数字全息测量颗粒场研究进展

小颗粒物质在自然界广泛存在且在工业生产中具有重要应用,应用数字全息技术对其进行三维研究具有重要的科学意义及实用价值。系统地对数字颗粒全息技术及其应用进行了综述,具体包括基于光散射理论、衍射理论的颗粒全息图形成及其条纹特性,颗粒全息图的数字重建方法、颗粒识别、定位以及颗粒匹配,数字全息在颗粒场中测量颗粒粒径、三维位置、形貌和三维速度的应用。数字全息作为一种三维测量技术,在颗粒场测量中具有广阔的应用前景。     

燃烧室雾化场全息图像分割方法研究

通过分析不同情况下雾化场全息图像中粒子数随阈值变化的规律,建立了基于粒子数变化的阈值估计算法,并给出不同情况下最优阈值的选择依据。针对粒径20μm以下的雾化场全息图像,选择粒子数随阈值变化的一阶微分最小值所对应的阈值为最优阈值。该方法已应用于超燃冲压发动机燃烧室雾化场实际测量工作中,并获得了较好的结果。     

2.52THz离轴数字全息成像和焦平面成像特性比较

利用已搭建的2.52THz焦平面成像装置和离轴数字全息装置,通过分辨率测量和水印及铅笔字成像,研究了焦平面成像和离轴数字全息成像这两种面阵成像的性能。实验证明,常规的焦平面成像由于太赫兹波长较长,很难获得较高的成像分辨率,且成像效果受放置位置的影响严重;太赫兹离轴数字全息成像可以提高成像分辨率,但成像物体大小受系统分辨率制约;焦平面成像较离轴面阵数字全息成像更适于大目标低分辨率成像。     

数字全息中利用图像拼接测量大物体的三维形貌

为扩大数字全息的测量视场,使数字全息可以应用于大物体三维形貌的测量,利用菲涅耳离轴数字全息,让照明光依次照明物体的各个区域并分别记录全息图,利用精密电控旋转台精确控制参考光的入射角以保证每次记录时物参角不变,通过参考光入射角的变化量确定物体不同被照明区域之间的位置关系,对获得的物体去包裹的相位图进行拼接,进而得到整个物体的三维形貌.利用该方法测量了大小为11 cm×19 cm的石膏嘴的三维形貌,图像拼接的绝对拼接误差远小于1.14 mm,高度测量误差约为0.5 mm,实验结果说明这种测量方法能够有效地扩大数字全息测量物体三维形貌的视场并且具有和横向分辨率相当的拼接精度.     

单颗粒气溶胶液滴吸湿挥发特性研究 #br#

大气气溶胶粒子的热动力学过程主要源于多元物质的非理想混合, 其演化过程包括液-液相分离、吸湿-挥 发、非平衡传质等。相关物理化学参数是理解气溶胶演化过程、分析演化动因、预测演化路径的基础, 而精确的单 粒子测量是获取这些重要参数的关键。利用自主开发的气溶胶拉曼光镊系统, 实现了单颗粒气溶胶液滴无接触长时 间捕获, 并通过改变气溶胶粒子所处环境的相对湿度, 模拟了实际大气中悬浮气溶胶液滴的吸湿-挥发热力学演化过 程。通过测量单颗粒液滴粒子的腔共振拉曼光谱信号, 结合相应的物理模型精确测量了氯化钠、蔗糖和柠檬酸三种 不同气溶胶液滴粒子在吸湿-挥发过程中的粒径、折射率、扩散系数、挥发通量等重要物化参数, 分析了有机/无机气 溶胶液滴的吸湿-挥发特性对相对湿度变化的不同响应以及气溶胶液滴可能存在的玻璃态、胶态等相变行为, 为理解 实际大气气溶胶吸湿-挥发过程提供了重要参考。     

数字全息在线监测300 MW机组煤粉细度试验研究

煤粉细度是燃煤电厂运行过程中的关键参数之一，与锅炉燃烧效率、制粉系统功耗以及设备磨损等问题息息相关。文中对数字全息技术在线监测电厂煤粉细度进行了试验研究。搭建了基于脉冲数字同轴全息的在线测量系统，系统包括取样、测量、收集和数据处理四个主要部分。将测量系统应用于某300 MW机组两根一次风管道内的煤粉细度监测，两根管道内煤粉流来源于不同的两台磨煤机，采用自行开发的重建软件对煤粉全息图进行实时处理并输出煤粉细度结果。对系统收集的经过系统测量后的煤粉样品进行实验室筛分，将筛分结果与现场全息结果进行对比，以验证测量系统的可行性和准确性。结果表明，采用面积分布的全息结果与筛分结果基本一致，平均绝对细度偏差在4%以内。同时诊断出了一台磨煤机煤粉细度与设计值偏离较大，证明所建测量系统用于燃煤电厂煤粉细度的在线监测有较大的应用潜力。     

