（机械电子工程专业论文）激光全息干涉法测量液相扩散系数及图像处理研究.pdf

摘要摘要随着图像处理技术的飞速发展以及应用范围越来越广泛，数字图像处理技术正在向更高质量发展，鎏像处理算法更加优化，图像处理速度更加快速，同时应周到其它学科解决实际问题是数字图像处理技术的最终目标。随着化工传质过程研究的逐渐深入以及其应用领域的不断扩展，浓度分布、扩散系数、传质系数等实验数据在研究传质过程、计算传质速率及化工设计与开发中成为极其重要的因素。激光全患干涉法具有菲接触测量、灵敏度离、信息量大、精度高等优点，将数字图像处理技术与其结合起来，本文建立了基于图像处理的液相质扩散系数测定的实验系统，通过对传质过程的全息干涉图像进行数字图像处理，计算得出所测定的实验数据。在查阙大量文献款基础上，对质扩散系数的理论研究方法、实验研究方法及数字全息激光干涉法在质扩散系数测量中的应用进行了综述，确定了使用数字全息激光干涉法测量质扩散系数。设计并搭建了激光全息干涉法测量液相质扩散系数的实验台。在建立数字图像实时全息干涉法溅量液相质扩散系数实验台光路系统的基础上，教善了数字全息干涉图像的质量，增强了实验系统工作稳定性，提高了实验系统的精度。根据全息干涉图像的特点，采用了图像增强、全息干涉条纹图再现及相位展开等数字图像处理过程的关键技术对全息干涉图进行处理，全息干涉图像处理的关键在于相位展开过程，本文采用了基于离散泊松方程解的相位展开方法，得到了相位展开后物光相位差，经换算后获得了该溶液的质扩散系数。利用本实验系统完成了对k c l 水溶液和蔗糖水溶液在2 9 5 1 5 k 下的质扩散系数与文献值相比验证了实验系统的可靠性，为化工工程上研究替代制冷荆急需的质扩散系数测量提供了一个有效的方法。关键词：嚣豫处理；液桷扩散系数；数字全息激光于涉法；全息于涉图像a b s t r a c tt h ei m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yh a v eb e e na p p l i e dt om o r e a n dm o r ef i e l d s 弱w e l la si ti sd e v e l o p i n gr a p i d l y d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi sd e v e l o p i n gt o w a r d sh i g hp r o c e s s i n gq u a l i t y , i t sa l g o r i t h m sh a v eb e e no p t i m i z e d ，i t ss p e e dh a v eb e e nh i g h e r , a n di ti su l t i m a t eo b j e c t i v et os o l v ep r a c t i c a lp r o b l e m st ob ea p p l i e dt oo t h e rs u b j e c t s w i t ht h em a s st r a n s f e rp r o c e s sr e s e a r c hi nc h e m i c a le n g i n e e r i n gg r a d u a l l yd e e p e n e da n di t sa p p l i c a t i o nf i e l de x p a n d e d ，c o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o n ，d i f f u s i o nc o e f f i c i e n ta n dm a s st r a n s f e rc o e f f i c i e n th a v eb e c o m et h ee x t r e m e l yi m p o r t a n tf a c t o r sa sw e l la st h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n ti nc h e m i c a le n g i n e e r i n g l a s e rh o l o g r a p h i ci n t e r f e r o m e t r ym e t h o dh a ss o m ea d v a n t a g es u c ha sn o n -c o n t a c tm e a s u r e ，h i 曲s e n s i t i v i t y , m o r ei n f o r m a t i o n ，h i l g hp r e c i s i o na n ds oo n a s s o c i a t i n g诚t ht h i sm e t h o d ，am e a s u r es y s t e mi nm a s st r a n s f e rp r o c e s si se s