重力波的动态三维形貌测量的研究

论文摘要

弹性壳液耦合系统当壳壁受到激振力作用时,会出现的不同形态的大幅重力波现象。本文研究的目的是实现对重力波三维形貌的动态测量,并获得表面各点时间历程。鉴于实验对象是水面,而且液面变形幅度较大,并伴有水花飞溅等现象,对实验测量手段以及后期数据处理的要求较高。本文介绍了三维形貌测量的发展概况和应用前景,对主要的三维形貌测量方法进行了系统的理论分析,最后根据实验对象的特点和动态测量的要求,选择采用基于相位的轮廓术中的傅立叶变换轮廓法(Fourier Transform Profilometry,简称FTP)进行实验测量。根据交叉光轴的光学原理设计了实验系统,其中光栅图像采用的是条纹间距连续可调的数字条纹,通过LCD投影仪投射到重力波表面,并利用高速的图像采集系统进行实验图像的实时采集。在后期实验图像的分析过程中对各种图像处理方法进行了比较分析,选择了适当的图像处理方法对实验图像进行了预处理,并分析了傅立叶变换轮廓法中频谱泄漏、混叠以及栅栏效应的产生原因并提出了消除方法。对实验图像进行了空间域的预处理后,降低了噪声的影响,提高了条纹图像的质量,并经过傅立叶变换、频域滤波、傅立叶反变换、解包裹处理等一系列计算后,获得了液面的高度信息,最终实现了大幅重力波的三维形貌的测量。通过对周期内多幅图像的连续处理得到了大幅重力波表面任一点的时间历程。本文先后对不同壳体的液固耦合系统的实验测量,获得了矩形壳体、圆形壳体以及龙洗在受到一定频率的激振力作用时,出现的不同形态的重力波的表面高度信息和各点的时间历程。这是对壳液耦合系统中自由表面波进行实验测试的新尝试,并为今后的理论研究提供了丰富的实验数据。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 具有自由液面的液固耦合问题研究现状
• 1.3 三维形貌测量技术发展概况
• 1.3.1 三维形貌测量技术的应用领域
• 1.3.2 三维测量技术的分类及发展概况
• 1.4 光学非接触式三维测量
• 1.5 本文所做的工作
• 第二章 光学三维形貌测量基本方法
• 2.1 引言
• 2.2 被动式光学三维形貌测量
• 2.3 主动式光学三维形貌测量
• 2.4 小结
• 第三章 傅立叶变换轮廓法
• 3.1 引言
• 3.2 交叉光轴原理
• 3.3 FTP法计算原理
• 3.4 测量系统误差分析及改进方法
• 3.4.1 测量对象信号处理误差分析及优化
• 3.4.2 测量系统误差分析
• 3.5 相位展开
• 3.6 小结
• 第四章 实验测量及结果分析
• 4.1 FTP法三维测量系统组成
• 4.2 实验条纹图像的预处理
• 4.2.1 图像预处理的常用方法
• 4.2.2 图像滤波方法的选择
• 4.3 矩形壳液耦合系统的测量
• 4.4 圆形壳液耦合系统的测量
• 4.5 龙洗壳液耦合系统的测量
• 4.5.1 一阶重力波的测量结果
• 4.5.2 二阶重力波的测量结果
• 4.6 小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