用于定量测量液滴尺寸分布的颗粒/液滴图像分析方法的进展

《Optics and Lasers in Engineering》：Advances in the particle/droplet image analysis (PDIA) methodology for quantitative droplet size distribution measurement

　　•一种用于喷雾液滴尺寸分析的PDIA方法被开发出来。•一种新的直径比标准用于量化失焦液滴。•通过实验评估了焦深和尺寸测量误差。•MATLAB算法实现了近1%的尺寸测量精度。•对压力旋流式喷嘴的喷雾特性进行了实验分析。

引言
喷雾过程在众多工业应用中被视为极为重要的现象，包括化学工业[1]、农业[[2], [3], [4]]、制药业[5]、食品加工业[6]，以及推进和发电系统——尤其是在燃气轮机应用中[7,8]。燃气轮机喷雾系统的性能直接影响燃烧过程的质量。在表征喷雾机制、评估其质量以及优化其性能所需的关键参数中，雾化过程中产生的液滴尺寸分布起着重要作用。例如，在液体燃料燃烧系统中，液滴尺寸分布对燃料蒸发速率、燃烧效率以及污染物生成有着重要影响。此外，液滴直径分布还是设计雾化器时的重要依据。因此，准确测量喷雾液滴的大小及其分布对于燃烧系统的理论分析和实验研究都具有重要意义。

目前，有多种光学技术被用于测量喷雾液滴的直径。其中，相位多普勒测速法（PDA）是最常用的方法之一，最初由Durst和Zaré[9]提出。在他们的工作基础上，许多研究人员对该技术进行了改进和创新，使其应用范围更加广泛[[10], [11], [12]]。PDA技术基于光被颗粒散射的原理，具有高时间分辨率、能够同时测量液滴大小和速度以及无需校准等优点。然而，该方法也存在一些局限性，如难以测量非球形液滴、依赖于颗粒的透明度，以及成本较高和系统较为复杂[13]。

另一种广泛使用的液滴尺寸测量技术是激光衍射分析法（LDA），最初由Swithenbank[14]提出。该方法基于光被颗粒衍射的原理，在工业过程中得到了广泛应用。多年来，许多研究人员为该技术在各个领域的应用和发展做出了贡献[[15], [16], [17]]。LDA技术的优点是不需要校准，但其仅能测量球形颗粒的直径[14,18]。该方法利用单束激光照射液滴所产生的衍射光，并沿光束视线方向测量平均值。激光衍射技术的局限性在于缺乏空间分辨率且对光束衰减敏感。另一种技术是干涉式米氏成像法（IMI）。与前述技术类似，IMI在准确测量非球形液滴方面也存在局限。此外，当喷雾中液滴尺寸的标准差较大时，该方法的测量误差也会相对较大[19]。

另一种用于液滴特征分析的方法是直接成像，通常称为颗粒/液滴图像分析法（PDIA）。通过硬件和软件的不断改进，许多研究人员推动了这一技术的发展，它已被广泛应用于各种喷雾特性研究之中[[20], [21], [22], [23], [24], [25], [26], [27]]。与上述三种基于激光的方法不同，PDIA可以直接从捕获的图像中提取液滴的形状和结构信息。它不依赖于液滴的物理性质，如透明度或折射率，因此也不局限于球形颗粒[19]。这一特点使得PDIA在研究高温条件下的喷雾时尤为有效[28]。该方法基于影图技术，通常比其他基于激光的方法更简单易实现。使用LED光源而非激光也使其更具成本效益[21]。此外，高速数字成像技术的最新进展进一步提升了人们对PDIA在研究两相流，尤其是喷雾系统方面的兴趣[29]。

PDIA技术面临的一个主要挑战是开发出可靠的图像处理算法，以便从捕获的图像中准确识别液滴并提取其尺寸。不过，该方法的主要局限性在于喷雾液滴在成像系统的焦深范围内的随机位置。位于焦平面之外的液滴在记录的图像中会显得模糊，如果不考虑它们与焦平面的距离，就会降低尺寸测量的准确性。为了解决这个问题，文献中提出了两种通用方法。在第一种方法中，只选择恰好位于焦平面内的液滴进行分析，而排除失焦液滴。通常通过定义适当的标准来区分焦点内的液滴来实现这一选择。例如，Lee和Kim[25]提出了两种这样的标准——液滴对比度以及液滴边缘像素强度的梯度——并证明对于小于30微米的液滴，对比度标准更为适用，而对于较大的液滴，梯度标准则能提供更高的准确性。同样，Minov等人[26]也运用PDIA方法来识别和测量农业喷嘴中的喷雾液滴直径，他们提出以液滴边缘相对于背景的灰度梯度指数作为适用于不同尺寸液滴的有效焦点标准。其他研究人员还基于对比度水平、灰度梯度或两者的组合提出了多种焦点检测标准，并研究了影响其性能的因素。

