)廣泛應(yīng)用于粒子尺寸的測(cè)量，研究對(duì)象多為單一粒徑粒子場(chǎng)， 為提高干涉條紋圖質(zhì)量，專利CN203705307U提出一種雙光束照射的粒子測(cè)量裝置，使干涉 發(fā)生在同階散射光之間，進(jìn)而提高干涉條紋的對(duì)比度，達(dá)到提高測(cè)量精度的目的。均值濾波 作為典型的平滑濾波器常用于圖像處理，專利CN105427265A提出一種彩色圖像對(duì)比度增強(qiáng) 的方法，其關(guān)鍵在于平滑濾波，采用小尺度的均值濾波處理實(shí)現(xiàn)像素對(duì)比度的增強(qiáng)。粗大誤 差是結(jié)果明顯偏離實(shí)際值時(shí)的誤差，干涉粒子成像測(cè)量中難以避免，專利CN105403245A在 提出的日光溫室無線傳感器多數(shù)據(jù)融合方法中，采用格拉布斯判定準(zhǔn)則剔除粗大誤差，使 得數(shù)據(jù)精度提高8 %。
[0004]目前還沒有提出適用于混合粒子場(chǎng)的粒徑測(cè)量方法。本發(fā)明將均值濾波與3〇準(zhǔn)則 相結(jié)合，提出一種具有粗大誤差剔除功能的高精度干涉條紋圖像處理算法，通過模擬與實(shí) 驗(yàn)驗(yàn)證得到濾波模板的基本選取原則，得到混合粒子場(chǎng)與單一粒子場(chǎng)均適用的粒徑計(jì)算方 法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明目的是提出一種基于均值濾波的混合場(chǎng)粒徑測(cè)量方法，粒子尺寸與干涉成 像系統(tǒng)匹配度較低時(shí)干涉條紋圖質(zhì)量較差，利用這一方法可以減小圖像質(zhì)量差帶來的影 響，從而提高干涉成像測(cè)量算法的測(cè)量精度和適用性，獲取不同粒徑粒子的尺寸信息，為實(shí) 際粒子場(chǎng)的測(cè)量提供技術(shù)支持。
[0006] 本發(fā)明以均值濾波和3〇準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，通過不同模板系數(shù)下的粒徑計(jì)算，得到粒徑 均值作為最終粒徑計(jì)算結(jié)果，同時(shí)對(duì)多次計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行判斷，剔除粗大誤差，提高測(cè)量精 度。
[0007] 本發(fā)明提出的基于均值濾波的混合場(chǎng)粒徑測(cè)量方法步驟如下：
[0008] 第1、粒子坐標(biāo)定位與條紋圓獲取，利用干涉粒子成像系統(tǒng)，獲取干涉條紋圖，將干 涉條紋圖與粒子掩模圖像進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算并取峰值，得到并存儲(chǔ)條紋圓坐標(biāo)，根據(jù)定位結(jié)果， 獲取粒子干涉條紋圓；
[0009]第2、設(shè)定模板系數(shù)，設(shè)定均值濾波模板系數(shù)初值為1，均值濾波前，該初值自加1， 使得首次均值濾波的模板系數(shù)為2;
[0010] 第3、圖像處理，對(duì)干涉條紋圖進(jìn)行均值濾波與邊緣提取，該步驟目的在于濾除噪 聲改善圖像質(zhì)量，獲取更清晰的干涉條紋；
[0011] 第4、條紋頻率獲取與粒徑計(jì)算，利用傅里葉變換和修正的Rife算法完成干涉條紋 頻率的精確提取，根據(jù)粒徑計(jì)算公式，計(jì)算粒子直徑；
[0012] 第5、獲得不同模板系數(shù)下的計(jì)算結(jié)果，重復(fù)第3步和第4步，每重復(fù)一次，模板系數(shù) 加1，直至模板系數(shù)為12,實(shí)現(xiàn)模板系數(shù)從2到12的粒徑計(jì)算，存儲(chǔ)不同模板系數(shù)下的每個(gè)粒 子的粒徑計(jì)算結(jié)果；
[0013] 第6、計(jì)算粒徑均值，將第5步得到的粒徑計(jì)算結(jié)果分別取平均，得到不同粒徑粒子 的計(jì)算均值，存儲(chǔ)各均值；
