基于均值濾波的混合場粒徑測量方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于均值濾波的混合場粒徑測量方法，本發明以均值濾波和3σ準則為基礎，通過不同模板系數下的粒徑計算，得到粒徑均值作為最終粒徑計算結果，同時對多次計算的結果進行判斷，剔除粗大誤差，提高測量精度。其效果是為復雜粒子場的測量提供依據，同時得到干涉條紋圖均值濾波模板的選取原則，為光學系統中不同尺寸粒子的測量提供實驗基礎。
【專利說明】
基于均值濾波的混合場粒徑測量方法
技術領域
[0001] 本發明提出一種干涉粒子成像系統中混合場粒徑測量方法，特別涉及粒徑測量精 度的提高。
【背景技術】
[0002] 粒子尺寸測量在工業、云微物理檢測和工程測量上具有重要意義。干涉粒子成像 測量技術廣泛應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 等優點，其研究技術較為成熟，研究對象多為尺寸相同的球形粒子。大氣中的懸浮粒子、雨 滴以及人體細胞等實際粒子場中，粒子尺寸并不相同，因此，研究適用于混合粒子場的干涉 成像處理算法，對提高粒子尺寸的測量精度具有重要意義。
[0003] 干涉粒子成像技術廣泛應用于粒子尺寸的測量，研究對象多為單一粒徑粒子場， 為提高干涉條紋圖質量，專利CN203705307U提出一種雙光束照射的粒子測量裝置，使干涉 發生在同階散射光之間，進而提高干涉條紋的對比度，達到提高測量精度的目的。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比度增強 的方法，其關鍵在于平滑濾波，采用小尺度的均值濾波處理實現像素對比度的增強。粗大誤 差是結果明顯偏離實際值時的誤差，干涉粒子成像測量中難以避免，專利CN105403245A在 提出的日光溫室無線傳感器多數據融合方法中，采用格拉布斯判定準則剔除粗大誤差，使 得數據精度提高8 %。
[0004]目前還沒有提出適用于混合粒子場的粒徑測量方法。本發明將均值濾波與3〇準則 相結合，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 驗驗證得到濾波模板的基本選取原則，得到混合粒子場與單一粒子場均適用的粒徑計算方 法。
【發明內容】
[0005] 本發明目的是提出一種基于均值濾波的混合場粒徑測量方法，粒子尺寸與干涉成 像系統匹配度較低時干涉條紋圖質量較差，利用這一方法可以減小圖像質量差帶來的影 響，從而提高干涉成像測量算法的測量精度和適用性，獲取不同粒徑粒子的尺寸信息，為實 際粒子場的測量提供技術支持。
[0006] 本發明以均值濾波和3〇準則為基礎，通過不同模板系數下的粒徑計算，得到粒徑 均值作為最終粒徑計算結果，同時對多次計算的結果進行判斷，剔除粗大誤差，提高測量精 度。
[0007] 本發明提出的基于均值濾波的混合場粒徑測量方法步驟如下：
[0008] 第1、粒子坐標定位與條紋圓獲取，利用干涉粒子成像系統，獲取干涉條紋圖，將干 涉條紋圖與粒子掩模圖像進行相關運算并取峰值，得到并存儲條紋圓坐標，根據定位結果， 獲取粒子干涉條紋圓；
[0009]第2、設定模板系數，設定均值濾波模板系數初值為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為2;
[0010] 第3、圖像處理，對干涉條紋圖進行均值濾波與邊緣提取，該步驟目的在于濾除噪 聲改善圖像質量，獲取更清晰的干涉條紋；
[0011] 第4、條紋頻率獲取與粒徑計算，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，根據粒徑計算公式，計算粒子直徑；
[0012] 第5、獲得不同模板系數下的計算結果，重復第3步和第4步，每重復一次，模板系數 加1，直至模板系數為12,實現模板系數從2到12的粒徑計算，存儲不同模板系數下的每個粒 子的粒徑計算結果；
[0013] 第6、計算粒徑均值，將第5步得到的粒徑計算結果分別取平均，得到不同粒徑粒子 的計算均值，存儲各均值；
[0014] 第7、粗大誤差剔除，根據3〇準則，以不同模板系數下的粒徑計算結果作為該準則 中的每一項，判斷粒徑計算結果是否存在粗大誤差，若存在粗大誤差，則該粒子的粒徑計算 結果被清除，該粒子為不可處理干涉條紋圓，否則，以第6步計算得到的粒徑均值作為最終 結果輸出。
