（热能工程专业论文）全息干涉相移方法测量火焰温度场重建算法研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 火焰温度测试技术是燃烧理论和技术发展的重要基础，激光全息干涉 测羹以其独特的优势在温度测量中有着独特的地位，基于全息原理的相移 干涉层析测量为火焰燃烧的检测和火焰性质的研究提供了有力的手段。国 内外在试验数据提取和处理方面做了很多工作，该方向的研究还有很大的 发展空间。本文提出种基于光强分布的检测算法，对烟黑火焰的温度场 的重建进行了一些有益的探索和尝试。 本文简述了双曝光方法的实验原理和数学模型，对基于光学c t 的层 析相移层析理论和以雷当算法为基础的二维三维温度场的重建算法进行 了较为详细的分析。在轴对称温度场的重建算法的分析比较之上，本文提 出可直接检测干涉图的相对光强，解决基于干涉条纹的处理带来的有效检 测信息利用率不高的问题，得到全场相移的连续分布，从而重建被测火焰 折射率场和温度场的方法。采用该方法对标准轴对称分布的火焰进行模拟 计算，并与现有的采用逼近法处理干涉条纹获得的结果进行了比较，从结 果分析来看，基于光强方法在测量的概念上和结果的准确性以及算法的稳 定性上较以往的基于条纹位置和级数的算法都有较大提高，相信能够在干 涉图重建的数据后处理上有很好的应用。 全息干涉方法对火焰温度场进行检测的研究一般对气相组分作简化 处理，没有考虑气相组分非均匀分布对温度场反演韵影响。目前针对含烟 黑火焰的烟黑容积份额分布和温度分布的同时检测方法仍然需要开展深 入的研究。本文在实验研究方面进行了初步尝试。 最后，对本文工作进行总结，并对进一步研究工作提出了建议和构想。_ ) l 广 o 厂一 关键词：全息干涉j 相 蓼法光学层析ij 垂j 西温度场镬蔓丕i 童 尸。 i 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ti n f l a m e si sav e r yi m p o r t a n tb a s ef o rt h e d e v e l o p m e n t o fc o m b u s t i o nt h e o r ya n d t e c h n i q u e s h o l o g r a p h i ci n t e r f e m m e t r y t e c h n i q u ep l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l e i nt h et e m p e r a t u r ef i e l dm e a s u r e m e n t w i t hi t s u n i q u ea d v a n t a g e ，t h ep h a s e s h i f t i n g m e a s u r e m e n t ，a n di s a l s oa t r e n c h a n tm e a n sf o rm e a s u r i n gt h ef l a m et e m p e r a t u r e sa n di n v e s t i g a t i n gt h e c h a r a c t e r i s t i c so f 血ef l a m e r e s e a r c h e r sa l lo v e rt h ew o r l dh a v ed o n em u c h r e s e a r c hw o r kf o rt h et e m p e r a t u r ef i e l dm e a s u r e m e n ti nf l a m e ，a n dm a n y e x p e r i m e n t a lm e t h o d sa n d a r j t h i n e t i ct h e o r i e sh a v eb e e nd e v e l o p e d b a s e do n t h i sb a c k g r o u n d ，t h i sp a p e rd i dm u c hw o r ko nr e s e a r c h i n ga n de v a l u a t i n gt h e m e t h o d so fd a t a p r o c e s s i n g ，a n d i n 仃o d u c e dan e wh o l o g r a p h i c a l g o r i t h m m e t h o db a s e do nt h et r e a t m e n to ft h ei n t e n s i t yo ft h ef r i n g e s a tt h es a m e t i m e ，w eh a v ed o n es o m es i m u l a t i o nw o r ko nt e m p e r a t u r ef i e l dr e c o n s t r u c t i o n i