基于数字全息术的水下气泡场探测研究

论文摘要

水中气泡场是海洋和大气热交换的重要媒介,气泡对研究海洋内波、海洋洋流的流动也有着重要意义。随着对海洋研究的深入,气泡场的探测研究在诸多海洋工程科技领域有着重要的意义。激光同轴全息摄影法以其不干扰流场,测量粒子尺寸范围大、拍摄景深大、可再现三维粒子场信息、分辨率高以及光路布置简单等优点得到了广泛的应用。数字全息术,即数字再现全息图,为水下气泡场的探测提供了一种新的方式,它是采用CCD等光电传感器件作为记录介质,将气泡场的物光信息以离散化的形式记录,存储于计算机,再以数字方式再现,得到原始物场波前分布,存储在计算机内。由于数字全息术综合了电子技术以及图像处理技术,是一种新颖的全息成像技术,具有处理简便、对实验环境要求较低、可实现准实时处理等优点,在光测量方面有着很好的应用背景,已广泛应用于科研,医学工程,粒子场测量等领域。文中综合同轴全息术和数字全息术的特点,进行了数字全息术的气泡场测量。本论文根据数字全息术的特点,将数字全息术应用到水下气泡场的测量。以数字全息术在水下气泡场的探测为研究目的和内容,围绕这两个内容,主要分为以下工作：1.介绍了传统的光学全息术和数字全息技术的基本原理,建立了数字全息图记录和数值再现的数学模型,对数字全息的数值重现算法以及相关的数字图像处理方法进行了详尽的理论分析。着重探讨了同轴全息术的数字记录和再现的过程,将它应用到气泡场的探测。2.对两种不同的重建算法,即菲涅耳变换法和卷积法的原理进行相应分析,完成了数字全息记录及重现程序的编写。并对记录的全息图进行了数值重现,然后根据气泡场的再现结果选取最佳再现方案,并对再现程序作出相应修改。3.对实验参数进行探讨,根据CCD的配置和相关理论,计算CCD参数对记录条件的限制。根据水下环境的复杂性,分析了水下环境对全息记录所带来的影响,并对此做出一定改动。对水下数字全息探测的实验光路进行了改动设计将数字全息技术应用于水下物体的探测,进行了水下气泡场的数字全息拍摄实验,并进行了数字再现。4.对实验结果进行处理和误差分析,探讨了光线在水中和大气中的折射效应引起的误差原因,并给出补偿方案。论文有机地结合了数字全息技术和水下气泡场探测技术,完成了水下气泡场的数值再现工作。论文所得出的水下气泡场数目和粒径大小为后来进一步的深入研究提供了有益的帮助和借鉴。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 0. 引言
• 0.1 数字全息术简介
• 0.2 数字全息技术的发展及其对粒子场的探测
• 0.2.1 全息术在粒子场探测中的应用
• 0.2.2 数字全息术在粒子场探测中的应用
• 0.3 本论文的主要工作和意义
• 1. 数字全息术的理论基础
• 1.1 数字全息术的基本理论
• 1.1.1 全息图的记录
• 1.1.2 全息图波前再现
• 1.1.3 同轴全息与离轴全息
• 1.2 菲涅耳衍射—球面波理论
• 1.3 粒子场的同轴全息图记录和再现原理
• 1.3.1 粒子场同轴夫琅禾费全息图的记录
• 1.3.2 粒子场同轴夫琅禾费全息图的再现
• 1.4 数字全息术的相关研究技术
• 1.4.1 光电图像传感器（CCD）技术
• 1.4.2 二维图像的傅里叶变换
• 1.4.3 二维图像的离散傅里叶变换
• 2. 数字全息术的水中气泡场的探测研究
• 2.1 水中复杂环境对全息图拍摄的影响分析
• 2.2 实验参数的计算选择
• 2.2.1 可允许记录的最大角度
• 2.2.2 可允许记录的物体区域问题
• 2.2.3 记录距离范围
• 2.3 实验光路的选择和改进
• 2.3.1 不同记录光路对记录介质空间分辨率的要求
• 2.3.2 实验光路的选择
• 2.3.3 实验光路的改进
• 2.4 数字全息再现算法的选择
• 2.4.1 菲涅耳变换再现算法
• 2.4.2 卷积再现算法
• 2.5 水中气泡场的探测实验
• 2.6 实验结果及误差分析
• 2.6.1 实验结果分析
• 2.6.2 实验误差分析
• 3. 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者个人简历
• 发表的学位论文