t a b l i s h e db a s e do nt h ei m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y b a s e do nam u l t i t u d eo fl i t e r a t u r e ，t h ep a p e rr e v i e w e dt h a tt h et h e o r yr e s e a r c ht e c h n i q u ea n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ht e c h n i q u eo ft h ed i f f u s i o nc o e f f i c i e n t s ，a n dd i g i t a li m a g eh o l o g r a p h i ci n t e r f e r o m e t r yw a su s e di nt h em e a s u r e m e n to fl i q u i dm a s sd i f f u s i o nc o e f f i c i e n t s ，s ow ee m p l o y e dd i g i t a li m a g eh o l o g r a p h i ci n t e r f e r o m e t r ym e a s u r e m e n to fl i q u i dm a s sd i f f u s i o nc o e f f i c i e n t s a ne x p e r i m e n t a lo p t i c a ls y s t e mb a s e do nd i g i t a li m a g eh o l o g r a p h i ci n t e r f e r o m e t r ym e a s u r e m e n to fl i q u i dm a s sd i f f u s i o nc o e 伍c i e n t sw a sd e s i g n e da n dc o n s t r u c t e d b a s e do nt h ee s t a b l i s h m e n to ft h er e a l t i m ed i g i t a li m a g eh o l o g r a p h i ci n t e r f e r o m e t r ym e a s u r e m e n to fl i q u i dm a s sd i f f u s i o nc o e f f i c i e n t sb e a mp a t he x p e r i m e n t a ls y s t e m ，i m p r o v et h eq u a l i t yo ft h ed i g i t a lh o l o g r a p h i ci n t e r f e r o m e t r yi m a g e ，e n h a n c et h es t a b i l i t yo ft h ee x p e r i m e n t a ls y s t e ma n di m p r o v et h ea c c u r a c yo ft h ee x p e r i m e n t a ls y s t e m a c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i c so ft h ei n t e r f e r o g r a m s ，e m p l o y i n gs u c hk e yt e c h n i q u e so fd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n ga st h ei m a g ee n h a n c i n g ，t h ei n t e r f e r e n c ef r i n g e sr e b u i l d i n ga n dt h ep h a s eu n w r a p p i n gt op r o c e s st h ei n t e r f e r o g r a m s ，a n dt h ek e yt ot h ei m a g ep r o c e s s i n gi st h ep h a s eu n w r a p p i n g ，t h ep h a s eu n w r a p p i n ga l g o r i t h mb a s e do nt h es o l u t i o no fd i s c r e t ep o i s s o ne q u a t i o ni sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r , t h ep h a s ed i f f e r e n c ew