nas o o t i n gf l a m e t h ee x p e r i m e n tt h e o r ya n dm a t h e m a t i c a lm o d e lo f 也ed o u b l ee x p o s u r e h o l o g r a p h i ci n t e r f e r o m e 血 ya n d t h em a t h e m a t i c sb a s eo f t h e o p t i c a lt o m o g r a p h y , e s p e c i a l l yt h ep h a s e - s h i f t i n gt h e o r y , a r ei n t r o d u c e da tf i r s t b e f o r ea n a l y z i n g t h ei n t e n s i t y - b a s e dm e t h o d ，s o m ek i n d so f h o l o g r a p h i cr e c o n s t r u c ta l g o r i t h m s f o rt w o d i m e n s i o n a la n dt h r e e - d i m e n s i o n a lt e m p e r a t u r e 矗e j d sb a s e do nt h e r a d o nt r a n s f o r i l la r e c o m p a r e d i n 0 r d e rt od i s c u s sr e c o n s t r u c t i o no f a x i s y m m e t r i c a lt e m p e r a t u r ef i e l di nd e t a i l t h ea b e lt r a n s f o r mi se x a m i n e d t h er e l a t i v ei n t e n s i t yi nt h ei m a g eo ft h eh o l o g r a p h i ci n t e r f e r o m e t r i cf r i n g e sj s m e a s u r e d d i r e c t l y , t l l e c o n t i n u u md i s t r i b u t i o no ft h e p h a s e s h i f t i st h e n o b t a i n e d a n dt h et e m p e r a t u r ef i e l da n dr e f r a c t i v ei n d e xf i e l di nt h ef l a m ec a l l b er e c o n s t r u c t e d t h i sm e t h o da v o i d s 也el o we f f i c i e n c yo ft h ea v a i l a b l e i n f o r m a t i o ne x t r a c t e df o r mt h ei n t e r f e r o m e t r i cf r i n g e sa sd o n ei nt h et r a d i t i o n a l p r o c e s s i n gm e t h o d s s i m u l a t i o ns t u d y o na na x i s y m m e t r i c a lf l a m ew a sc a r r i e d o u t , a n dc o m p a r i s o n sw e r em a d eb e t w e e nt h e r e s u l t so b t a i n e db yt h et w o m e t h o d s f r o mt h er e s u l ti tc a nb es e e nt h a tt h i sn e wm e t h o di sm o r ea c c u r a t e i nm e a s u r e m e n t ，m o r es t a b l ei n o b t a i n i n gr e c o n s t r u c t i o nr e s u l t st h a no t h e r t r a d i t i o nr e c o n s t r u c tm e t h o d s ，a n dt h a tt h en e wm e t h o dh a sh i g h e ra c c u r a c y a n dh a sm u c h a p p l i c a t i o nv a l u e i nt h i st i m e ，r a d i a t i v ec h a r a c t e r i s t i c so f p a r t i c l