[0014] 第7、粗大誤差剔除，根據(jù)3〇準(zhǔn)則，以不同模板系數(shù)下的粒徑計(jì)算結(jié)果作為該準(zhǔn)則 中的每一項(xiàng)，判斷粒徑計(jì)算結(jié)果是否存在粗大誤差，若存在粗大誤差，則該粒子的粒徑計(jì)算 結(jié)果被清除，該粒子為不可處理干涉條紋圓，否則，以第6步計(jì)算得到的粒徑均值作為最終 結(jié)果輸出。
[0015] 進(jìn)一步的，第4步中粒徑計(jì)算公式為：
[0017] 其中Ν為條紋數(shù)，w和Θ分別為收集角和散射角，λ為激光波長，ηι為周圍介質(zhì)折射 率。
[0018] 進(jìn)一步的，所述的干涉條紋圖每行數(shù)據(jù)相近，提取第i行數(shù)據(jù)yi(h)，h為每一個(gè)像 素點(diǎn)數(shù)，得到模板大小為(2H+1)X(2H+1)的S域傳遞函數(shù)G(s)為
[0020] 得到不同模板系數(shù)的幅頻特性曲線。
[0021] 本發(fā)明提出的基于均值濾波的混合場(chǎng)粒徑測(cè)量方法中，干涉條紋圖均值濾波模板 的選取原則:干涉成像系統(tǒng)中參數(shù)的確定與待測(cè)粒子尺寸有關(guān)，參數(shù)確定后對(duì)某一粒徑粒 子的測(cè)量效果最佳，對(duì)粒徑偏離該尺寸的粒子，干涉條紋圖質(zhì)量下降。粒子尺寸與干涉成像 系統(tǒng)越匹配，干涉條紋成像質(zhì)量越好，其對(duì)濾波模板的敏感度越低，因此，模板系數(shù)選取相 對(duì)隨意，模板系數(shù)對(duì)測(cè)量精度影響較小。粒子尺寸越偏離干涉成像系統(tǒng)，其圖像質(zhì)量越差， 對(duì)濾波模板越敏感，因此濾波模板不應(yīng)過大或過小而應(yīng)取中間值。
[0022]本發(fā)明的有益效果是：
[0023] (1)本發(fā)明提出一種基于均值濾波的混合場(chǎng)粒徑測(cè)量方法，為復(fù)雜粒子場(chǎng)的測(cè)量 提供依據(jù)。
[0024] (2)本發(fā)明得到干涉條紋圖均值濾波模板的選取原則，為光學(xué)系統(tǒng)中不同尺寸粒 子的測(cè)量提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
【附圖說明】
[0025] 圖1是本發(fā)明的基本流程圖。
[0026] 圖2是均值濾波不同模板系數(shù)的幅頻特性曲線。
[0027] 圖3是模擬模板系數(shù)對(duì)不同質(zhì)量干涉條紋圖的影響。其中：（a)是不含噪聲的干涉 條紋圖；（b)是加入0-0.5Hz隨機(jī)噪聲的干涉條紋圖；（c)是亮度減小200像素的含有噪聲的 干涉條紋圖；（d)是對(duì)比度減小6倍的含有噪聲的干涉條紋圖。
[0028]圖4是模板系數(shù)對(duì)不同粒徑粒子干涉條紋圖的影響。其中：（a)是21.3um粒子干涉 條紋圖；（b)是45um粒子干涉條紋圖；（c)是57.9um粒子干涉條紋圖。
[0029] 圖5是不同粒子場(chǎng)的粒子定位結(jié)果。其中：（a)是21.3um粒子場(chǎng)；（b)是45um粒子場(chǎng)； (c)是57.9um粒子場(chǎng)；（d)是包含以上三種粒徑的混合粒子場(chǎng)。
[0030]圖6是粗大誤差判斷結(jié)果。其中：被判斷為粗大誤差的干涉條紋圓用方框標(biāo)出。
[0031 ]圖7是粒徑計(jì)算結(jié)果的相對(duì)誤差擬合圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 參見附圖1，本發(fā)明提出的基于均值濾波的混合場(chǎng)粒徑測(cè)量方法步驟如下：
[0033] 第1、粒子坐標(biāo)定位與條紋圓獲取，利用干涉粒子成像系統(tǒng)，獲取干涉條紋圖，將干 涉條紋圖與粒子掩模圖像進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算并取峰值，得到并存儲(chǔ)條紋圓坐標(biāo)，根據(jù)定位結(jié)果， 獲取粒子干涉條紋圓。
[0034]第2、設(shè)定模板系數(shù)，設(shè)定均值濾波模板系數(shù)初值為1，均值濾波前，該初值自加1， 使得首次均值濾波的模板系數(shù)為2。
[0035]第3、圖像處理，對(duì)干涉條紋圖進(jìn)行均值濾波與邊緣提取，該步驟目的在于濾除噪 聲改善圖像質(zhì)量，獲取更清晰的干涉條紋。