在第二种方法中，利用校准数据采用失焦误差校正技术来估算焦点内和焦点外液滴的尺寸。这种方法有效地增加了测量深度，使得每张图像中可以分析更多的液滴。在过去的二十年里，许多研究利用光学原理和先进的图像处理算法提出了补偿失焦液滴误差的技术[24,30,31]。

基于点扩散函数（PSF），Blaisot和Yon[7]开发了一个数学模型，用两个描述模糊程度的关键参数——图像对比度和半宽度——来描述失焦条件下的液滴图像。基于该模型，他们提出了一种与液滴尺寸无关的焦深定义标准，并用它来估算失焦液滴的直径。然而，他们的基于对比度的方法的灵敏度会随着液滴直径的增大而降低，从而导致测量误差增加。随后，他们将所提出的方法应用于柴油喷雾的研究中。Zhou等人[27]进一步发展了这一概念，他们开发了一种具有不同焦距设置的双摄像头系统，可以同时捕捉喷雾的图像。这种方法能够无论液滴与焦平面的距离如何，都能估算出液滴的直径及其相对于焦平面的位置。

尽管在这一领域已经有了大量的研究，但目前用于分析PDIA图像以确定喷雾液滴尺寸分布的方法和算法——尤其是那些能够处理失焦液滴的方法——仍在不断完善，其准确性也在不断提高。此外，现有的大多数焦点检测方法都是基于图像对比度或强度梯度信息。正如Lee和Kim[25]所指出的，要在较宽的液滴尺寸范围内保持高测量精度和灵敏度，可能需要为小液滴和大液滴采用不同的焦点标准（基于对比度的方法对于大液滴的灵敏度和精度会下降，而基于梯度的方法对于小液滴也有类似的缺陷），这就增加了图像处理过程的复杂性。因此，开发一种简单、稳健且具有良好灵敏度和精度、能够在较宽的液滴尺寸范围内一致应用的焦点标准仍然是一个重要的挑战。

为了解决这一局限性，本研究提出了一种新的几何直径比标准，用于表征和测量失焦液滴。与以往报道的基于对比度和梯度的方法不同，所提出的方法采用单一的焦点标准，该标准已在较宽的液滴尺寸范围（30–889微米）内进行了校准和验证，从而无需针对研究范围内的不同液滴尺寸切换不同的焦点标准。此外，所提出的标准建立了直径比、相应的测量误差以及焦深之间的直接关系，用户可以通过简单的校准程序选择可接受的测量误差范围。由于该方法仅依赖于液滴图像的几何测量，因此易于理解、计算效率高，且可以轻松集成到自动化的PDIA图像处理算法中。

随后，人们在MATLAB中开发了一种专门的软件算法，用于处理原始图像、识别液滴，并应用所提出的校正方法来获得液滴尺寸分布。然后，通过将该模型应用于已知直径分布的微粒，来评估其准确性。最后，该方法被用来测量和评估在不同工作条件下典型工业燃气轮机喷嘴产生的喷雾液滴尺寸分布。

章节节选
PDIA技术的原理
影图技术是一种历史悠久的技术，最初用于检测或记录流线，并在流体动力学中进行定性研究。随着时间的推移，随着成像设备的不断进步，这项技术又被重新用于流体动力学的定量分析。在这种方法中，光线从物体背后照射；如果光源和成像相机之间有障碍物，其阴影就会投射到传感器上。因此，影图图像具有……

校准过程
实施PDIA方法的关键步骤包括对系统进行校准，以定量表征颗粒/液滴的直径，分析失焦效应，以及选择合适的焦深标准。为此，校准过程包括两个步骤。首先，对处于不同距离焦平面处的已知尺寸液滴进行成像。其次，应用图像处理算法来建立估算液滴尺寸的流程。

喷雾液滴测量
前一节详细介绍了PDIA校准、失焦分析、直径比标准的引入以及等效直径的计算。本节则概述了将该方法应用于工业喷嘴的情况，并介绍了用于在不同工作条件下提取液滴尺寸分布的软件算法。

结果与讨论
运用前一节中的方法，可以对喷雾实验的原始PDIA数据进行分析，从而确定液滴尺寸分布。本节首先讨论了喷嘴测试的结果，然后评估了该方法对其关键参数的敏感性。

结论
在本研究中，颗粒/液滴图像分析（PDIA）技术作为一种广泛用于喷雾液滴直径测量的重要光学方法，以及其在提升燃烧室实验室识别工具方面的应用，得到了探讨。本文详细介绍了PDIA方法的基本原理，指出表征失焦液滴是其面临的主要挑战。为了解决这一问题，研究使用了目标物进行了实验校准。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

Mohammad Javad Akbari