e si nc o m b u s t i o nm e d i u m 一一 u 华中科技大学硕士学位论文 目自_ l _ - l _ i _ _ _ 自_ ；_ ；i 自# = = = = _ = ；目= _ 一 a r en o tf u l l yr e c e i v e d t h es y n c h r o n o u s l ym e a s u r e m e n to f s o o tv o l u m ef r a c t i o n d i s t r i b u t i o na n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na l s on e e dm u c hm o r ed e e pr e s e a r c h g e n e r a l l y , t h et e m p e r a t u r ef i e l d s a r er e c o n s t r u c t e dw h e nt h ev a r i a t i o ni nt h e g a s c o n c e n t r a t i o ni s n e g l e c t e d i n h o l o g r a p h i ci n t e r f e r o m e t r y f o r t h e s e p r o b l e m s ，i n i t i a le x p e r i m e n t sh a sb e e nd o n e f i n a l l y , s u m m a r y o ft h eo v e r a l lw o r ka n ds o m ea d v i c e s o nf u r t h e r r e s e a r c ha r eg i y e n k e yw o r d ：h o l o g r a p h i c i n t e r f e r o m e t r ) ；p h a s e - s h i f t i n g ，o p t i c a lc t , a x i s y m m e t r i e a lt e m p e r a t u r ef i e l d ，s o o t i n gf l a m e 一_ i n 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究背景和意义 煤在我国的能源结构中有着举足轻重的地位，以燃煤为主的火力发电 机组在我国电力工业中占主导地位。大型工业炉膛内的燃烧过程发生在相 对大空间，是脉动的、具有典型三维特征的复杂物理化学过程。燃烧火焰 是表征燃烧状态稳定与否最直接的反映。准确、可靠地检测炉膛火焰，是 防止炉膛爆炸、确保锅炉安全运行的重要手段“1 。为了能及时、灵敏、可 靠地检测炉内燃烧状况，防止在点火、低负荷等燃烧不稳定工况下发生炉 膛爆炸事故，电站锅炉必须配备功能齐全、性能可靠的炉膛三维温度场可 视化设备。这也是近年来锅炉燃烧领域研究的主要方向。 对于煤粉燃烧的诊断来说，温度是燃烧过程最基本的参量，对燃烧过 程的研究离不开温度的测量。燃烧温度测试技术是燃烧理论和技术发展的 重要基础之一。由于电站锅炉尺寸庞大、环境恶劣，至今仍未能开发出适 用的三维可视化技术。因此，只能对其缩小了的原型在实验室进行研究， 或者采用计算机进行数值模拟研究。在研究燃烧系统的特性中，一般分为 接触式测量和非接触式测量。接触式测量最典型的代表就是热电偶和接触 式光纤高温计。接触式测量对被测场会造成干扰，一般只能实现点测量。 非接触式温度测量由于不与被测介质直接接触，热惯性小，测量上不受材 料限制等优点而倍受关注。包括辐射法，声学测量法，激光测量方法等。 温度场的光学测量0 1 是近十几年发展起来的- i - 全新的测试技术。它 是利用温度变化所引起的光学性质的变化来度量出该物理量。与其他测量 手段相比，温度场的光学测量的优点”1 为：非接触测量，对被测场无干扰； 实时测量，无滞后；信息量丰富，能实现三维场测量：时间分辨率和空间 分辨率高。正因为以上特点，温度场的光学测量技术已成为当今热物理测 试技术研究的重点。j 。在温度场的光测技术中，激光全息干涉测量法在热 流体温度场测量中几乎是无可替代的”3 。近年来，在揭示煤粉燃烧机理方 面取得的进展很大程度上是因为使用了新的光学方法o 对气体温度、主要 _ 一一 i 华中科技大学硕士学位论文 痕量元素和气体组分浓度、颗粒尺寸分布以及气体和颗粒速度场、温度场 的测量。 温度场的激光全息干涉层析测量技术在温度测量中的无可比拟的优 势而正得到越来越多的研究者的关注，近年来在国内外也取得了令人瞩目 的成绩“”。如美国斯坦福大学采用7 2 面抛物镜形成3 6 路物光束，以实 现温度场的干涉测量；日本则采用1 6 - 2 4 路扩束光束来获取热物理量场的 信息；德国慕尼黑工业大学、汉诺威大学、法国国家燃烧实验室等用光学 测试方法测试了许多不同应用场合下的温度场并取得丰硕的成果。我国对 温度场的激光测试技术研究起步较晚“1 ，但也取得了丰硕的研究成果“3 1 “。 