基于数字全息层析的温度场三维检测方法

提出一种结合数字全息干涉测量原理和计算层析迭代原理的温度场三维检测方法。首先,基于光纤传导的离轴数字全息光路,通过旋转记录多角度的数字全息图。然后,对全息图进行数值重构,获得多角度上的定量相位分布,以此作为计算层析迭代的投影数据,并采用层析迭代算法重建三维折射率场分布。最后,基于折射率与温度之间的关系,反演得到三维温度场分布。基于上述方法搭建了实验系统并开展实验验证,实验测量结果与温度场预测分布基本一致,证明了该方法在对温度场三维检测的可行性。     

LiNbO3:Ce:Cu晶体中绿光非挥发全息记录优化

为了对在LiNbO3:Ce:Cu晶体中绿光作为记录光的非挥发全息记录进行优化,联立求解了双中心物质方程和双光束耦合波方程,数值分析了平均空间电荷场(SCF)和衍射效率随晶体的氧化还原态、记录光与敏化光的光强比以及深浅中心的掺杂浓度的变化.结果表明,采用绿光作为记录光在LiNbO3:Ce:Cu晶体中进行非挥发全息记录,可以记录得到强光折变光栅,其空间电荷场高达107V/m;获得高达80%以上的固定衍射效率,各相关参量都有较大的优化空间.     

基于光学显微平台的离轴数字全息显微系统的实现与标定

为了在普通光学显微平台上实现对细胞生物样品的三维动态成像,设计光学显微平台与Mach-Ze-hnder干涉系统相结合的离轴数字全息显微测量系统,并且提出用连续高度变化的楔形样品对系统进行标定.介绍离轴数字全息显微的原理;基于倒置显微镜设计和搭建离轴数字全息显微系统;制备连续高度变化的楔形样品来标定离轴数字全息显微系统,并与白光干涉仪结果进行比较;通过测量出离轴数字全息系统可分辨的干涉条纹最小小数部分来实现系统的标定.实验结果证明了结合光学显微平台的离轴数字全息显微系统在样品三维测量上的优势,本系统能够分辨22.6 nm的高度变化量,因此,本系统的轴向分辨率应优于23 nm.     

基于数字全息显微的微粒三维位移跟踪测量技术

提出一种基于离轴数字全息显微的技术,用于测量液态环境中微粒的三维位置。该技术采用透射式离轴数字全息显微系统,测量方法结合了光程长(OPL)差分算法和去条纹法。利用光程长差分算法定位微粒内部两点间光程长差分曲线拐点的位置,追踪微粒的轴向位移;对离轴全息图使用去条纹方法,即频域滤波结合Hough变换,获取微粒的横向二维位移。进行轴向测量时,与传统数字全息追踪微粒位移的技术相比,光程长差分算法仅用两点光程长相对运算代替面的运算,提高了测量效率,且不需要对微粒进行自动聚焦,微粒的位置也不受离焦面的限制。对微粒进行纳米级三维位移操纵,实验结果表明光程长差分算法结合去条纹法对液态环境中微粒的三维位移测量分辨能力能够达到纳米量级。     

激光多普勒测速技术应用于浓缩燃烧器湍流流场的测量

在煤粉浓缩燃烧器中加入示踪颗粒,利用激光多普勒测速技术对湍流流场的速度场及湍流参数进行测量研究,通过自动数据采集及处理分析系统,获得不同钝体结构的煤粉浓缩燃烧器的速度及湍流强度分布,为钝体的选型和燃烧器的设计,着火燃烧机理的分析提供了理论依据。     

LiNbO_3∶Ce∶Cu晶体中绿光非挥发全息记录优化

为了对在LiNbO3∶Ce∶Cu晶体中绿光作为记录光的非挥发全息记录进行优化,联立求解了双中心物质方程和双光束耦合波方程,数值分析了平均空间电荷场(SCF)和衍射效率随晶体的氧化还原态、记录光与敏化光的光强比以及深浅中心的掺杂浓度的变化。结果表明,采用绿光作为记录光在LiNbO3∶Ce∶Cu晶体中进行非挥发全息记录,可以记录得到强光折变光栅,其空间电荷场高达107V/m;获得高达80%以上的固定衍射效率,各相关参量都有较大的优化空间。     

数字全息法测量三维形貌的研究

从理论和实验上研究了数字全息用于表面形貌测量的问题。记录采用离轴反射式数字全息系统,再现利用菲涅尔再现算法,然后对再现像使用快速相位解包裹算法,得到物体的三维形貌。实验结果表明,数字全息法可以有效的得到物体的三维形貌。     