a so b t a i n e d ，a n dt h e r e f o r et h em a s sd i f f u s i o nc o e f f i c i e n t so fk c la q u e o u ss o l u t i o nw a sa l s og a i n e db yc o n v e r s i o n n em a s sd i f f u s i o ne o e f f i c i e n t so fk c la q u e o u ss o l u t i o na n ds a c c h a r o s ea q u e o u ss o l u t i o na tt e m p e r a t u r e2 9 5 15 kw e r em e a s u r e dt ov e r i f yt h ea c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t yo ft h es y s t e mb yc o m p a r e dw i t ht h ed a t af r o ml i t e r a t u r e ，i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tt h es y s t e mc a np r o v i d ea ne f f e c t i v em e t h o df o rm e a s u r i n gt h em a s sd i f f u s i o nc o e 伍c i e n to fn e wr e f r i g e r a n t s ，w h i c hi su r g e n t l yr e q u i r e di nc h e m i c a le n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n k e y w o r dli m a g ep r o c e s s i n gil i q u i dd i f f u s i o nc o e f f i c i e n t ；d i g i t a li m a g eh o l o g r a p h i ci n t e r f e r o m e t e r珏大连交通大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得太整銮通太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任。学位论文作者签名：徐娟日期：刃咿g 年f 0 月f 多日大连交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解太董塞遭太堂有关保护知识产权及保留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属太董塞通塞堂，本人保证毕业离校后，发表或使用论文工作成果时署名单位仍然为盘蓬交通太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查阅和借阅。本人授权太整塞通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论、又。( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定)靴敝懈张涂翅导师签名乏魉石勿日期：触g 年胗月侈日日期：刃眙年肛月歹日学位论文作者毕业后去向：工作单位：副敉荦尔充电：姒研覆 通讯地址：勇蝴花潮币匆l 惰猹电子信箱：电话：d 笏弓一乡口2 2 陟乡邮编：舛啦第一章绪论第一章绪论1 1 图像处理技术与数字全息术的概述数字图像处理是一门迅速发展的学科，应用领域极为广泛。“图 是物体透射光或反射光的分布，“像 是人的视觉系统对图的接收在大脑中形成的印象或认识，图像是两者的结合，即是对客观存在的物体的一种相似性的生动模拟或者描述。它是用各种观测系统以不同形式和手段观测客观世界而获得的，可以直接或间接作用于人眼并进而产生视觉的实体。图像处理就是对这些图像信息进行加工处理，以满足人的视觉心理和实际应用的需要。简单的说，数字图像处理是指利用计算机对图像信息进行各种加工和处理，其目的是在计算机上实现和强化人的视觉以及对视觉信息的加工处理能力【l j 。数字图像处理按处理方法主要有以下三类：图像到图像的处理，图像到数据的处理和数据到图像的处理。其中，图像到图像的处理输入和输出均为图像，处理技术主要有图像增强、图像复原和图像编码；图像到数据的处理，其输入为图像，输出为数据，即输出为输入图像所含的特征信息数据，处理技术主要包括图像分割、图像识别、特征提取等：而从数据到图像的处理，其输入为数据，输出为图像，是对图像的重建。气一液、液一液等之间传质在化工过程中普遍存在，液相扩散在研究传质过程、计算传质速率和化工设计与发展中起着非常重要的作用，传质过程的浓度、液相质扩散系数以及传质系数往往是单元操作及反应设计的关键【2 j 。