[0015] 進一步的，第4步中粒徑計算公式為：
[0017] 其中Ν為條紋數，w和Θ分別為收集角和散射角，λ為激光波長，ηι為周圍介質折射 率。
[0018] 進一步的，所述的干涉條紋圖每行數據相近，提取第i行數據yi(h)，h為每一個像 素點數，得到模板大小為(2H+1)X(2H+1)的S域傳遞函數G(s)為
[0020] 得到不同模板系數的幅頻特性曲線。
[0021] 本發明提出的基于均值濾波的混合場粒徑測量方法中，干涉條紋圖均值濾波模板 的選取原則:干涉成像系統中參數的確定與待測粒子尺寸有關，參數確定后對某一粒徑粒 子的測量效果最佳，對粒徑偏離該尺寸的粒子，干涉條紋圖質量下降。粒子尺寸與干涉成像 系統越匹配，干涉條紋成像質量越好，其對濾波模板的敏感度越低，因此，模板系數選取相 對隨意，模板系數對測量精度影響較小。粒子尺寸越偏離干涉成像系統，其圖像質量越差， 對濾波模板越敏感，因此濾波模板不應過大或過小而應取中間值。
[0022]本發明的有益效果是：
[0023] (1)本發明提出一種基于均值濾波的混合場粒徑測量方法，為復雜粒子場的測量 提供依據。
[0024] (2)本發明得到干涉條紋圖均值濾波模板的選取原則，為光學系統中不同尺寸粒 子的測量提供實驗基礎。
【附圖說明】
[0025] 圖1是本發明的基本流程圖。
[0026] 圖2是均值濾波不同模板系數的幅頻特性曲線。
[0027] 圖3是模擬模板系數對不同質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是模板系數對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是不同粒子場的粒子定位結果。其中：（a)是21.3um粒子場；（b)是45um粒子場； (c)是57.9um粒子場；（d)是包含以上三種粒徑的混合粒子場。
[0030]圖6是粗大誤差判斷結果。其中：被判斷為粗大誤差的干涉條紋圓用方框標出。
[0031 ]圖7是粒徑計算結果的相對誤差擬合圖。
【具體實施方式】
[0032] 參見附圖1，本發明提出的基于均值濾波的混合場粒徑測量方法步驟如下：
[0033] 第1、粒子坐標定位與條紋圓獲取，利用干涉粒子成像系統，獲取干涉條紋圖，將干 涉條紋圖與粒子掩模圖像進行相關運算并取峰值，得到并存儲條紋圓坐標，根據定位結果， 獲取粒子干涉條紋圓。
[0034]第2、設定模板系數，設定均值濾波模板系數初值為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為2。
[0035]第3、圖像處理，對干涉條紋圖進行均值濾波與邊緣提取，該步驟目的在于濾除噪 聲改善圖像質量，獲取更清晰的干涉條紋。
[0036]第4、條紋頻率獲取與粒徑計算，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，根據粒徑計算公式，計算粒子直徑。
[0037] 第5、獲得不同模板系數下的計算結果，重復第3步和第4步，每重復一次，模板系數 加1，直至模板系數為12,實現模板系數從2到12的粒徑計算，存儲不同模板系數下的每個粒 子的粒徑計算結果。
[0038] 第6、計算粒徑均值，將第5步得到的粒徑計算結果分別取平均，得到不同粒徑粒子 的計算均值，存儲各均值。
[0039] 第7、粗大誤差剔除，根據3〇準則，以不同模板系數下的粒徑計算結果作為該準則 中的每一項，判斷粒徑計算結果是否存在粗大誤差，若存在粗大誤差，則該粒子的粒徑計算 結果被清除，該粒子為不可處理干涉條紋圓，否則，以第6步計算得到的粒徑均值作為最終 結果輸出。
[0040] 實施例1:干涉粒子成像系統
[0041] 本發明采用的干涉粒子成像系統中，激光器出射光波長為532nm，最大輸出功率為 4W。激光束經過擴束、空間濾波、準直后經柱透鏡被壓縮為1mm片狀激光束。采用尼康AF 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 元數為2448*2048的CCD。系統散射角為60°，系統放大倍率為Μ = 0.159，物距Zi = 364.37mm， 像距Zi = 57.95mm，收集角w = 5.612°。待測粒子為聚苯乙稀球形粒子，尺寸分別為21.3um， 45um和57.9um，觀測過程中粒子置于去離子水中。