[0036]第4、條紋頻率獲取與粒徑計(jì)算，利用傅里葉變換和修正的Rife算法完成干涉條紋 頻率的精確提取，根據(jù)粒徑計(jì)算公式，計(jì)算粒子直徑。
[0037] 第5、獲得不同模板系數(shù)下的計(jì)算結(jié)果，重復(fù)第3步和第4步，每重復(fù)一次，模板系數(shù) 加1，直至模板系數(shù)為12,實(shí)現(xiàn)模板系數(shù)從2到12的粒徑計(jì)算，存儲(chǔ)不同模板系數(shù)下的每個(gè)粒 子的粒徑計(jì)算結(jié)果。
[0038] 第6、計(jì)算粒徑均值，將第5步得到的粒徑計(jì)算結(jié)果分別取平均，得到不同粒徑粒子 的計(jì)算均值，存儲(chǔ)各均值。
[0039] 第7、粗大誤差剔除，根據(jù)3〇準(zhǔn)則，以不同模板系數(shù)下的粒徑計(jì)算結(jié)果作為該準(zhǔn)則 中的每一項(xiàng)，判斷粒徑計(jì)算結(jié)果是否存在粗大誤差，若存在粗大誤差，則該粒子的粒徑計(jì)算 結(jié)果被清除，該粒子為不可處理干涉條紋圓，否則，以第6步計(jì)算得到的粒徑均值作為最終 結(jié)果輸出。
[0040] 實(shí)施例1:干涉粒子成像系統(tǒng)
[0041] 本發(fā)明采用的干涉粒子成像系統(tǒng)中，激光器出射光波長為532nm，最大輸出功率為 4W。激光束經(jīng)過擴(kuò)束、空間濾波、準(zhǔn)直后經(jīng)柱透鏡被壓縮為1mm片狀激光束。采用尼康A(chǔ)F 50mm f/1.8D定焦鏡頭作為成像透鏡收集粒子散射光。接收器件為像元尺寸3.45μπι，有效像 元數(shù)為2448*2048的CCD。系統(tǒng)散射角為60°，系統(tǒng)放大倍率為Μ = 0.159，物距Zi = 364.37mm， 像距Zi = 57.95mm，收集角w = 5.612°。待測(cè)粒子為聚苯乙稀球形粒子，尺寸分別為21.3um， 45um和57.9um，觀測(cè)過程中粒子置于去離子水中。
[0042]本發(fā)明的干涉條紋圖每行數(shù)據(jù)相近，提取第i行數(shù)據(jù)yi(h)，h為每一個(gè)像素點(diǎn)數(shù)， 得到模板大小為(2H+1)X(2H+1)的S域傳遞函數(shù)G(s)為
[0044] 從而得到圖2所示不同模板系數(shù)的幅頻特性曲線。
[0045] 圖3和圖4為均值濾波模板系數(shù)對(duì)不同質(zhì)量干涉條紋圖的影響，圖3為模擬結(jié)果，圖 4為對(duì)實(shí)際干涉條紋圖處理結(jié)果，在同一光學(xué)系統(tǒng)下不同粒徑的干涉條紋圖質(zhì)量不同，隨著 模板系數(shù)的增大，濾波器的帶寬變小，圖像質(zhì)量不好時(shí)，頻率較分散，因此在不同濾波器模 板系數(shù)的影響下，頻譜變動(dòng)很大。
[0046]根據(jù)干涉條紋圖均值濾波模板選取原則，本發(fā)明中，45um和57.9um粒子干涉條紋 圖質(zhì)量較好，對(duì)模板系數(shù)的選取不敏感，21.3um粒子對(duì)模板系數(shù)較為敏感，因此應(yīng)取中間 值，根據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證21.3um粒子場(chǎng)、45um粒子場(chǎng)、57.9um粒子場(chǎng)的模板系數(shù)分別為TC = 8，TC = 12 和 TC = 2。
[0047]實(shí)施例2:粒徑提取與誤差剔除 [0048]粒徑計(jì)算公式為
[0050] 其中N為條紋數(shù)，w和Θ分別為收集角和散射角，λ為激光波長，ηι為周圍介質(zhì)折射 率。
[0051] 圖5給出了該方法對(duì)不同粒徑粒子場(chǎng)和混合粒子場(chǎng)的干涉條紋圖定位結(jié)果，該發(fā) 明具有粗大誤差剔除功能，判斷為粗大誤差的條紋圓標(biāo)于圖6,將單一粒子場(chǎng)粒徑計(jì)算方法 與該發(fā)明提出的方法比較，分別處理圖5所示的四種粒子場(chǎng)干涉條紋圖，得到粒徑計(jì)算結(jié)果 相對(duì)誤差擬合圖如圖7所示，其中RE代表相對(duì)誤差，參數(shù)D對(duì)應(yīng)該發(fā)明提出的方法，圖6所示 的粗大誤差與圖7中兩個(gè)較大的相對(duì)誤差值相對(duì)應(yīng)。
