本发明属于散射光测量，特别是scheimpflug成像的粉尘浓度测量系统及方法。
背景技术：
1、工业生产过程中产生的大量粉尘，不仅严重危害作业人员的身体健康，引发呼吸系统、心脑血管疾病等，同时，大量粉尘排向大气还会污染环境，严重影响了环境。此外，许多粉尘在一定的条件下还具有燃烧性和爆炸性，造成人员伤亡和财产损失。
2、现有技术中，粉尘测量方法主要分为滤膜称重、振荡天平法、β射线法等离线测量方法，以及静电感应法、光透射法、光散射法、声学法等在线测量方法。现有技术的粉尘测量方法仅能获取某一点位的浓度或是测量区域内的平均浓度，而无法获取粉尘的浓度空间分布。
3、scheimpflug原理描述了一种倾斜成像方式：当物面、像面及镜头平面相交于一条直线时(沙氏交线)，可以对物面清晰成像。scheimpflug原理在成像领域内有广泛的应用。在粒子图像测速领域，使用具有一定厚度的激光片对待测区域的示踪粒子进行照明，左右两台相机记录一个共同区域，且相机布局满足scheimpflug条件，可以对激光片厚度内的流场速度进行测量。此方法要求使用脉冲激光器，且要求整形后的激光片具有一定厚度。在位移传感领域，激光发射模块发射平面激光，激光打在待测物体上形成激光线，相机和镜头以scheimpflug条件倾斜放置，最终使激光线成像在相机图像传感器上，实现待测目标的位置测量。此方法用于物体测量，使用的激光功率较小，仅能获取激光传输终点上的物体散射，而无法得到路径上的粒子散射信息。上述粒子图像测速方法和位移传感方法虽然都采用平面激光对待测目标进行照明，但所针对的目标对象并非空气中的粉尘，因此仪器的设计参数要求也不同。
4、在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
技术实现思路
1、为了解决上述技术测量区域小、浓度动态范围小问题，本发明提供了scheimpflug成像的粉尘浓度测量系统及方法，实现高效、准确获取粉尘的浓度空间分布，且具有测量区域大和浓度范围大的优势。
2、本发明采用如下技术方案：
3、scheimpflug成像的粉尘浓度测量系统包括，
4、激光器，其朝粉尘发射激光束；
5、整形模块，其放置于激光器与粉尘之间以将所述激光束整形为连续波片状平面激光，连续波片状平面激光激发所述粉尘产生散射光；
6、滤光片，其朝向所述粉尘以抑制粉尘散射光波段以外的其他杂散光；
7、光学镜头，其放置于所述滤光片远离粉尘的一侧以将粉尘散射光汇聚成像；
8、可变衰减片，其放置于所述光学镜头远离滤光片的一侧以缩小不同探测距离的粉尘散射光的强度差异；
9、图像采集模块，其放置于所述可变衰减片远离光学镜头的一侧以将光电转换光学镜头汇聚的粉尘散射光信号并将模拟电信号转化为数字信号，其中，连续波片状平面激光的激光平面、光学镜头的镜头平面与图像采集模块的相机图像传感器平面相交于沙氏交线以构成scheimpflug成像，
10、处理器，其连接所述激光器和图像采集模块，控制激光器和图像采集模块的开闭和参数设置，处理器基于图像采集模块获得的数字信号生成粉尘浓度分布。
11、所述的scheimpflug成像的粉尘浓度测量系统中，探测距离与图像采集模块的相机图像传感器上像元位置满足如下关系：
12、
13、式中z为探测距离，光学镜头中心到激光平面作垂线的交点为探测距离起始点，探测距离沿着与沙氏交线垂直的方向计算，lil为相机图像传感器中心到光学镜头的镜头平面的距离；为光学镜头所在镜头平面与垂直于激光平面的夹角；θ为相机图像传感器所在平面与镜头平面的夹角；l为代表光学镜头与激光平面的距离；pi为每个像元与中心像元沿垂直于沙氏交线方向的距离，不同探测距离的粉尘散射光信号以scheimpflug成像方式在相机图像传感器不同像元上成像。
14、所述的scheimpflug成像的粉尘浓度测量系统中，整形模块包括柱面透镜与球面透镜以将激光束整形为具有指定夹角的激光薄片，所述指定夹角适配于图像采集模块的探测区域。
15、所述的scheimpflug成像的粉尘浓度测量系统中，所述可变衰减片为光密度线性可变衰减片，包括反射膜与增透膜的以使粉尘散射光的光密度沿着矩形的边线性变化，使粉尘散射光强度衰减程度的变化方向与沙氏交线垂直，使不同探测距离的粉尘散射光按照不同的比例产生衰减。
