基于双色窄脉冲LED照明的粒子场全息成像装置及图像处理方法

本发明涉及气象分析，主要用于大气中气溶胶、雾滴和云滴等粒子的现场测量，特别是涉及基于双色窄脉冲led照明的粒子场全息成像装置及图像处理方法。

背景技术：

1、数字全息是一种基于光学干涉理论的非接触式测量技术，具有快速实时、非侵入和全场测量等诸多优点，在大气气溶胶、云雾粒子等粒子场现场测量中有着广泛的应用。现有的测量装置主要用于粒子数量、粒子大小和空间位置等参数的测量，无法获得粒子的速度和相态信息。此外，在现有的数字全息装置中，通常采用相关光源(激光)记录，其良好的相干性使得测量光路非常简便。然而，完全相干光对光路中任何细小的缺陷都会产生非常敏感的反应，而且强相干性也会导致散斑噪声和由于在元件中多次反射形成的高频条纹噪声，这些噪声影响会对全息图的质量产生极其不利的影响。另外，激光器的成本较高、体积较大、操作也较为复杂。

2、近年来，部分相干光全息技术逐步得到了重视。研究表明，将led光源引入数字全息，可以较大程度上消除使用激光光源的散斑噪声和由光学元件引入的寄生干涉噪声，物光场的重现质量，包括振幅和相位都得到很大提高。另一方面，相比于单波长数字全息，双波长数字全息使用两个波长的光束产生两个不同波长下的两幅数字全息图，然后分别通过数值再现算法，获得其对应波长的包裹相位图，并求得两者的包裹相位差，最后得到等效波长的相位分布。这种相位信息可以还原出物体的三维形貌，有助于对物体进行识别与分类。相比于单波长全息图相位重建，多波长重建得到的相位可以保留物体更多的细节特征，因此在粒子相态识别方面具有潜在应用。随着彩色ccd、cmos性能的提升和发展，色串扰问题也被证明对全息测量系统的精度影响不大，使得从单张彩色全息图中提取多个波长干涉图信息成为可能。然而，传统双波长数字全息显微术，通常需要两台不同波长的激光器，这种方式极易受到光源稳定性不佳、外界环境振动、气流扰动等因素的影响而产生噪声，从而影响相位恢复的精度，并且还增加了光源的成本。

3、由此可见，目前主要利用数字全息技术获得粒子的大小、形状和位置等常规信息，该技术潜在的粒子速度和粒子相态测量能力还没有得到很好的发挥，远不能满足相关领域的测量需求，因此，亟需基于双色窄脉冲led照明的粒子场全息成像装置及图像处理方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供基于双色窄脉冲led照明的粒子场全息成像装置及图像处理方法，能够获取彩色全息图像，进而实现粒子的空间位置、粒径大小、运动速度等参数的同步测量，得到粒子的相态信息。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、基于双色窄脉冲led照明的粒子场全息成像装置，包括：双色窄脉冲led照明光源、准直扩束透镜、远心放大镜头、彩色cmos相机和同步控制器，其中，所述双色窄脉冲led照明光源按照预设时间间隔发射窄脉冲光束，所述窄脉冲光束经过所述准直扩束透镜后转换为平行光束，所述平行光束照射采样区，形成干涉图样，所述干涉图样经过所述远心放大镜头后，被所述彩色cmos相机记录；

4、所述同步控制器将所述彩色cmos相机和所述双色窄脉冲led照明光源连接，用于控制所述彩色cmos相机和所述双色窄脉冲led照明光源的工作时序。

5、可选地，所述双色窄脉冲led照明光源为抛物面形结构，一侧接通光源供电线路和光源信号控制线路，另一侧使用挡板进行密封，所述挡板的中心位置设置有针孔，用于提高光源的相干性。

6、可选地，所述双色窄脉冲led照明光源的内部包括第一led芯片、第二led芯片、聚焦透镜，所述第一led芯片、第二led芯片用于发射不同波长的单色脉冲光，所述聚焦透镜用于将所述单色脉冲光聚焦在所述针孔的位置处。

7、为进一步实现上述目的，本发明还提供了一种图像处理方法，通过上述基于双色窄脉冲led照明的粒子场全息成像装置获取图像后进行处理，包括：

8、将成像装置放置于云雾粒子场中；

9、当有粒子通过采样区时，利用同步控制器向彩色cmos相机和双色窄脉冲led照明光源发送触发信号，所述彩色cmos相机启动拍摄，第一led芯片、第二led芯片按照预设时间间隔依次发射不同波长的单色脉冲光；

10、所述单色脉冲光依次经过针孔、准直扩束透镜，形成平行光束照亮所述采样区中的粒子，所述彩色cmos相机在单帧时间内经过两次曝光对所述粒子进行记录，获取彩色全息图像；