因此，对于传质过程的研究有着非常重要的实际意义。近年来，随着生物化工、环境污染控制以及同位素分离的兴起与发展，液相质扩散系数的研究与应用领域也在不断扩展。由于液体结构十分复杂，分子堆积密度较大，分子间平均距离远比气体分子小，又不及固体那样有规律地排列，分子总处在较强相互作用的范围内，所以有关气一液、液一液等之间传质及扩散方面的测量和理论描述远比气体及固体困难，实验数据相当缺乏，目前尚不能找到一种根据研究体系的基本数据及物理性质来测量液相质扩散系数的理想方法。随着图像处理技术的飞速发展，与其它学科交叉结合的应用范围越来越广泛，已经涉及到航空航天、工业、农业、生物医学工程、国防以及文化艺术等各个领域，如卫星遥感技术、t c 技术、工业焊接机器人、指纹识别以及运动员动作分析等。数字图像处理技术正在向更高质量发展，图像处理算法更加优化，图像处理速度更加快速，处理后的图像清晰度更高，实现图像的智能生成、分析、处理、识别，同时应用到其它学科解决实际问题是数字图像处理的最终目标。与此同时，随着对传质过程研究的逐渐深入，在激光全息干涉技术具有非接触测量、灵敏度高、信息量大等优点的基础大连交通大学工学硕十学位论文上，将数字图像处理技术应用于全息激光干涉测量系统中，通过对激光全息干涉系统所得干涉图像进行数字采集，利用测定系统软件进行图像处理与分析，计算得出所测定的实验参数。这使得原本繁琐的全息干涉图像判读过程简单化，智能化，极大地节省了处理数据的时间，提高了测定结果的精度。1 2 液相扩散系数的测定方法相界面两侧浓度场的分布规律是建立传质过程实验参数模型的重要依据【3 1 。各类有关传质过程实验参数的关联式都是以实验数据为依据的，所以实验方法是研究液相扩散系数1 4 j 和传质系数的重要部分。常用的测定方法有：光干涉法、膜池法、t a y l o r 分散法、激光荧光法等【5 】。光干涉法是近五十年来发展起来的一种方法，其优点为快速准确，能够直接测定扩散系数的绝对值，但对实验设备要求较高。其原理是：当扩散槽中发生折射时，浓度变化导致各处的折射率也不同。入射光入射时，产生干涉条纹，计算其特征尺寸得扩散系数。全息干涉是将全息摄影技术应用在经典干涉中，其原理是在全息干版上记录两个不同时刻的干涉条纹，然后进行叠加，产生一组新的条纹，由条纹就可以计算扩散系数。根据具体的方法不同，全息干涉法又可分为两次曝光法和实时全息干涉法。膜池法是一种经典方法，n o r t h r o p 和a n s o n 最早提出测定传质过程液相分子扩散系数的膜池法。该法操作简单，对设备要求也不高，且测定准确，至今仍是一种比较常用的方法，其缺点是操作时间长。它的基本方法是：不同浓度的溶液通过一个微孔膜进行分子扩散，过程可看作是稳态的。这样经过一段时间后，测定膜两侧的浓度变化，结合f i c k 第一定律，就可求得传质过程扩散系数。这种方法最早用于测量红蛋白分子扩散，当时存在膜内微孔较大、有主体流动、且在膜两侧表面上存在一层极薄的滞留层等缺点，影响了测量的准确性，为此，许多人对它进行了改进。s o k e s 6 1 作出了很大的贡献，他设计了一个磁力搅拌装置，较好的消除了膜面的滞留层。为了适应在较高温度( 近沸点) 下测定，s a n n i 和h u t c h i s o n 设计了一种三室膜池法。c h d s t o p h c r 7 j 对三室膜池法进行了改进。在高温测量这一点上，膜池法优于光学法。张建侯【引、陈锦文( 9 j 、及杨晓宁f l o j 均以金属膜代替玻璃烧结膜测定二元有机物系液相扩散系数取得了成功。金属膜强度高，有效扩散面积大，对一般物系，测定时间可由l 3 天缩短为约两小时。陈锦文【j 将扩散池上、下室设计为半球面，把具有恒定浓度的溶液连续流过膜池下室，将测定时间进一步缩短为一小时。膜池法还可用放射性或非放射性同位素来进行自扩散的研究。t a y l o r 分散法是从五十年代开始出现的，但直到七十年代才真正用于扩散系数的测定。该法是使溶剂在一根细长管中流动，再将溶质注入，测量流动相中溶质的浓度分布，进而由t a y l o r 导出的计算公式计算扩散系数。t a y l o r 分散法需要一根很长的内2第一章绪论表面非常光滑的毛细管，实验中不容易做到。其优点为测定速度快，操作方便，且可在高温高压下操作l 6 j 。a s h e r ( 1 9 8 9 ) 等用激光荧光法测定了气液传质搅拌池里近界面液相内的浓度分布情况，这种方法近来被广泛应用于液相浓度分布测量中。但是此方法有其自身的局限性，即需要引入第三方物质，将会影响测量精度，还有就是需要被测物系不与荧光剂反应。w o l f f 等用微型电极探针( m i c r o e l e c t r o d e ) 测量了氧气在浓度边界层内的分布，求得了平均传质系数。这个方法虽然不会引入新的物质，但是探针会扰动传质体系，所以会对测量造成误差，测量精度很低【7 j 。除了上述方法之外，还有以下几种方法：放射性同位素法、光散射法、电导法、离心法、毛细管法。其中放射性同位素法主要用于自扩散系数的测量，光散射法尤其适用于测量高分子溶液，后几种方法则已不太常用。