粒子场数字全息测量方法研究

论文摘要

粒子场测试与诊断在科研、工程等领域具有重要的意义。粒子场数字全息测量是将数字技术与传统的光学全息技术结合,粒子场全息图直接以数字方式记录在CCD上,再以数字方式再现,同时获得3D粒子场的振幅和相位的全部信息,通过对再现像的分析获得粒子的直径、位置、速度等参数信息,实现粒子场测量。因此,数字全息术在粒子场测量方面显示了巨大的潜在性和优越性,已发展成一种新的测试工具,并成功的应用于实际粒子场测量。本文在对数字全息基本理论研究基础之上,主要研究粒子场数字全息测量方法,并将其应用于实际喷雾场测量,所做的主要工作如下:1.对粒子场数字全息测量的基本理论进行了研究。2.提出一种基于Hough变换的数字全息粒子尺寸位置测量方法,并对粒子场阈值提取、灰度梯度判焦和灰度合成图两种判焦准则进行了研究,给出了基于灰度合成图判焦时,粒子轴向位置坐标的确定方法。对2D粒子场和3D粒子场进行了计算机模拟,对直径为90μm的标准粒子进行了实验研究,测量结果:粒子直径为92.54μm,绝对误差为2.54μm,给出了3D粒子场分布,实现粒子尺寸和3D位置测量。研究结果证明了该方法的可行性。3.对利用CW（连续）激光器和高速CCD数字记录动态喷雾粒子场的实验进行了研究,并对柴油喷雾场和乙醇喷雾场,利用本文提出的粒子测量方法,在不同喷油脉宽和不同测量点进行了测量与分析,给出了3D粒子场分布、重量分布和SMD变化曲线。实验结果表明了数字全息术可应用于内燃机喷雾场的测量。4.对连续记录的序列全息图进行合成处理及再现得到粒子的运动轨迹。利用本文所提的粒子测量方法对所得的轨迹再现像进行处理,实现对柴油喷雾场和乙醇喷雾场的速度测量。研究结果表明,利用本文所提出的粒子场数字全息测量方法也可实现雾场粒子的速度测量。5.利用Matlab语言和Visual C++ 6.0语言混合编程,完成了粒子场自动测量软件设计,开发了自动、高速提取粒子信息的图像处理软件包。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 粒子场测量的意义及其测量方法
• 1.2 粒子场数字全息测量的国内外研究发展状况
• 1.3 课题来源和论文主要工作
• 1.4 小结
• 第二章 数字全息粒子场测量的基本理论
• 2.1 数字全息术的基本理论
• 2.1.1 全息图的数字记录
• 2.1.2 全息图的数字再现
• 2.2 全息图数字再现方法
• 2.2.1 菲涅耳变换法
• 2.2.2 卷积法
• 2.3 粒子场数字同轴全息的数字记录与数字再现
• 2.3.1 平面波记录平面波再现
• 2.3.2 球面波记录平面波再现
• 2.3.3 粒子场全息图记录光路系统
• 2.3.3.1 平面波记录光路系统
• 2.3.3.2 球面波记录光路系统
• 2.4 小结
• 第三章 Hough 变换的基本理论
• 3.1 引言
• 3.2 标准Hough 变换直线检测
• 3.3 标准Hough 变换圆检测
• 3.4 小结
• 第四章 粒子场数字全息测量方法与数值模拟
• 4.1 引言
• 4.2 粒子场全息图再现像的预处理
• 4.2.1 光路系统噪声的消除
• 4.2.2 滤波去噪
• 4.3 粒子阈值提取及二值化
• 4.4 判焦
• 4.4.1 灰度梯度判焦
• 4.4.2 灰度合成图判焦
• 4.5 粒子场测量
• 4.5.1 基于 Hough 变换的数字全息粒子尺寸位置测量方法
• 4.5.2 边缘提取
• 4.5.3 亚象素精度计算
• 4.6 粒子场数字同轴全息模拟测量
• 4.6.1 2D 粒子场的模拟测量
• 4.6.1.1 稀疏2D 粒子场的模拟测量
• 4.6.1.2 密集2D 粒子场的模拟测量
• 4.6.1.3 粒子重叠的模拟测量
• 4.6.2 3D 粒子场的模拟测量
• 4.6.2.1 灰度合成判焦的粒子场模拟测量
• 4.6.2.2 灰度梯度判焦的粒子场模拟测量
• 4.7 小结
• 第五章 喷雾粒子场数字全息测量
• 5.1 标准粒子场测量
• 5.2 柴油喷雾场测量
• 5.2.1 喷雾产生装置
• 5.2.2 实验系统的搭建
• 5.2.3 粒子尺寸位置测量
• 5.2.4 沿X 轴方向粒子的SMD 及重量分布
• 5.2.5 沿Y 轴方向粒子的SMD 及重量分布
• 5.3 乙醇喷雾场测量
• 5.3.1 喷雾产生
• 5.3.2 粒子尺寸位置测量
• 5.3.3 沿X 轴方向粒子的SMD 及重量分布
• 5.3.4 沿 Y 轴方向粒子场的 SMD 及重量分布
• 5.4 粒子场速度测量
• 5.4.1 柴油喷雾场速度测量
• 5.4.2 乙醇喷雾场速度测量
• 5.5 小结
• 第六章 粒子场自动分析软件设计
• 6.1 系统软件设计
• 6.2 软件编制的基本思想
• 6.3 软件界面及功能演示
• 6.4 小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 论文研究成果
• 7.2 论文研究工作的进一步发展
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