同轴全息术测量粒子场的计算机模拟及实验研究

【摘要】： 粒子场的测试和诊断在许多工程技术及科研领域有着重要的意义。在众多的测试方法中，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。数字全息术用CCD记录全息图，以数值的方法再现全息图，它综合了光学全息原理、计算机技术、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。本文综合同轴全息术和数字全息术的特点，进行了同轴全息术测量粒子场的计算机模拟和同轴数字全息实验的研究。主要工作内容有： (1)分析推导了平面物菲涅耳衍射的两种常用数值实现算法，即直接傅里叶变换法和卷积法，结论表明后者更符合实际工作的要求。通过对图像采样的分析，结合采样定理，给出了当图像像素总数、像元尺寸、记录波长都确定时，对衍射距离的限制条件。 (2)对同轴粒子全息图的记录和再现过程进行了数值模拟，提出了根据灰度梯度曲线判断粒子成像平面的方法，同时提出了一种可有效消除全息图边框衍射条纹的改进算法。 (3)在对多个粒子的模拟记录和再现过程中，通过改变粒子的密度，发现粒子密度较小时，记录和再现效果都很好，而当粒子密度增大一定程度时，粒子再现像的清晰度会下降。文中分析了其产生原因。 (4)用多层粒子模拟了三维粒子场，然后用改进的算法进行模拟记录和分层数值再现，得到了较好的效果。发现用发散球面波再现时，可得到放大的再现像，有利于对粒子进行分辨。并且通过改变点光源的坐标，可得到粒子场不同部分的再现像。 (5)从实验上拍摄了单层静态粒子靶和多层静态粒子靶的数字全息图，并分别用平面波和球面波实现了该模拟粒子场的数值再现，得到了清晰的粒子像。