[0052] 對(duì)比該發(fā)明的處理方法與適用于單一粒子場(chǎng)的處理方法，得到粒徑計(jì)算結(jié)果相對(duì) 誤差平均值并列于表1，該表充分說明了該算法對(duì)粒子場(chǎng)粒徑計(jì)算精度和適用性的提高。
[0053]表 1
[0055]需要說明的是，上述對(duì)實(shí)施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解 和應(yīng)用本發(fā)明，因此，本發(fā)明不限于這里的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對(duì) 于本發(fā)明做出的改進(jìn)和修飾都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 基于均值濾波的混合場(chǎng)粒徑測(cè)量方法，其特征在于步驟如下： 第1、粒子坐標(biāo)定位與條紋圓獲取，利用干涉粒子成像系統(tǒng)，獲取干涉條紋圖，將干涉條 紋圖與粒子掩模圖像進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算并取峰值，得到并存儲(chǔ)條紋圓坐標(biāo)，根據(jù)定位結(jié)果，獲取 粒子干涉條紋圓； 第2、設(shè)定模板系數(shù)，設(shè)定均值濾波模板系數(shù)初值為1，均值濾波前，該初值自加1，使得 首次均值濾波的模板系數(shù)為2; 第3、圖像處理，對(duì)干涉條紋圖進(jìn)行均值濾波與邊緣提取，該步驟目的在于濾除噪聲改 善圖像質(zhì)量，獲取更清晰的干涉條紋； 第4、條紋頻率獲取與粒徑計(jì)算，利用傅里葉變換和修正的Rife算法完成干涉條紋頻率 的精確提取，根據(jù)粒徑計(jì)算公式，計(jì)算粒子直徑； 第5、獲得不同模板系數(shù)下的計(jì)算結(jié)果，重復(fù)第3步和第4步，每重復(fù)一次，模板系數(shù)加1， 直至模板系數(shù)為12,實(shí)現(xiàn)模板系數(shù)從2到12的粒徑計(jì)算，存儲(chǔ)不同模板系數(shù)下的每個(gè)粒子的 粒徑計(jì)算結(jié)果； 第6、計(jì)算粒徑均值，將第5步得到的粒徑計(jì)算結(jié)果分別取平均，得到不同粒徑粒子的計(jì) 算均值，存儲(chǔ)各均值； 第7、粗大誤差剔除，根據(jù)3〇準(zhǔn)則，以不同模板系數(shù)下的粒徑計(jì)算結(jié)果作為該準(zhǔn)則中的 每一項(xiàng)，判斷粒徑計(jì)算結(jié)果是否存在粗大誤差，若存在粗大誤差，則該粒子的粒徑計(jì)算結(jié)果 被清除，該粒子為不可處理干涉條紋圓，否則，以第6步計(jì)算得到的粒徑均值作為最終結(jié)果 輸出。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于均值濾波的混合場(chǎng)粒徑測(cè)量方法，其特征在于:第4步中， 粒徑計(jì)算公式為：其中N為條紋數(shù)，w和Θ分別為收集角和散射角，λ為激光波長，m為周圍介質(zhì)折射率。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于均值濾波的混合場(chǎng)粒徑測(cè)量方法，其特征在于:所述的干 涉條紋圖每行數(shù)據(jù)相近，提取第i行數(shù)據(jù)yi(h)，h為每一個(gè)像素點(diǎn)數(shù)，得到模板大小為(2H+ 1)X(2H+1)的S域傳遞函數(shù)G(S)為得到不同模板系數(shù)的幅頻特性曲線。
【文檔編號(hào)】G01N15/02GK106018201SQ201610355857
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月26日
【發(fā)明人】張紅霞, 孫金露, 李嬌, 賈大功, 劉鐵根
【申請(qǐng)人】天津大學(xué)