1 3 数字全息干涉图像的数字化处理系统本文提出了一种将数字图像处理技术与光干涉法相结合、基于图像处理技术的测量液相质扩散系数方法。此方法通过数字图像处理系统对光干涉法所得的全息干涉图像进行数字化处理，获取相关的数据信息，通过质扩散系数的计算公式计算得出液相质扩散系数。最后测量出浓度为0 3 3 m o l l k c l 水溶液在2 9 8 1 5 k 下的扩散系数，验证实验方法的准确性和可靠性，为化工工程上研究替代制冷剂急需的质扩散系数测量提供了有效的方法。本系统结构原理图如图1 1 所示：图1 1 数孚全恩干涉法测量液相质扩散系数图像处理系统的结构f i g 1 1s t r u c t u r eo fi n v e s t i g a t i o no nh o l o g r a p h i ci n t e r f e m m e w ym e a s u r e m e n to fl i q u i dm a s sd i f f u s i o nc o e f f i c i e n to fd i g i t a lp r o c e s s i n gs y s t e m本实验系统包括干涉法成像系统和图像采集处理系统，图像采集与处理系统由四部分组成：c c d 传感器、图像采集卡、计算机、测定系统软件。系统的工作流程图如图1 2 所示，首先通过全息干涉法得到的全息干涉图像，经由c c d 传感器接收，然后图像采集卡将c c d 传感器所得图像采集到计算机中，计算机通过图像采集和处理程序将所大连交通大学工学硕士学位论文得图像存储劳进行分橱和处理，褥到含有浓度等相关信息的图像数据，最屠盘数据处理程序进行计算得出液相质扩散系数。图1 2 数字全息干涉图像处理流程图f i g 1 ，2f l o wp r o c e s s c h a r to f t h ed i g i t a lh o l o g r a p h i ci n t e r f e r o m e t r yi m a g ep r o c e s s i n g1 3 1c c d 传感器在数字全息干涉图像的数字化处理系统中使用的c c d 传感器是一种半导体装置嘲，能够把光学影像转化为数字信号。c c d 上植入的微小光敏物质称作像素。一块c c d 上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。c c d 的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号。c c d 在摄像机、数码相机和扫描仪中应用广泛，只不过摄像机中使用的是点阵c c d ，帮包括x 、y 两个方囱耀于摄取平面图像，而扫描仪中使用的是线性c c d ，它只有x 一个方向，y 方向扫描由扫描仪的机械装置来完成。c c d 使耀一种高感光度的半导体材料铡成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闲速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。c c d 嘲许多感光单位组成，通常以百万像素力单位。当c c d 表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅宪整的画面。衡量c c d 好坏的指标很多，有像素数量，c c d 尺寸，灵敏度，信噪比等，其中像素数以及c c d 尺寸是重要的指标。像素数是指c c d 上感光元件的数量。摄像机拍摄的画面可以理解为由很多个小的点组成，每个点就是一个像素。显然，像素数越多，画面就会越清晰，如果c c d 没有足够的像素的话，拍摄出来的画面的清晰度就会大受影响，因此，理论上c c d 的像素数量应该越多越好。但c c d 像素数的增加会使制造成本以及成品率下降，丽且在现行电视标准下，像素数增加到某一数量后，再增加对拍摄画面清晰度的提高效果变得不明显，因此，一般一百4第一章绪论万左右的像素数对一般的使用已经足够了。用c c d 传感器记录含有物质浓度变化信息的全息干涉条纹，通过图像采集卡将c c d 所得图像采集并存储在计算机中，最后由测定系统软件进行处理，计算得出液相质扩散系数。1 3 2m a t l a b 在图像处理中的应用当我们进行程序设计的时候，特别是当程序涉及到矩阵运算或绘图时，程序的编写过程是十分复杂的，尤其是当我们编写出一个通用程度较高的程序时就更加麻烦。它不仅要求我们深刻了解所要求解的问题，找到一个可靠性较好的算法，还必须研究各种可能的边界条件，特别是要考虑各种范围的数据大小等。另外，还要熟练掌握所使用的计算机语言。既便如此，所编写出的程序仍有可能会由于这样或那样的原因出错，或得不到满意的结果。因此，对于非计算机专业的科研和教学人员，更渴望有一种能让他们省事省力就能编写出解决专业问题的软件，从而避免资源浪费，提高工作效率。m a t l a b 顺应这一要求产生，并很快地在各个领域得到推广。