清华大学、华中科技大学及南京理工大学等在激光全息干涉技术、散斑技 术、相移技术、双激光同时测量温度场和浓度场技术。1 、光学的流动显示 技术等方面进行了大量的工作，取得了一定的进展。是度芳教授及肖旭东 等研究了轴对称的全息干涉相位测量和重建算法。黄素逸教授用激光全息 干涉法研究了圆管和椭圆管的自然对流，探讨了全息干涉同时测量温度场 和浓度场的问题。黄公瑜等用双曝光全息干涉法测量了柴油机燃油喷雾的 温度场和浓度场“”。谢明星和汪铸用双曝光激光全息干涉法测量了轴对称 火焰温度场。杨天亮和章燕谋用实时全息干涉法测量了二维温度场。翁中 杰应用双曝光全息干涉技术研究了空气自然对流和强制对流的温度场“”。 贺安之等在空气动力学领域应用干涉法作了大量的工作啪- 2 ”。在国内外的 全息干涉的试验的数据提取和处理方面“”1 ，受到实验方法和算法原理的 限制对数据处理的，精度的提高还需要做很多的工作。 在燃烧理论研究中，还有个迫在眉睫的问题就是环境问题。在我 国，大量煤炭的直接燃烧导致我国大气呈煤烟型污染，许多城市的总颗粒 悬浮物( t o t a ls u s p e n d e dp a r t i c l e s ，t s p ) 长期居高不下，与世界卫生组 织给出的空气质量标准相去甚运，在一定程度上制约了我国国民经济的可 持续发展碳氢火焰燃烧过程中产生的烟黑是大气环境中颗粒物污染物的 主要来源之一，烟黑排放的降低有赖于对不同条件下燃烧过程中其形成 j m 龇毯蟠魁山冠哑宜竺脚组筮这廑：玉签鎏鏖：冬签鎏匡：当量竖： 2 华中科技大学硕士学位论文 烟黑浓度等在空间的变化，扩散火焰中烟黑的形成和燃尽过程非常复杂， 还没有被透彻地了解。烟黑研究中普遍采用基于光学技术的诊断方法，主 要包括烟黑颗粒发射法、r a y l e i g h r a m a n 散射、相干反s t o k e s r a m a n 散 射( c a r s ) 、激光诱导白热法( l a s e r i n d u c e di n c a n d e s c e n c e ，l i i ) 、激 光诱导荧光法( l a s e r i n d u c e df l u o r e s c e n c e ，l i f ) 等等。其中 r a y l e i g h - r a m a n 散射与c a r s 需要大型的光学系统，并且只能提供点测量； 而以l i i 和l i f 为代表的激光检测方法则遇到了相同的准确标定绝对烟黑 容积份额的难题。以颗粒发射为基础，双色法在烟黑温度和容积份额检测 中获得了成功应用。火焰的发射率是烟黑容积份额的函数，由于火焰辐射 能是火焰温度和火焰发射率的函数，因此火焰辐射能是火焰温度和烟黑容 积份额的函数。借助于一只经过标定的钨带灯，在两个不同波长下检测火 焰的辐射信号，就可以同时求出火焰的温度和烟黑容积份额。但双色法检 测火焰温度和烟黑容积份额的研究多数还仅限于控制严格的均匀温度场 和烟黑容积份额分布火焰，没有面对非均匀火焰对象。对于非均匀火焰对 象，辐射c t 检测火焰温度分布的研究已开始考虑火焰吸收的影响，但对 直接影响吸收特性的烟黑容积份额空间多维分布检测的实验研究还少见 报道。对于均匀火焰，已报道应用辐射一透射法，即引入可调激光光源作 为发射源，沿同一路径联合测量同一波长下的辐射率和辐射强度，根据所 测得的数据，用多波长反演方法可以重建含烟黑火焰的温度分布。在理论 研究方面，采用辐射一透射法重建一维火焰温度的方法是由烟黑容积份额 决定的火焰吸收参数的分布，并且采用激光透射检测信息进行反演。因为 此种方法需要引入激光光源，检测系统比较复杂，对于锅炉炉膛、柴油发 动机等大型工业燃烧对象则无能为力。含烟黑火焰的烟黑容积份额分布和 温度分布的同时检测方法仍然需要开展深入的研究。这也是本文研究工作 的一部分。 1 2 温度场的激光全息干涉测量技术 由于激光技术的迅速发展，出现了许多有别于经典干涉法的新的干涉 一一_ 3 华中科技大学硕士学位论文 测量技术。不仅拓展了经典干涉的概念，产生了许多新的获取相干光的方 法，从以往的分振幅法( 迈克尔逊干涉) 和分波前法( 杨氏双缝干涉) 发 展到时间分割的方法，从而把经典干涉只能检测透明介质性能和光学表面 缺陷的一般测量推展到可以检测任何实际粗糙表面的形变、位移，以及流 场的诸多物理量的测量，使实现三维空问物理量的场分布瞬态测量成为可 能，为燃烧中热物理量的测量开辟了一个全新的领域。 全息干涉测量是以光的波动性为基础发展起来的新方法，相对于普通 干涉测量只是记录波长( 反映在底片上就是颜色) 和强度( 即振幅，反映 在底片上就是明暗程度) 来说，全息干涉测量还要记录物光的相位，就是 把物光的全部信息都记录下来。就是因为全息干涉测量能够同时记录物光 的相位和光强，而且不用透镜就能够得到物体的三维图像，因此在燃烧学、 传热传质学、流体力学和结构分析等等方面获得了越来越广泛的应用。 全息干涉法测量原理是在同一张全息记录介质上记录两个或两个以 上物光波的全息图，其中一个为位相物体未发生变化时的物光波全息图， 其余的为位相变化了的物光波全息图。