[0042]本發明的干涉條紋圖每行數據相近，提取第i行數據yi(h)，h為每一個像素點數， 得到模板大小為(2H+1)X(2H+1)的S域傳遞函數G(s)為
[0044] 從而得到圖2所示不同模板系數的幅頻特性曲線。
[0045] 圖3和圖4為均值濾波模板系數對不同質量干涉條紋圖的影響，圖3為模擬結果，圖 4為對實際干涉條紋圖處理結果，在同一光學系統下不同粒徑的干涉條紋圖質量不同，隨著 模板系數的增大，濾波器的帶寬變小，圖像質量不好時，頻率較分散，因此在不同濾波器模 板系數的影響下，頻譜變動很大。
[0046]根據干涉條紋圖均值濾波模板選取原則，本發明中，45um和57.9um粒子干涉條紋 圖質量較好，對模板系數的選取不敏感，21.3um粒子對模板系數較為敏感，因此應取中間 值，根據實驗驗證21.3um粒子場、45um粒子場、57.9um粒子場的模板系數分別為TC = 8，TC = 12 和 TC = 2。
[0047]實施例2:粒徑提取與誤差剔除 [0048]粒徑計算公式為
[0050] 其中N為條紋數，w和Θ分別為收集角和散射角，λ為激光波長，ηι為周圍介質折射 率。
[0051] 圖5給出了該方法對不同粒徑粒子場和混合粒子場的干涉條紋圖定位結果，該發 明具有粗大誤差剔除功能，判斷為粗大誤差的條紋圓標于圖6,將單一粒子場粒徑計算方法 與該發明提出的方法比較，分別處理圖5所示的四種粒子場干涉條紋圖，得到粒徑計算結果 相對誤差擬合圖如圖7所示，其中RE代表相對誤差，參數D對應該發明提出的方法，圖6所示 的粗大誤差與圖7中兩個較大的相對誤差值相對應。
[0052] 對比該發明的處理方法與適用于單一粒子場的處理方法，得到粒徑計算結果相對 誤差平均值并列于表1，該表充分說明了該算法對粒子場粒徑計算精度和適用性的提高。
[0053]表 1
[0055]需要說明的是，上述對實施例的描述是為便于該技術領域的普通技術人員能理解 和應用本發明，因此，本發明不限于這里的實施例，本領域技術人員根據本發明的揭示，對 于本發明做出的改進和修飾都應該在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 基于均值濾波的混合場粒徑測量方法，其特征在于步驟如下： 第1、粒子坐標定位與條紋圓獲取，利用干涉粒子成像系統，獲取干涉條紋圖，將干涉條 紋圖與粒子掩模圖像進行相關運算并取峰值，得到并存儲條紋圓坐標，根據定位結果，獲取 粒子干涉條紋圓； 第2、設定模板系數，設定均值濾波模板系數初值為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為2; 第3、圖像處理，對干涉條紋圖進行均值濾波與邊緣提取，該步驟目的在于濾除噪聲改 善圖像質量，獲取更清晰的干涉條紋； 第4、條紋頻率獲取與粒徑計算，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，根據粒徑計算公式，計算粒子直徑； 第5、獲得不同模板系數下的計算結果，重復第3步和第4步，每重復一次，模板系數加1， 直至模板系數為12,實現模板系數從2到12的粒徑計算，存儲不同模板系數下的每個粒子的 粒徑計算結果； 第6、計算粒徑均值，將第5步得到的粒徑計算結果分別取平均，得到不同粒徑粒子的計 算均值，存儲各均值； 第7、粗大誤差剔除，根據3〇準則，以不同模板系數下的粒徑計算結果作為該準則中的 每一項，判斷粒徑計算結果是否存在粗大誤差，若存在粗大誤差，則該粒子的粒徑計算結果 被清除，該粒子為不可處理干涉條紋圓，否則，以第6步計算得到的粒徑均值作為最終結果 輸出。2. 根據權利要求1所述的基于均值濾波的混合場粒徑測量方法，其特征在于:第4步中， 粒徑計算公式為：其中N為條紋數，w和Θ分別為收集角和散射角，λ為激光波長，m為周圍介質折射率。3. 根據權利要求1所述的基于均值濾波的混合場粒徑測量方法，其特征在于:所述的干 涉條紋圖每行數據相近，提取第i行數據yi(h)，h為每一個像素點數，得到模板大小為(2H+ 1)X(2H+1)的S域傳遞函數G(S)為得到不同模板系數的幅頻特性曲線。
【文檔編號】G01N15/02GK106018201SQ201610355857
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月26日
【發明人】張紅霞, 孫金露, 李嬌, 賈大功, 劉鐵根
【申請人】天津大學