m a t l a b 语言【9 , 1 0 是基于矩阵数组的高级语言，它包括流程控制语言、函数、数据结构和输入输出等，它还具有面向对象编程的特点：它既适合编写小巧玲珑三维程序，也适合于开发复杂的大型应用程序；m a t l a b 工作环境集成了一系列的工具和应用，方便用户管理环境变量，输入输出数据，开发、管理、调试用户自己的m 一文件以及m a t l a b 的应用程序；图形处理既包括二维和三维的数据可视化、图像处理、动画等高层指令，也包括低层的绘图指令，允许用户为应用程序设计自己的用户图形界面：m a t l a b 数学函数库包括数量庞大的计算函数，从简单的基本函数到复杂的矩阵求逆，矩阵的特征性，贝赛尔函数和快速傅里叶变换等。m a t l a b 应用程序界面是一组动态的库函数，使得用户在自己的c 和f o r t r a n 程序中可以和m a t l a b 交互，调用m a t l a b 的动态链接库作计算。m a t l a b 软件包括基本部分和专业扩展部分。基本部分包括：矩阵的运算和各种变换、代数和超越方程的求解、数据处理和傅里叶变换、数值积分等等。专业扩展部分称为工具箱。它实际上是用m a t l a b 的基本语句编程的各种子程序集，用于解决某一方面的专门问题，或实现某一类的新算法。易扩散性是m a t l a b 最重要的特点，每一个m a t l a b 用户都可以成为对其有贡献的人。在m a t l a b 的发展过程中，许多科学家、数学家、工程技术人员用它开发了一些新的、有价值的应用程序，所有的程序完全不需要使用低层代码来编写。通过这些工作，已经发展起来的工具箱有控制系统、信号处理、图像处理、系统辨识、模糊集合、神经元网络、小波分析等2 0 余个。如果使用大连交通大学t 学硕士学位论文_ | 目= 2 = g 盲目e | _ _ e i 目j e | l _ _ j e j e l e = e = = 目g ! ! = = = ! = j = = = = | 目= 目= ! ! l 目目自e 自! = = = = = = ! = = i 目i e 目自= _ e g 目lm a t l a b 来开发光学方面的应用程序，在不久的将来，也可能出现专门来解决光学问题的工具箱。本章小结全息干涉法对研究本课题的核心工作就是通过对激光全息干涉法得到的全息干涉图像进行数字化处理，建立基于图像处理技术 h , 1 2 i 的液相质扩散系数的计算机直接测定系统。具体工作包括：1 、建立激光全息干涉法测量液相质扩散系数的实验系统，包括实验装置的安装、调试和改进，改善全息干涉条纹图的图像质量，提高实验系统的稳定性。2 、根据全息图像的特点和实际处理的效果选择最合适的图像处理算法，本实验中在数据图像处理中，经过不断的尝试，采用了图像增强、全息干涉条纹图再现及相位展开等数字图像处理过程的关键技术对全息干涉图进行处理，得到了相位展开后物光相位差，经换算后获得了溶液的质扩散系数。3 、为了验证实验系统的精确性和稳定性，通过本实验系统得到了o 3 3 m o l i k c l水溶液在2 9 8 1 5 k 下质扩散系数，这是被广泛研究并被作为质扩散系数测量标准的体系。为进一步验证系统的精确性和稳定性，测量了浓度为o 1 0 m 0 1 l - j 的蔗糖水溶液在温度分别为2 8 8 1 k ，2 9 8 3k ，3 0 3 3 k ，3 1 3 2 k 和3 3 3 5 k 条件下的质扩散系数。论文共分五章，具体安排如下；第一章简单介绍了论文产生的背景，引出论文的主题，并对论文的工作安排做出了介绍。第二章详细阐述了光学波前的数字描述、光的干涉和光学全息的记录与再现的理论知识，介绍了数字全息术的原理，同时，就数字全息术中c c d 有限分辨率对记录条件的限制也作了详尽的论述。第三章介绍了激光全息干涉法测量液相质扩散系数的基本原理，简单推导出了质扩散系数计算公式，在自行设计新型扩散槽、循环水域温度调节系统的基础上，搭建了数字图像全息干涉法液相质扩散系数测量实验台。详细介绍了实验系统的组成、实验步骤以及实验过程中的注意事项。第四章归纳和总结了普通的图像预处理方法，指出了它们的优缺点：讨论了高斯低通滤波器的边界效应，利用零阶开环高斯滤波算法，对高斯低通滤波进行了改进，使滤波图像在图像大小不改变的情况下，边缘处的滤波效果得到明显的改善；对干涉图像处理中用到的旋滤波算法作了研究分析，在其算法中加入了低通滤波，抑制噪声，并且结合对低通滤波的改进，显著地提高了方位图求取的准确性，提高了旋滤波算法处理图像的精度。6第一章绪论第五章详细介绍了数字全息干涉法测量液相质扩散系数的数字图像处理过程，检验了实验系统的准确性，得到了k c l 水溶液和蔗糖水溶液的质扩散系数。最后是总结和展望，对全文完成的工作进行总结和展望。7大连交通大学t 学硕十学位论文第二章数字全息的基本原理2 1 光学全息原理2 1 1 光学波前的数学描述根据光波的波动公式，在各向同性的均匀介质中，波可以用以下的公式表示【1 3 】：e 碱c o s 2 万( 三一；)可以改写为：沿着，方向传播的理想单色平面( 2 1 )e = e o c o s ( o - 国t )( 2 2 )上式中e 为振动状态。毛为振幅，r 是时间，是沿传播方向的位置坐标。