再现时，如果它们的再现像满足相 干条件，即再现光波具有确定的振幅和位相分布，那么再现光波叠加后便 会发生干涉，产生稳定的干涉条纹。我们定义全息干涉计量为两个或两个 以上的光波的干涉比较，而这些波中至少有一个是全息再现波。形成的干 涉条纹称之为全息干涉图，借助于对干涉条纹的判读与记数，就可以确定 被测场的物理参数。 从上面原理的分析，可以明显看出全息干涉测量具有的独特优点。 1 记录的信息量大：激光全息图具有足够大的信息容量，从而有可能 以高的保真度记录和再现一个复杂的细节，因此全息干涉计量术不仅适合 测试透明物体，而且也适合测试三维漫反射物体。 2 从时间上进行振幅分割：普通光学干涉法都是将来自同一光源的 光束分成两束相干光束，印对光束进行空间分割，在时间上这两束相干光 仍是同时存在的。全息干涉法研究时间上相分离的两束相干光的干涉，它 一 采用空间同样的光在不同的时间将物体变化的信息记录在同一张全息干 一一 华中科技大学硕士学位论文 板上，然后使这些波前同时再现，发生干涉。时间分割的优点是相干光束 由同光学系统产生，因而可以消除系统误差，减低光学系统对光学器件 的精度要求，并方便了光学装置的安装、调试。 3 事件记录的永久性：激光全息计量技术是对同一物体在不同时刻 用干涉计量法进行比较，因而可以探测到物体在这段时间内所发生的任何 微小变化，其准确度可以达到光波波长的数量级。 全息干涉测量按记录方式的不同，可分为双曝光全息干涉法( 二次曝 光法) 、实时全息干涉法( 一次曝光法) 、时间平均全息干涉法( 连续曝光 法) 、双波长( 多波长) 全息干涉法、多次曝光干涉法、波前错位干涉法 及多通道全息干涉法等。在热物理参数测量中，使用较为普遍的是双曝光 全息干涉法、实时全息干涉法和双波长全息干涉法。 双曝光全息干涉法的基本原理是将初始物光波面与变化后的物光波面 相比较。在记录过程中， 对一张全息底片作两次 曝光。第一次记录初始物 光波的全息图，第二次记 录变化以后的物光波的 全息图。这两张全息图记 录在同一张底片上。记录 的顺序也可以颠倒。当照 反射镶 图1 1 双曝光( 实时) 全息干涉法测量光路 明光波再现时，可以再现出两个物光波面。这两个波面是相干的，由此可 以得到干涉条纹。图1 1 为双曝光全息干涉法的典型实验光路。从激光器 输出的光束经分束器后，分成两束。其中一束经扩束准直系统后成平行光 束通过测试段( 或位相物体) ，投射到全息记录介质上形成物光。另一束 经扩束一准直系统后成平行光束直接投射到全息记录介质上，形成参考光。 分别在实验段变化前后进行两次曝光，就可以得到一张双曝光的全息图。 经显影、定影处理后，即成全息照片。若将此全息照片重新置于该光路中 的原来位置，挡住物光束，仅让参考光束照明此全息图，即可对全息图进 5 华中科技大学硕士学位论文 行再现。在原物光的方向呈现出清晰的明暗相间的干涉条纹，称作全息干 涉图。可以利用图像获取设备( 如普通照相机、摄像机或数字相机、数字 摄像机等) 将干涉图记录下来。 双曝光全息干涉的数学描述( 以平面波为例) 为： 参考光波：r ( x ，y ) = 一，e 一的) ( 卜1 ) 初始物光波：o i = a 。e “9 ( 卜2 ) 位相物体变化后的物光波：0 2 = a o e 一k + 6 ，( ”】 ( 卜3 ) 其中a o ( x ，y ) 为位相物体状态变化引起的相位变化量。 第一次曝光光强分布： 1 1 g ，y ) = l r ( x ，y ) + o , 1 2 = a ；+ 4 ：+ r + x ，y ) o ix ，) + r g ，y ) c 可x ，y ) ( 1 4 ) 第二此曝光光强分布： 1 2 g ，y ) 二1 月g ，y ) 十o ：g ，y 】2 = a ；+ 鬈十r g ，y ) 0 2x ，y ) + r g ，y ) z g ，y ) ( 卜5 ) 在线性记录的条件下，全息图的振幅透射系数，与曝光量成正比。设两 次曝光时间分别为f l 和f ：，则两次曝光后全息图的振幅透射系数f 为： r r j a ：, + r 1 詹+ f 1 胄x ，y ) o i t ( x ，y ) = t o + 【f 山g ，y ) + r 2 1 2 ( x ，y ) 】= t o + i + l r g ，y ) ( 万+ 砭彤+ 乃衙i 【+ t 2 r + g ，施k 力+ 乃丑k y 胁k 刊 ( 卜6 ) 其中，t 。为未曝光时全息干板的透射系数，为全息感光度或综合系数。 当再次用原参考光波r 照明此全息图时，再现光波的复振幅g g ，y ) 为： g ，g ，y ) = r ( x ，y g ，y ) = r g ，j ，k + 尸q 群r g ，y ) + l 智r g ，_ y ) + 蜀群0 l + f l 胄：0 ，y ：胁+ 乃群r g ，y ) + f 2 智r g ，y ) + r 2 群o l g ，y ) + j 日砭r 2 g ，y ) ( 乃g ，y ) ( 卜7 ) 公式( 卜7 ) 中，第一、二、六项是再现光波矗0 ，y ) 经全息图后的零级 衍射光，即再现光波的直接透射光；第三、七项是晕轮光；第四、八项是 一 6 华中科技大学硕士学位论文 原始物像项；第五、九项是共轭像项。