数字成像时间平均全息振动分析

提出用时间平均数字全息与数字成像相结合的技术测量物体的振幅场,在时间平均数字全息光路中引入成像透镜,使时间平均数字全息技术适用于大尺寸物体的振动分析。阐述了该技术的基本理论,设计了测量光路,并用圆形压电陶瓷片作了实验验证。实验结果表明,在相同条件下,使用数字成像时间平均全息技术记录和再现的数字全息干涉图与使用传统的时间平均全息干涉计量技术记录和再现的全息干涉图相吻合,比较两者的振幅计算结果误差很小。     

基于数字全息干涉技术的动态超声场成像与检测

为了实现对超声场的非接触全场测量和成像,提出了基于数字全息干涉的动态超声场的测量和成像方法。对超声场的测量进行理论分析,研究了基于数字全息干涉技术的动态声场测量原理。同时,针对不同时刻的动态声场,研究了主要的测量流程和数据分析过程。在此基础上设计了基于脉冲激光器的反射式数字全息显微成像系统,其中包括光学检测子系统、超声子系统和同步控制子系统。实验结果表明,对于动态超声场,可以在一个时间序列中,对不同时刻的超声场进行测量和成像。同时,文中设计了微缺陷试样,利用动态超声场测量技术对微缺陷进行检测。实验结果表明,文中所研究的动态声场测量方法和系统可以有效地识别出试件中微小的内部缺陷。     

数字全息图再现像的分析计算

用菲涅耳衍射和振幅全息的理论，分析了数字全息的物像关系和再现像的分辨率，并进行相应的数值模拟和实验研究。研究结果表明：数字全息的物像关系与传统振幅全息的物像关系是等同的，当用相同波长的准直光记录和再现数字全息图时。可以得到与原物完全相同的再现像，且再现光入射方向的变化仅使再现像位置发生平移。对其大小没有影响。数字全息的横向分辨率与传统成像光学仪器的分辨本领具有相同的物理意义。其大小主要取决于再现像位置处以CCD尺寸为窗口的衍射极限。模拟计算和实验测量的结果是完全吻合的，但在实际物体的记录中。由于噪声、照明光场的不均匀性、物光衍射光场的调制和CCD动态范围的影响，后者的误差比前者大。     

微颗粒场同轴全息的离焦处理方法

一、引言 全息法自首次应用于微颗粒场的分析以来,得到了不断发展,初期工作主要对技术本身及其机理进行探讨。实验表明,全息法是测量三维微颗粒场的有效手段,具有景深大、不干扰粒子群,且能记录粒子的大小、位置及速度等优点,并得到了广泛应用。 全息法将微颗粒场的数据信息寓于图像之中,所以必须对微颗粒场的再现图像进行处理,以“读出”粒子群的几何信息(尺寸、分布等)。以往的工作大部分都是处理粒子的聚焦像,而对球形的微颗粒,也可由粒子的离焦像求取粒子的大小和分布。 本文将此法应用于微颗粒场的处理,用一套半自动的图像处理系统,用所设计的程序,对微颗粒场的同轴全息图再现的离焦像进行处理,得到粒子的几何信息。     

数字全息粒子图像测速技术应用于旋转流场测量的研究

将数字全息粒子图像测速(DHPIV)技术应用于旋转流场的三维空间速度测量当中。提出了一种新的焦平面定位方法,即综合灰度梯度法,对数字全息中粒子的焦平面进行精确定位,获得了粒子的空间坐标。针对数字全息粒子图像测速技术中的粒子匹配问题,采取三维互相关算法对流场中的示踪粒子进行空间匹配。将基于综合灰度梯度法和三维互相关算法的数字粒子图像测速技术运用到旋转流场全息图中,获得了局部的三维可视化速度场,与理论模型吻合很好。结果表明,该技术能够很好地应用于旋转流场的测量研究当中。     

离轴全息摄影在雾化粒子场研究中的应用

用双脉冲红宝石激光全息摄影仪以离轴全息摄影法应用于水雾化粒子场可成功地获得其全息图。再现离轴全息图可清楚地看到粒子场的三维图象。本文介绍了离轴全息摄影的方法,分析了全息摄影的透射式离轴光学系统,同时也介绍了粒子场全息图的数据处理。     

数字全息图像处理技术研究

本文从理论和实验研究了数字全息图像处理技术。记录采用离轴数字全息光路,预处理算法采用数字相减法,再现利用菲涅尔变换算法做衍射数值计算。实验结果表明,本文的研究方法能成功获取数字全息图像并进行数字全息图像再现。