光波的时间周期为丁，时间频率为f = 1 t 。波长用名表示，波长的倒数为空间频率或波数，用盯表示，即仃= l i t 。2 万= 2 ，：r t = 国称为时间角频率，与此相对应的空间角频率为2 x o = 2 x 2 = k 。式2 1 中的2 万( ，五一r r ) 和式2 2 中的( 扫一耐) 均称为相位。为了计算简单，采用复数写法即为：e = e o e 7 ( 打一训)( 2 3 )将时间因子c o t 和空间位相因子七y 分开可写为：e = 岛p 一埘p 静= u e 一埘( 2 4 )上式中u = 晶p 归称为复振幅，它包含光波的振幅和空间相位因子。平面波式光波中最简单的一种形式，在实际中，它可以由点光源发出的发散光经透镜准直得到，或者可以用将点光源移到无穷远处的方法来近似。平面波的数字描述如下：如图2 1 ( a ) 所示，沿万方向传播的单色平面波与坐标轴的夹角分别为口，则万= c o s 口，e o s 罗，c o s t ，设波面上任一点p ( x ，y ，z ) 距离原点为多，即j i i = x ，y ，z ) ，它在万上的投影为：，= p 一万= x e o s o t + y e o s f l + z c o s y( 2 5 )8第二章数字全息的基本原理则复振幅u = 最p 归可以写为：v ( x ，y ，z ) = e o e x p ( j 够万) = 晶e x p 豇( x c o s 口+ j ，c o s + z c o s 7 ) ( 2 6 )式中磊表示常数振幅，c o s g ，c o s f l ，c o s y 分别为光波传播方向与x ，y ，z 轴方向的余弦值，他们满足c o s 2t 2 + c o s 2 + c o s 27 = 1 。因为k = 2 z a ，所以上式写成：吣拂z ) - 岛唧p ( x 半+ y 半+ z 孚) _ e oe x p ( 剜亿7 ，之中缈表示相位，则在x ，y ，z 方向的空间频率分量分别为：声一1a 伊一c o s g 。一lo q , c o s f l 尸lo q , c o s yg2 _ 2 ，7 = 一= 一，= = 72 万苏五7 2 万却五772 刀瑟名空间频率的单位为c y r m 。当光波传播方向与坐标轴的夹角小于9 0 。量为正值，大于9 0 。时为负值。公式2 7 可以写成：u ( x ，y ，z ) = 晶e x p 2 万( 豇+ ，7 y + f z ) 图2 1 ( b ) 表明在x - - z 平面内光波的空间频率分量善，f 的具体意义。图2 1 ( a ) 传播过程中平面波波前f i g2 1 ( a ) p l a n ew a v ei nt r a n s m i s s i o n( 2 8 )时，空间频率分( 2 9 )f( b ) 平面波在x z 平面的空间频率( b ) s p a t i a lf r e q u e n c yi nx - - zp l a n e2 1 2 光波的干涉光波干涉即为频率相同、振动方向相同和位相差恒定的相干光的直接叠加，根据光波的叠加原理，在相干光相遇的地方，它们相交区域内各点振动为每列波单独在该点振动的合成，因此光强有加强和减弱的情况1 1 4 】。我们假设两个相干的平面光波，其复振幅分别为：u ( x ，y ) - ( 1 1e x p ( j 石歹)( x ，y ) = 口2e x p ( 厉歹)( 2 1 0 )9大连交通大学。r = 掌硕十学位论文i则两个光波叠加后的复振幅为：u ( x ，y ) = u ( x ，j ，) + ( x ，y ) = a , e x p ( j t q 歹) + 口2 e x p ( 废万)( 2 1 1 )光强为：l = u u “= u p ：七u p i | u 釉i 七u ；u i= 口1 2 + 口2 2 + t h a 2e x p 一( 乏一j i ：) 歹 + a l a 2e x p j ( k 2 一石) 芦( 2 1 2 )= a 。2 + 口2 2 + 2 a l a 2 c o s 露歹 = a 1 2 + a 2 2 + 2 a l a 2 c o s ( 乏一i ) 万由上式可以看出条纹的强度分布按余弦规律变化，当砝j i i = 2 n n ，即= ( q + 口2 ) 2时，光强为最大值，称为峰值强度；当砟万= 2 ( 刀+ l 2 ) 万，即丸。= ( q 一口2 ) 2 时，光强为最小值，因此得到的干涉条纹成明暗分布。2 1 3 菲涅尔衍射光束通过一个小孔、狭缝或物体的细微结构时。就会出现光线偏离直线传播的现象，称为衍射现象 1 3 , 1 4 】。图2 2 瑞利一累末菲衍射f i g 。2 。2r e y l e i g h - s o m m e f f e l dd i f f r a c t i o n如图2 2 中所示，我们设衍射孔径上某光点d ( ，y o ) 发m 的光波衍射到成像平面上s ( x ，y ) 点，根据瑞利一索末菲衍射公式得出s ( x ，y ) 点处光波复振幅为：甜( w ) = 击d ( 砌) 孚c o s 唧砒( 2 1 3 )其中代表入射光波面上的一部分，c o s g = d r 为倾斜因子，当衍射角度很小时可以忽略不计，所以上式可以改写为：材( 五y ) = 击驴( 而乩) 等氐妣c 2 4 ，两点间传播距离为ol o第二章数字全息的基本原理皇詈重詈皇詈, - rr , l l 皇詈皇昌皇皇詈暑皇暑詈暑詈暑鲁昔皇昌詈鼍皇皇_，：肛不i f 而( 2 1 5 )用二项式定理将其展开，得到：一区监! 