全息干涉图是两个再现原始物像干 涉的结果，其复振幅a ( x ，y ) 仅与第四、八项有关： 爿扛，少) = 屈e kd j + 2d 2 g ，j ，) 】 ( 卜8 ) 所以全息干涉图的光强分布为： 驯幽m 冲v 瞄蒜啪) ( 1 - 9 ) 将公式( 1 - 2 ) 和公式( 卜3 ) 代入公式( 卜9 ) ，有： ，g ，y ) = 2 爿? 名l ? + f ；+ 2 r 。r ：c o s a 以，y ) j ( 卜1 0 ) 根据公式( 1 - 1 0 ) ，有： 当妒g ，) 。2 历疗时，光强取极大值，。，呈亮条纹： ，。，= 2 一? 名( f ，+ 乃) 2 ( 1 1 1 ) 当妒0 ，y ) = ( 2 珊+ 1 k 时，光强取极小值，m m ，呈暗条纹： k = 2 4 名( f l 一2 ) 2 ( 卜1 2 ) 其中，m = 0 ，1 ，2 ，3 ， 实时全息干涉法又称为一次曝光全息干涉法，其原理是首先记录一张 位相物体未变化的物光波的标准波面的全息图。经显影定影处理后，将该 全息图准确复位于原来光路中所处的位置。然后将待测物体引入光路，用 位相变化后的被测物光波与原参考光同时照射该全息图，使直接透过全息 图的测量物光波与全息图所再现的原始物光波互相干涉，从而获得实时全 息图。依靠全息图上的干涉条纹的变化情况确定被测物理量。在热物理测 量技术中，实时全息干涉法适合测量由于密度、温度、湿度、压力变化所 引起的流体折射率的缓慢变化情况。实时全息干涉法的测量光路与图1 1 所示的双曝光测量光路相同。只是对于实验装置的要求比较高，对于图象 的后处理和计算机的要求也比较高，相对来说比双曝光方法的实现难度难 度大一些。 华中科技大学硕士学位论文 实时全息干涉法的数学描述( 设位相物体未变化时的初始物光波d l 和参考光波r ( 工，y ) 均为平面波) 为： 参考光波：r g ，y ) = 彳，p “( ) ( 卜1 3 ) 初始物光波：d l = a o e l 9 ( i 一1 4 ) 在线性记录的条件下，由上述参考光波矗0 ，y ) 和初始物光波q 所记录的全 息图振幅透过率f ( x ，y ) 为： ，g ，y ) = “+ f i 彳；+ 彳；+ d r g ，y ) + o ? r g ，y ) j ( 1 1 5 ) 式中，f 0 为未曝光时全息干板的透过率，f 为曝光时间，为全息感光度。 对于负片，卢为负值。令卢。= 一- f l ，则为正值。所以式( 卜1 5 ) 为： ，g ，y ) = c 一v o 。r g ，y ) 一声f o ? r g ，y ) ( 卜1 6 ) 式中，c = t 。一f l , f 恤；+ a ；) 。 实时观察时，用原参考光波r g ，y ) 与位相物体变化后的被测物光波 d 2 g ，) ，) 同时照射全息图。由于是位相物体，被测物光波0 2 g ，y ) 与原始物 光波a 具有相同的实振幅，因此被测物光波的复振幅0 2 0 ，少) 为： 0 2 ：以e - i k + 6 p ( ”m ( 卜1 7 ) 式中，妒g ，y ) 为位相物体变化对光束干扰所产生的附加位相差。 实时再现时，在r 和0 2 两光波的照射下，全息图衍射光波的复振幅为： g f g ，y ) = 陋g ，y ) + 0 1 0 ，y 皓g ，y ) 2 黪y ) 。- f c o ：( xy ) - 器友锔麓穷 ( 1 - 1 8 ) + 。 f 0 1 0 2 b ，y 皿b ，y ) 一砑伤g y 沁g ，y ) 上式中，第一、二、三项表示用参考光r 照明全息图时再现的零级和 正，负一级衍射像；第四、五、六项表示用被测物光波d ，照射全息图时再 现的零级和正，负一级衍射像。第二项和第四项代表了位相物体变化前后， 初始物光波d l 与被测物光波d 2 g ，y ) 的相互干涉项。它们形成的干涉条纹 即为实时全息干涉图。第二项和第四项叠加后的复振幅4 g ，y ) 为： “g ，y ) = 一谢；o i + c 0 2 ( x , y ) ( 1 1 9 ) 华中科技大学硕士学位论文 实时全息干涉图的光强分布为： i ( x ，y ) = 4 g ，y ) a + g ，y ) 。! 粼裟毖，y ) z 一c 矽砰四0 2 b ，y ) 一c 声刮? o l 四b ，j = 搿防2 r 2 a 4 , + c 2 + 2 c 声砰c o s ( 妒g ，j ，) 一万) 】 由式( 卜2 0 ) 可知，在观察视场中光强是按余弦规律变化，亦具有双 光束干涉的特点，但与两次曝光全息图的光强分布函数不同。实时全息干 涉图的光强分布仅与一次曝光时间r 有关。全息干涉条纹的形状取决于位 相物体变化前后两物光波的位相差函数a o ( x ，y ) 。 当妒g ，y ) = ( 2 m + 1 ) z 时，光强呈极大值： 一= 彳。别c ， ( 卜2 1 ) 当矽b ，) = 2 m z 时，光强呈极小值： k = 名r d ；一c r ( 卜2 2 ) 式中，m = o ，1 ，2 ，3 。 双波长全息干涉法的基本原理是分别使用两种不同波长厶，和厶：的 激光器作为全息照相的光源， 借助于双曝光全息干涉技术 分别拍摄两张全息干涉图像。 