多指标融合的颗粒振动分离效能量化评价方法

本技术涉及振动分离，特别是涉及一种多指标融合的颗粒振动分离效能量化评价方法。

背景技术：

1、在深空探测与地外资源原位利用任务中，对月壤、火星土壤等的颗粒混合物进行有效的粒度分级与成分分离，是后续资源提取（如制氧、水冰提取）和工程建设（如3d打印、辐射屏蔽层构筑）的关键预处理步骤。振动分离技术因其结构简单、能耗可控、可靠性高、无运动部件磨损风险等优点，被视为最具工程可行性的空间颗粒操作方案之一。尽管振动分离技术应用前景广阔，但如何科学、客观地评价其分离效果，一直是制约该技术从理论研究走向工程应用的关键环节。

2、现有技术主要通过标准样品和待测样品的粒度分布数据，计算用于表征待评价分离方法效率的量化指标，并根据量化指标判定待评价分离工艺的分离效率。这种方式仅能够实现分离效率的评价，无法对颗粒混合物的分离效果进行全面综合地评价。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种多指标融合的颗粒振动分离效能量化评价方法。

2、一种多指标融合的颗粒振动分离效能量化评价方法，所述方法包括：

3、s1、在颗粒混合物的分离周期内，连续采集多个三维图像，并从所述三维图像中确定分离稳定期采集的目标图像：

4、s2、沿重力方向对所述目标图像进行切片处理，并基于各切片中的浓度表征值，得到浓度分布曲线；

5、s3、确定所述浓度分布曲线对应的梯度曲线中的极值的平均值，并基于所述极值的平均值与背景噪声梯度标准差之比，确定分层界面清晰度指数；基于所述浓度表征值中的最大值，确定所述三维图像的富集层；

6、s4、基于各所述三维图像的富集层中粒径与预设粒径参数匹配的颗粒的占比，与所述颗粒混合物中粒径与所述预设粒径参数匹配的颗粒的总占比，确定各所述三维图像的目标粒径富集度；

7、s5、判断各所述目标粒径富集度是否大于预设阈值，并根据大于预设阈值的目标粒径富集度对应的采集时刻，确定分层动力学时间常数；

8、s6、基于所述分层界面清晰度指数、所述目标图像的目标粒径富集度及所述分层动力学时间常数，评估所述颗粒混合物的分离效果。

9、本技术中，通过确定浓度分布曲线对应的梯度曲线中的极值的平均值，基于极值的平均值与背景噪声梯度标准差之比，确定分层界面清晰度指数，基于各三维图像的富集层中粒径与预设粒径参数匹配的颗粒的占比，与颗粒混合物中粒径与预设粒径参数匹配的颗粒的总占比，确定各三维图像的目标粒径富集度，根据大于预设阈值的目标粒径富集度对应的采集时刻，确定分层动力学时间常数，这样可以基于分层界面清晰度指数、目标图像的目标粒径富集度及分层动力学时间常数，对颗粒混合物的分离效果进行全面综合的评估，使得针对颗粒混合物的分离效果不仅仅停留在分离效率。

10、在其中一个实施例中，步骤s2包括：

11、沿重力方向对所述目标图像进行切片处理，得到所述目标图像的各切片；

12、根据各所述切片中每一像素的灰度值，分别计算各所述切片的灰度均值；

13、将各所述切片的所述灰度均值，确定为各所述切片中的浓度表征值；

14、基于各所述浓度表征值，得到浓度分布曲线。

15、本技术中，通过沿重力方向对目标图像进行切片处理，得到目标图像的各切片，根据各切片中每一像素的灰度值，分别计算各切片的灰度均值，将各切片的灰度均值，确定为各切片中的浓度表征值，基于各浓度表征值，得到浓度分布曲线，这样可以根据浓度分布曲线，确定分层界面清晰度指数，以基于分层界面清晰度指数表征不同粒径的颗粒之间的分界明确程度。

16、在其中一个实施例中，步骤s3中所述富集层的确定过程包括：

17、确定所述浓度表征值中的最大值对应的切片在所述目标图像中的第一高度坐标；

18、沿所述第一高度坐标向上延伸预设高度值，得到第一延伸坐标，沿所述第一高度坐标向下延伸所述预设高度值，得到第二延伸坐标；

19、基于所述第一延伸坐标和所述第二延伸坐标，确定各所述三维图像的富集层。

20、本技术中，通过确定浓度表征值中的最大值对应的切片在目标图像中的第一高度坐标，沿第一高度坐标向上延伸预设高度值，得到第一延伸坐标，沿第一高度坐标向下延伸预设高度值，得到第二延伸坐标，基于第一延伸坐标和第二延伸坐标，确定各三维图像的富集层，这样可以通过富集层，定位期望分离出的颗粒的位置。

21、在其中一个实施例中，步骤s4中所述目标图像的目标粒径富集度的计算公式为：；

22、其中，tse1为目标图像的目标粒径富集度，mtarget,目标为目标图像的富集层中粒径与预设粒径参数匹配的颗粒数量，mtotal,目标为目标图像的富集层中的粒子数量，mtarget,总为颗粒混合物中粒径与预设粒径参数匹配的颗粒数量，mtotal,总为颗粒混合物的总粒子数量。

