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粒子场轨迹速度的数字全息测量方法研究

作　者: 袁瑞
导　师: 吕且妮
学　校: 天津大学
专　业: 光学工程
关键词: 数字全息术 粒子位置测量 轨迹测量 速度测量 3帧粒子轨迹跟踪算法 喷雾场测试 数字图像处理
分类号: O438.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 74次
引　用: 1次
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内容摘要


粒子场测试与诊断在科研、工程等领域具有重要的意义。粒子场轨迹速度的数字全息测量是将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全部信息,通过对再现像的分析获得粒子的尺寸位置信息,结合PTV技术,利用粒子匹配跟踪算法,从时间序列粒子图像中获得粒子轨迹,进而得到粒子运动速度,实现粒子速度分布测量。本文在对数字全息基本理论研究基础之上,主要研究粒子场轨迹速度的数字全息测量方法,并将其应用于喷雾场测量,所做的主要工作如下:1.对粒子场数字全息轨迹速度测量方法进行了理论研究。2.对基于Hough变换数字全息粒子尺寸位置测量方法进行了改进,提出一种采用顶帽变换滤波和自动阈值提取方法,并对光强判焦和复振幅判焦准则进行了研究。对2D粒子场和3D粒子场进行了计算机模拟,对直径为51.1μm和119.4μm的标准粒子进行了实验,测量结果:对直径为51.1μm的标准粒子,粒子直径为52.5μm,相对误差5.40%;直径为119.4μm的标准粒子,粒子直径为120.48μm,相对误差2.30%。对粒子尺寸位置测量不确定性进行了分析,并对全息图信噪比、粒子提取率E p与粒子场深度L和粒子数密度ns之间的关系进行了分析。3.提出一种基于3帧的粒子跟踪算法,对速度测量的不确定性及粒子识别率进行了分析,给出了在不同粒子数密度、不同粒子平均速度下,粒子场粒子轨迹提取率,并对2D粒子场和3D粒子场进行了模拟,测量结果:对2D粒子场,速度测量相对误差0.17%;对3D粒子场,速度测量相对误差5.6%。研究结果验证了该方法的可行性。4.利用CW(连续)激光器和高速CCD数字记录动态粒子场,利用本文所提出的粒子轨迹速度测量方法,对标准粒子场、柴油喷雾场和乙醇喷雾场轨迹速度进行了实验研究,给出了粒子场2D、3D运动轨迹矢量图和速度分布图,以及在不同喷油脉宽下,沿X方向、Y方向的粒子速度变化曲线图,实现了雾场粒子尺寸、轨迹和3D空间的3C速度(3Dt-3C)分布测量。研究结果证明了该方法在粒子场轨迹速度测量中的可行性。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章 绪论  9-14
  1.1 粒子场测量的意义及其测量方法  9-10
  1.2 数字全息粒子速度轨迹测量的国内外研究发展状况  10-12
  1.3 课题来源和论文主要工作  12-13
  1.4 小结  13-14
第二章 粒子场数字全息测量的基本理论  14-20
  2.1 全息图的数字记录与再现  14-15
  2.2 粒子轨迹测量  15-16
  2.3 粒子速度测量  16-17
  2.4 平面波记录光路系统  17
  2.5 数字全息图记录系统参数  17-19
    2.5.1 可允许记录物体的最大横向区域  17-18
    2.5.2 最小记录距离  18-19
  2.6 小结  19-20
第三章 粒子尺寸位置的数字全息测量方法  20-49
  3.1 粒子场全息图再现像的预处理  20-22
    3.1.1 光路系统噪声的消除  20-21
    3.1.2 顶帽变换滤波去噪  21-22
  3.2 粒子聚焦像的合成  22-23
  3.3 自动阈值提取与二值化  23-24
  3.4 边缘提取  24-25
  3.5 基于 Hough 变换的粒子尺寸位置测量方法  25-26
    3.5.1 引言  25
    3.5.2 Hough 变换检测圆  25-26
    3.5.3 Hough 变换检测粒子尺寸位置方法  26
  3.6 亚象素精度计算  26-27
  3.7 粒子轴向位置测量  27-33
    3.7.1 判焦  27-28
    3.7.2 光强判焦法  28-31
    3.7.3 复振幅虚部法判焦法  31-33
  3.8 粒子场同轴全息模拟测量  33-38
    3.8.1 粒子场模型  33-34
    3.8.2 粒子尺寸位置测量  34-38
  3.9 测量不确定性分析  38-42
    3.9.1 粒子( x ,y)位置测量的误差和不确定性  38-41
    3.9.2 粒子z 位置测量的误差和不确定性  41
    3.9.3 粒子尺寸测量的误差和不确定性  41-42
  3.10 粒子数密度ns 与识别率 Ep  42-44
  3.11 粒子轴向位置测量实验  44-48
  3.12 小结  48-49
第四章 粒子轨迹和速度测量方法  49-70
  4.1 引言  49
  4.2 三帧粒子跟踪算法  49-52
  4.3 粒子速度测量分析  52-55
    4.3.1 速度测量不确定性分析  52-53
    4.3.2 速度识别率  53-55
  4.4 粒子场轨迹速度模拟测量  55-62
    4.4.1 2D 粒子场轨迹速度模拟测量  55-57
    4.4.2 3D 粒子场轨迹速度模拟测量  57-62
  4.5 流体示踪粒子速度测量  62-68
    4.5.1 实验系统搭建  62-63
    4.5.2 标准粒子尺寸位置测量  63-65
    4.5.3 标准粒子轨迹速度测量  65-68
  4.6 小结  68-70
第五章 喷雾粒子场轨迹速度测量  70-96
  5.1 实验光路系统搭建  70-71
  5.2 喷雾产生装置  71-73
  5.3 柴油喷雾场测量  73-87
    5.3.1 粒子尺寸和位置测量  73-75
    5.3.2 柴油喷雾场轨迹测量  75-78
    5.3.3 柴油喷雾场速度测量  78-80
    5.3.4 沿 X 轴粒子速度分布  80-84
    5.3.5 沿 Y 轴速度分布  84-87
  5.4 乙醇喷雾场测量  87-95
    5.4.1 乙醇喷雾场粒子尺寸位置测量  88-90
    5.4.2 乙醇喷雾场轨迹速度测量  90-94
    5.4.3 不同喷油脉宽下喷雾场测量结果比较  94-95
  5.5 小结  95-96
第六章 总结与展望  96-99
  6.1 论文研究成果  96-97
  6.2 论文研究工作的进一步发展  97-99
参考文献  99-103
发表论文和参加科研情况说明  103-104
致谢  104

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 光学 > 信息光学 > 全息光学
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