由此求得相应的条纹位移量 码和m ，。利用这一方法，可 以同时测量混合气体的浓度 分布和温度分布。对于同时具 有浓度分布和温度分布的混 合气体流场而言，折射率的差 值用单波长全息图只能确定 一个条纹位移量m 。显然，仅 有一个方程是无法确定混合 倍赣 的遁射光 再现的j 再现的 l 全息豳 ( 协 图1 2 双波长激光全息干涉系统 ( a ) 记录光路：( b ) 再现光路 9 华中科技大学硕士学位论文 者用其他的辅助测量手段测量出温度场和浓度场中的一个时，才能够从全 息图上反演出另一个场。但是这一种方法在没有较为精确的方法下会对测 量结果有较大的影响，这时候在实验装置允许的条件下就能够很好的解决 这个问题。双波长的全息干涉法在原理上和单波长的全息干涉法是一样 的，但是在测量的时候利用了折射率随光的波长的不同而变化的特性，借 助于两台产生不同波长的激光器在同一时刻对被测场拍摄两张独立的全 息干涉图，由此正确的反演出被测的温度场和浓度场。 1 3 温度场全息干涉光学层析( c t ) 技术原理 目前针对透明介质不同的被测对象已发展了多种测量方法，如散射测 量技术：包括激光多普勒测速法( l d v ) ，相反斯托克斯，喇曼光谱技术 ( c a r s ) ，荧光法，瑞利散射和喇曼散射法等；相位测量技术：包括光束 偏转测量( 如阴影照相、纹影照相) ，干涉法和全息法等；此外还有吸收 测量技术等。所有这些技术都克服了干扰原场的缺点。然而，它们在实际 的测量中都有不同的局限性，l d v 和c a r s 技术只能实现有限数量的点测量： 光束偏转法简单，不需要条纹记数，减小了数据的模糊性，适合光纤一类 固体介质。荧光法、瑞利散射和喇曼散射法无法实现三维测量。相位测量 技术( 干涉法和全息法) 可实现一维和二维的积分测量，同时可采用多光 束一次测量，其数据采集时间短，可实现快速测量，提高时间分辨率，特 别适合火焰及流体等波动较大的 对象。因此，在全息干涉测量技 术的基础上发展起来的光学层析 测量技术，通过对多方向的积分 测量和图像重建和再现过程，就 能够实现三维温度场的分布的瞬 态测量。 全息干涉光学层析技术是 建立在激光全息干涉测量和计算 l( l 。) 荔豫，二 图1 3 雷当变化 1 0 华中科技大学硕士学位论文 机数据处理及图像显示基础之上的项新技术，它由医学c t 技术即x 射 线麟层扫描计算机成像技术发展面来。流场的激光全息千涉测量主鬻是采 熙懿疆灸绍豹全息予涉测量技术，在获得流场不同视角乎涉图的基础上， 把滚炀分藏一缀平移豹截瑟，根揠务于涉数攫，由计算机分别处理不同戳 瑟懿流场参数势布。嚣簿，层辑干涉技术已广泛她慰用于滚场、温度场的 测萤中。 光学层析( c t ) 算法首先是由( r a d o n ) 予1 9 1 7 年完成静，螽久称之为 霄当变换。如图1 3 所示的谱当变换关系知道，厢极坐标( r ，奶代替赢角艇 标( 矗y ) ，工= r c o s q ，y = r s i n o ，妒= t g 一( y x ) ，在x o y 平面内，某被测物理 攫f ( r ，炉) 沿童线l 的积分公式为： p ( t ，矽) = e 厂( 撕疗+ t g 。碍) 西( 1 - 2 3 ) 记势f 9 溯g ，彩，它是f ( r ，彩在0 方魍上浆投影，称为函数f ( r ，妒) 的嚣当变 换。箕露当反交挟蹿。稿以彩为： 嘲锁删，杀端 。曲 麒( f ，：o p ( t , a ) 铁瑗论土漭，只要采样投影闫蕊无双，i 、，能终刭所鸯翅摇积分测量豹 投影值，通过重建算法就能精确得到坜分布f ( r ，。 采用全息干涉光学层析避行温度场测量一般由三步缀成：温度场的激 光全息测量、测量数据的提取、温度场的重建。 温度场的全息干涉层析测量是通过穿过被测场的物光束与参考光束相 于涉以德到予涉条纹，进而获取物光束的位相的变化量。该位相的交化艇 胃转化为对应的光线上被测场携折射率沿光线方向的线积分值( 投影) 。 磐手在菇学e l 蒸稿土发展越来鹣光c t 蘩建簿法簧要多方囊投影数攒，雕 诧在溺蠢过程串需簧对被瓣场进行多方像扫绉。翠期豹磷究者多采鬟多光 鼯测量系统。该方法的缺点楚溺藿免龉复杂髓调整困难，投资离，一般为 温度场的扫描测量以满足层析重建的要求，我国的研究人员相继研究开发 了光路旋转测量系统、测量对象旋转测量系统和位相光栅加漫射照明测量 系统，并在各自的研究中取得了满意的结果。目前的扫描方式一般有四种： ( 1 ) 多光路扫描；( 2 ) 测量系统旋转扫描；( 3 ) 被测对象旋转扫描；( 4 ) 采用位相光栅产生的多级衍射光扫描。方式( 1 ) 由于光路数太多，致使 测量光路复杂，设备昂贵且加大了光学噪声，实用性受到了限制。方式( 2 ) 和方式( 3 ) 由于在各测量视角间存在时间上的滞后，因而只能对稳态和 准稳态温度场进行测量，而且方式( 3 ) 由于被测对象的旋转还可能引起 温度场性质的改变，所以这两种测量方式的使用范围有一定的限制。方式 ( 4 ) 光路简单且能实现对瞬态场的测量，是一种较理想的测量方式，但 因多级衍射光的强度较弱，其干涉条纹的获取有一定难度。 