23、本技术中，通过使用计算目标图像的目标粒径富集度，这样可以得到能真实反映分离效果的标准化评价指标。

24、在其中一个实施例中，步骤s6包括：

25、对所述分层界面清晰度指数、所述目标图像的目标粒径富集度、所述分层动力学时间常数的倒数进行归一化处理，并基于归一化后的所述分层界面清晰度指数、所述目标图像的目标粒径富集度及所述分层动力学时间常数的倒数，通过，或，计算所述颗粒混合物的分离评分cef；为归一化后的所述分层界面清晰度指数的权重参数，为所述目标图像的目标粒径富集度归一化后的结果的权重参数，为所述分层动力学时间常数的倒数归一化后的结果的权重参数；

26、基于所述分离评分，评估所述颗粒混合物的分离效果。

27、本技术中，通过对分层界面清晰度指数、目标图像的目标粒径富集度、分层动力学时间常数的倒数进行归一化处理，这杨可以将不同量纲、不同数值范围的指标统一映射到一个标准化的区间，从而消除量纲差异对后续评分计算的干扰。通过基于归一化后的分层界面清晰度指数、目标图像的目标粒径富集度及分层动力学时间常数的倒数，通过，或，计算颗粒混合物的分离评分cef，这样可以基于分离评分，对颗粒混合物的分离效果进行全面评估，从而得到准确地评估结果。

28、在其中一个实施例中，步骤s6包括：

29、基于所述目标图像，确定所述颗粒混合物的分层稳定性指数和粒径选择性指数；基于所述三维图像，确定所述颗粒混合物的动态分离速率；

30、基于所述分层稳定性指数、所述粒径选择性指数、所述动态分离速率中的一者或多者，以及所述分层界面清晰度指数、所述目标图像的目标粒径富集度及所述分层动力学时间常数，评估所述颗粒混合物的分离效果。

31、本技术中，通过基于目标图像，确定颗粒混合物的分层稳定性指数和粒径选择性指数；基于三维图像，确定颗粒混合物的动态分离速率，基于分层稳定性指数、粒径选择性指数、动态分离速率中的一者或多者，以及分层界面清晰度指数、目标图像的目标粒径富集度及分层动力学时间常数，评估颗粒混合物的分离效果，这样可以使得分离效果的评估更加全面。

32、在其中一个实施例中，所述分层稳定性指数的确定过程包括：

33、获取所述目标图像中各颗粒的粒径，并确定具有最大粒径的第一颗粒的第二高度坐标和具有最小粒径的第二颗粒的第三高度坐标；

34、基于各所述第一颗粒的所述第二高度坐标，计算第一高度平均值和第一高度标准差；基于各所述第二颗粒的所述第三高度坐标，计算第二高度平均值和第二高度标准差；

35、基于所述第一高度平均值hlarge、所述第一高度标准差、所述第二高度平均值hsmall及所述第二高度标准差，通过计算所述颗粒混合物的分层稳定性指数ssi。

36、本技术中，基于第一高度平均值hlarge、第一高度标准差、第二高度平均值hsmall及第二高度标准差，通过计算颗粒混合物的分层稳定性指数ssi，这样可以基于分层稳定性指数，评估颗粒混合物的分离效果。

37、在其中一个实施例中，所述粒径选择性指数的确定过程包括：

38、获取所述目标图像中各颗粒的第四高度坐标，并按照粒径对各颗粒进行分类，得到多个颗粒集合；以开始分离所述颗粒混合物至采集到所述目标图像的时间间隔为稳定时长；

39、基于所述颗粒集合中每一颗粒的所述第四高度坐标，得到各所述颗粒集合的第三高度平均值；

40、基于各所述第三高度平均值、所述稳定时长tsep及每一所述颗粒集合对应的粒径，通过，计算粒径选择性指数ssi2；n为颗粒集合的数量，hi为第i个颗粒集合的第三高度平均值，di为第i个颗粒集合对应的粒径，各所述颗粒集合按照对应的粒径大小排列。

41、本技术中，基于各第三高度平均值、稳定时长tsep及每一颗粒集合对应的粒径，通过，计算粒径选择性指数ssi2，这样可以基于粒径选择性指数，评估颗粒混合物的分离效果。

42、在其中一个实施例中，所述动态分离速率的确定过程包括：

43、分别确定每一所述三维图像中各颗粒之间的距离，并基于各所述三维图像中各颗粒之间的距离，得到各所述三维图像的距离平均值；

44、基于相邻两帧三维图像的所述距离平均值及采集时间间隔，确定多个距离变化率；

45、将多个所述距离变化率的平均值或最大值，确定为动态分离速率。

46、本技术中，通过分别确定每一三维图像中各颗粒之间的距离，并基于各三维图像中各颗粒之间的距离，得到各三维图像的距离平均值，基于相邻两帧三维图像的距离平均值及采集时间间隔，确定多个距离变化率，将多个距离变化率的平均值或最大值，确定为动态分离速率，从而可以基于动态分离速率评估颗粒混合物的分离效果。

47、在其中一个实施例中，所述颗粒混合物放置于目标容器中，所述颗粒混合物在激励信号的激励下进行分离，步骤s6包括：

48、基于所述分层界面清晰度指数、所述目标图像的目标粒径富集度及所述分层动力学时间常数，评估所述目标容器和所述激励信号对所述颗粒混合物的分离效果；所述目标容器为透明容器或配备有观测窗的容器。

49、本实施例中，通过将颗粒混合物放置于透明或配备有观测窗的目标容器中，这样可以实现光学无遮挡，使得图像采集设备能够从目标容器外部直接采集三维图像，无需取样或插入探头。