16、所述的scheimpflug成像的粉尘浓度测量系统中，图像采集模块的相机图像传感器为矩形，其在激光平面上对应的成像区域为梯形，在平行于沙氏交线方向，相机图像传感器的靶面决定成像梯形的底边宽度；在垂直于沙氏交线方向，相机图像传感器的靶面决定了成像梯形的高度。
17、scheimpflug成像的粉尘浓度测量系统的测量方法包括以下步骤，
18、激光器朝粉尘发射激光束，所述激光束经由整形模块整形为连续波片状平面激光，连续波片状平面激光经由所述粉尘产生散射光；
19、滤光片对粉尘散射光进行滤光，光学镜头将粉尘散射光汇聚成像，连续波片状平面激光的激光平面、光学镜头的镜头平面与图像采集模块的相机图像传感器平面相交于沙氏交线以构成scheimpflug成像；
20、可变衰减片放置于所述光学镜头远离滤光片的一侧以缩小不同探测距离的粉尘散射光的强度差异；
21、坐标转换，依据scheimpflug成像关系得到物空间与图像空间的对应关系，将图像坐标转换为空间位置坐标；
22、强度校正，根据片状激光的能量传播特点进行激光功率差异的校正，根据中性密度渐变滤光片对不同距离处信号的衰减程度，校正光强衰减差异，根据粒子光散射特性，校正散射相函数的影响。
23、浓度反演，将scheimpflug成像的散射光图像分解为多个径向光束路径，对每条光束路径进行消光系数廓线的反演，再将反演结果拼接为二维消光系数强度，结合粉尘的种类和粒径分布，经由消光系数求得粉尘粒子浓度分布。
24、所述测量方法中，强度校正中，根据中性密度渐变滤光片对不同距离处信号的衰减程度，校正光强衰减差异，并结合粉尘的种类和粒径分布校正粉尘散射光的散射相函数。
25、所述测量方法中，浓度反演中，将scheimpflug成像的散射光图像分解为多个光线传播径向廓线，对每条光线传播径向廓线进行消光系数廓线的反演，再将反演结果拼接为二维图像，结合粉尘的种类和粒径分布，经由消光系数求得粉尘粒子浓度分布。
26、和现有技术相比，本发明具有以下优点：
27、(1)scheimpflug成像的粉尘浓度测量系统使用光学方法，属于非接触式探测，不会影响内部的粉尘分布情况，本发明能够获取粉尘浓度二维分布截面，将点位监测拓展为平面监测，探测范围大。
28、(2)现有的光学成像测量方法的像面、物面和镜头平面相互平行，发射端与接收端分置，本发明使用scheimpflug成像方式，发射端与接收端距离近，仪器一体化程度高，
29、(3)基于scheimpflug成像方式弥补了片状激光能量随距离的衰减，并加入线性可变衰减片，可以降低对探测器的动态范围要求，可探测浓度限具有较大的范围。
1.一种scheimpflug成像的粉尘浓度测量系统，其特征在于，其包括，
2.根据权利要求1所述的scheimpflug成像的粉尘浓度测量系统，其特征在于，优选的，探测距离与图像采集模块的相机图像传感器像元位置满足如下关系：
3.根据权利要求1所述的scheimpflug成像的粉尘浓度测量系统，其特征在于，整形模块包括柱面透镜与球面透镜以将激光束整形为具有指定夹角的激光薄片，所述指定夹角适配于图像采集模块的探测区域。
4.根据权利要求1所述的scheimpflug成像的粉尘浓度测量系统，其特征在于，所述可变衰减片包括反射膜与增透膜的组合以使粉尘散射光的光密度沿着矩形的边线性变化，粉尘散射光的光密度的变化方向与沙氏交线垂直，使不同探测距离的粉尘散射光按照不同的比例产生衰减。
5.根据权利要求1所述的scheimpflug成像的粉尘浓度测量系统，其特征在于，图像采集模块的相机图像传感器为矩形，其在激光平面上对应的成像区域为梯形，在平行于沙氏交线方向，相机图像传感器的靶面决定成像梯形的底边宽度；在垂直于沙氏交线方向，相机图像传感器的靶面决定了成像梯形的高度。
6.根据权利要求1所述的scheimpflug成像的粉尘浓度测量系统，其特征在于，可变衰减片为光密度线性可变衰减片。
7.根据权利要求1-6中任一项所述测量方法，其特征在于，强度校正中，根据中性密度渐变滤光片对不同距离处信号的衰减程度，校正光强衰减差异，并结合粉尘的种类和粒径分布校正粉尘散射光的散射相函数。
8.根据权利要求1-6中任一项所述测量方法，其特征在于，浓度反演中，将scheimpflug成像的散射光图像分解为多个光线传播径向廓线，对每条光线传播径向廓线进行消光系数廓线的反演，再将反演结果拼接为二维图像，结合粉尘的种类和粒径分布，经由消光系数求得粉尘粒子浓度分布。