全息干涉层析测温技术中的另一个关键问题是测量数据的获取问题， 即测量结果的存储闯题。激光全息干涉术是建立在以干涉条纹的形式表示 被测物体的有关信息上的，因此从条纹图中提取这些信息是定量分析的关 键，此步工作称为数据采集和处理( 测量数据的提取) ，在光学测量中占 有重要地位。测量数据的提取包含全息干涉图的存储和投影值的提取两方 面的内容。传统的干涉图的存储是利用光化学记录介质，如全息干板。这 种方法的缺点是全息图的记录和处理需要暗室，使用范围受到一定限制。 随着计算机和图像处理技术的发展，为了实现实时动态测量和便于利用计 算机对干涉图像进行处理，利用电荷耦合器件( c c d 摄像机) 和计算机直 接记录全息图的方式已被广泛采用。但是因为这种记录方式测量的是能量 信号的变化，其测量精度比全息干板低。在本实验室，以全息干板作为记 录介质，采用激光实时全息干涉测量技术对不同研究领域内的对象作了测 量，获得了满意的效果。从原理上讲，全息干板和实时干涉测量技术的组 合是可以实现对瞬态量的实时测量的。投影值的提取技术也正由原来的全 手工处理向计算辅助处理发展，由单一的对干涉图进行处理发展到采用外 差技术、相位测量技术来获取干涉图上各点的相位。在早期的测量中大多 华中科技大学硕士学位论文 = = ；= # _ 目目目= # = j _ _ _ 目i ；= ；自# = ；= = 自= 口 采用全息干板获取干涉条纹，然后拍成照片，再进行后期的处理和判读。 此种方式的最大缺点是决无实现实时动态测量的可能。随着c c d 镜头的出 现及计算机技术的发展，以c c d 镜头替代传统的全息干板的测量方式越来 越多的被采用。该种数据获取方式配以计算机及相应的配套设施可实现温 度场的实时测量。但由于c c d 镜头测量的是测试光线能量的变化，其测量 精度比全息干板低一个数量级。 读取干涉条纹位移量的最简单的方法是借助幻灯机或放大机，在放大 了的干涉图上直接测量条纹位移量。但这种方法的精度与放大比例有关， 且费时。为了提高测量精度，常使用专用仪器，如显微仪、测微仪、轮廓 投影仪、显微密度仪等。总体来说采用手工分析干涉条纹不仅处理效率低， 而且当测点很多时，不仅在分析精度上无法保证，有时甚至是不可能的。 在层析术的应用中就是这样。基于以上原因及计算机技术的发展，借助于 计算机的条纹自动分析系统逐步发展起来，并已应用于实际测量中。干涉 条纹的计算机处理一般分为以下四个步骤：1 噪声处理，由于试验和摄影 中诸多因素的干扰，全息图带有些无用的信号和噪声，所以在进行图象 处理时首先进行噪声处理；2 模式平滑，模式平滑过程是填补条纹上的空 洞或删除条纹上的“毛刺”。模式平滑过程是由两个子过程组成。3 条纹 细化，为了提取干涉条纹扰动后的位移量，必须把条纹进行细化，这样才 能提高条纹位移量的判读精度。所谓细化就是对具有一定宽度的图线进行 近似处理，求出宽度为一个像素的中心线。在干涉条纹细化中，即为求出 代表条纹走向的中心线。4 条纹模式识别，细化后的条纹不太规则，并存 在许多分枝，为了得到正确的计算结果必须保留干涉条纹，并删除条纹上 的分枝。 光c t 技术测量温度场的第三步是被测场的重建。应用光c t 技术测量 温度场的重建算法是由医学c t 发展起来的。因为医学c t 仅需分辨出肌肉、 骨骼和肿瘤等不同组成部分，且这些部分的密度相差很大，所以医学c t 的重建不是严格意义上的定量计算。而且医学c t 更多注重重建的效率， 以减少辐射对人体的伤害。对被测场每一点的密度值的具体数值并不要求 华中科技大学硕士学位论文 l j _ i _ _ i i i l l l i i n 目_ _ _ t e = ；= l 自j t ；- t = j j - ；l _ 非常准确。对迭代收敛的条件、基函数的选取及最优化准则的确定等问题 的研究较少。应用光c t 测量温度场时的重建与医学c t 的重建有着很大区 别。温度场的重建不但要求高的重建效率，而且需要精确地计算出每一点 的折射率值。因此对于温度场的重建必须根据其特点对原有的医学c t 的 重建算法进行改进完善，以形成合理、实用的温度场重建算法。但是算法 的有效性和重建精度强烈依赖测量数据的质量和射线的几何布置。通常各 种文献对重建问题的分析并不完全一致。因而，为了能够分析重建在待研 究范围内的精度，常采用试验函数来进行重建研究，投影数据通过线积分 得到。随着层析干涉技术在自然科学研究中应用的增加，重建算法也不断 改进，这一点对“有限角”重建更为重要。因此，对于特定的“有限角” 阔题，通常采用先选择合适的重建方法，加以改进，并用试验函数建立数 学物理模型，研究投影视角数，投影视角大小、采样密度与重建质量的 关系，进而确定测量光路布置，进行热物理量的测量。 三维层析干涉重建方法按干涉数据的获取类型可分为“完全数据法” 和“非完全数据法”，根据所研究流场的条件又有强折射和弱折射之分。“完 全数据法”是指在1 8 0 。范围内采集投影数据，且流场中没有不透明模型 ( 物体) ：“非完全数据法”有两个含义：一是指观察角小于1 8 0 。，即观察 角有限，二是指流场中存在不透明模型( 物体) 。 基于数学分析的不同，c t 的