11、对所述彩色全息图像进行分离、重构，获取重建后的全息图像；

12、基于重建后的所述全息图像获取所述粒子的运动信息和相态信息，完成对所述彩色全息图像的处理。

13、可选地，对所述彩色全息图像进行分离、重构，获取重建后的全息图像包括：

14、采用三基色分离数字图像处理技术，从所述彩色全息图像中分离得到两种波长对应的粒子干涉图像；

15、利用角谱法对所述粒子干涉图像进行重构，获取重建后的所述全息图像。

16、可选地，基于重建后的所述全息图像获取所述粒子的运动信息包括：

17、从重建后的所述全息图像中获取所述粒子的数量、大小、形状和空间位置信息；

18、基于所述粒子的大小匹配相同粒子，匹配完成后基于所述粒子的空间位置获取所述粒子在曝光时间间隔内的空间位移，并通过所述曝光时间和空间位移计算所述粒子的运动速度。

19、可选地，基于重建后的所述全息图像获取所述粒子的相态信息包括：

20、利用相位解包裹方法从重建后的所述全息图像中获取两种波长对应的粒子相位分布，将所述相位分布进行合成，获取等效波长的物光波相位；

21、基于所述物光波相位获取所述粒子的面型分布，综合所述相位分布和面型分布获取所述粒子的相态。

22、可选地，将所述相位分布进行合成，获取等效波长的物光波相位的方法为：

23、

24、式中，为物光波相位，λ1和分别为第一led芯片发射光束对应波长和相机记录的物光相位，λ2和分别为第二led芯片发射光束对应波长和相机记录的物光相位。

25、可选地，基于所述物光波相位获取所述粒子的面型分布的方法为：

26、

27、式中，φ为粒子的面型分布，γ为等效波长，γ＝λ1λ2/|λ1-λ2|，n1为粒子的折射率分布，n0为空气介质的折射率分布。

28、本发明的有益效果为：

29、本发明利用双色窄脉冲led照明光源配合相机时序控制实现运动粒子的单帧双爆光或单帧多曝光全息成像，能够通过成像实现粒子的空间位置、粒径大小、运动速度等参数的同步测量；利用双色全息图重构得到粒子的相位分布和面型分布，并根据粒子的相位分布和面型分布差异来得到粒子的相态信息；不仅克服了现有以激光作为照明光源全息测量的不足，以led作为光源，硬件成本较低、控制精度高、实用性较强，便于推广应用。

技术特征：

1.基于双色窄脉冲led照明的粒子场全息成像装置，其特征在于，包括：双色窄脉冲led照明光源(1)、准直扩束透镜(2)、远心放大镜头(4)、彩色cmos相机(5)和同步控制器(6)，其中，所述双色窄脉冲led照明光源(1)按照预设时间间隔发射窄脉冲光束，所述窄脉冲光束经过所述准直扩束透镜(2)后转换为平行光束，所述平行光束照射采样区(3)，形成干涉图样，所述干涉图样经过所述远心放大镜头(4)后，被所述彩色cmos相机(5)记录；

2.根据权利要求1所述的基于双色窄脉冲led照明的粒子场全息成像装置，其特征在于，所述双色窄脉冲led照明光源(1)为抛物面形结构，一侧接通光源供电线路(11)和光源信号控制线路(12)，另一侧使用挡板进行密封，所述挡板的中心位置设置有针孔(9)，用于提高光源的相干性。

3.根据权利要求2所述的基于双色窄脉冲led照明的粒子场全息成像装置，其特征在于，所述双色窄脉冲led照明光源(1)的内部包括第一led芯片(7)、第二led芯片(8)、聚焦透镜(10)，所述第一led芯片(7)、第二led芯片(8)用于发射不同波长的单色脉冲光，所述聚焦透镜(10)用于将所述单色脉冲光聚焦在所述针孔(9)的位置处。

4.一种图像处理方法，基于如权利要求1-3任一项所述的基于双色窄脉冲led照明的粒子场全息成像装置获取图像后进行处理，其特征在于，包括：

5.根据权利要求4所述的图像处理方法，其特征在于，对所述彩色全息图像进行分离、重构，获取重建后的全息图像包括：

6.根据权利要求4所述的图像处理方法，其特征在于，基于重建后的所述全息图像获取所述粒子的运动信息包括：

7.根据权利要求4所述的图像处理方法，其特征在于，基于重建后的所述全息图像获取所述粒子的相态信息包括：

8.根据权利要求7所述的图像处理方法，其特征在于，将所述相位分布进行合成，获取等效波长的物光波相位的方法为：

9.根据权利要求8所述的图像处理方法，其特征在于，基于所述物光波相位获取所述粒子的面型分布的方法为：

技术总结本发明涉及基于双色窄脉冲LED照明的粒子场全息成像装置及图像处理方法，装置包括：双色窄脉冲LED照明光源、准直扩束透镜、远心放大镜头、彩色CMOS相机和同步控制器，其中，双色窄脉冲LED照明光源按照预设时间间隔发射窄脉冲光束，窄脉冲光束经过准直扩束透镜后转换为平行光束，平行光束照射采样区，形成干涉图样，干涉图样经过远心放大镜头后，被彩色CMOS相机记录；同步控制器将彩色CMOS相机和双色窄脉冲LED照明光源连接，用于控制彩色CMOS相机和双色窄脉冲LED照明光源的工作时序。本发明能够获取彩色全息图像，进而实现粒子的空间位置、粒径大小、运动速度等参数的同步测量，得到粒子的相态信息。技术研发人员：曾庆伟,杨姝颖,刘磊,刘西川,胡帅受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学技术研发日：技术公布日：2024/10/17