兰二幽2 + 8 d ( 2 1 6 )当x , y 值为极限值，物体大小不变时，随着d 的增大，含有1 d 3 的项随之变小，当：睦业坚二幽 q 1 4 如图3 3 所示，假设界面为y 轴，光线沿z 轴方向通过，折射率在x y 平面内变化。引入垂直于界面的参考条纹，相当于在y 方向上人为地引入了一个微小的相位差。若光的波长为名，参考条纹j 剐距为s ，则；：2 刀y( 3 1 5 )当浓度未发生变化时，参考条纹为垂直于界面的等间距平行条纹，见图中x 而的区域；当发生浓度变化时，条纹将发生偏移，见图中0 x x o 的区域。对再现光波和界面浓度发生变化后的物光波的位相进行分析，在任一条纹上取两点彳( 而，) ，b ( x ，y ) ，假设a 点浓度没有变化，b 点为条纹偏移区域的任意一点。根据干涉原理，同一条纹上的所有点都是等位相的，因此，4 、b 两点应满足：2 z 。i 玎( 毛y 弦+ 百2 1 9y = 等甩( ，弦+ 等( 3 1 6 )对于彳点，折射率不发生变化，a n ( x o ，y o ) = o ，则式( 3 1 6 ) 变为：j 玎( 毛y ) a z = 一学名( 3 1 7 )假设浓度仅在x 方向变化，j ，方向均匀，且积分与路径无关，则： 力( x ) 一o i l ：一- 。3 ,( 3 1 8 )，z ( x ) = 一等( 3 1 9 )式中：行( x ) 表示待测点截面处的折射率；表示主体未发生浓度变化时的折射率；h表示条纹偏移量；三表示实验模拟盒厚度。第三章激光全息干涉法测量质扩散系数的实验原理和方法图3 3 条纹变化的示意图f i g 3 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ei n t e r f e r es t r i p e3 2 3 液相质扩散系数计算公式推导f i c k 第二定律引入了表示物质扩散能力的物理量质扩散系数，实验测量和理论推算的理论基础。对于一维扩散，由f i c k 第二定律有：哦c 是质扩散系数( 3 2 0 )式中：d 。：为质扩散系数，z 为扩散方向当扩散被认为是一维的，并假设在扩散开始前两溶液有明显的分界面，j g r a n k 求解式( 3 2 0 ) 得到【4 1l ：如，) - ”习c 2 1 菰- - c 2 u ：e x p ( 茜( 3 2 1 )式中：c ：，为容器中下半部分溶液的初始浓度，c ：。为容器中上半部分溶液的初始浓度。求解式( 3 2 1 ) ，可得溶液浓度变化极值点间的距离z 。可表示为z 。2 8 dl n ( t 。t ) ，( 3 2 2 )从而可以得到质扩散系数d 为d - & ：瑞赤( 3 2 3 )式( 3 2 3 ) 即为数字图像全息激光干涉法质扩散系数的测量的计算式。从该式可以看出，质扩散系数d 的获得主要依赖于t 。，f 。以及& ，的测量。其中，时间t 。，f i 可以通过计算机硬件时钟轻松获得，而& 。为浓度变化极值点间的距离。2 l犬连交通大学t 学硕+ 学付论文33 数字全息干涉法测量质扩散系数的实验装置整个实验装置由四部分组成：激光全息干涉系统：液液传质扩散系统：循环水域温度调节系统；图像采集及存储系统。33 1 激光全息干涉系统本实验所用的数字全息干涉的光路流程”“如图34 所示。由数字全息干涉的相干条什，要得到清晰的全息干涉图像，光路必须满足物光和参考光的偏振方向| 致；物光和参考光的光强的比约为1 ：1 ；物光和参考光的央角应在3 0 。到6 0 。之问。h en e 激光器发出波长为6 3 3 n m 的激光，经平面镜反射，激光束进入空域滤波器扩束后，经放置在空域滤波器焦点处的取胶合色差透镜准直形成平行光，该平行光在通过直径约为3 0 4 0 m m 左右的挡光板时，只保留亮度较为均匀的部分以供使用：然后再用分光棱镜将激光束分成两束，其中直透光束作为物光反射光束作为参考光，其中物光光束通过扩展槽，最后再由另个分光棱镜将物光和参考光进行合束；最后物光和参考光都投射到c c d 照相机全息图通过图像采集卡由计算机采集与存储，可宴时得到随不同物系、不同时刻浓度变化的干涉条纹。卜_ h e n e 撤光器；2 、5 、8 一半血说 一空域滤渡器4 、卜分光棱镜：6 扩散槽；9 c c d 传感器：l o 个人电脑图3 4 数字澈光全息干涉法质扩散系数测量光路图f i g3 , 4o p t i c a ls y s t e mo f t h ed i g i t a li m a g eh o l o g r a p h i ci n t e f f c r o m e t r ys y s t e m3 32 液一液传质扩散系统扩散槽是待测物质进行扩散的地方。以液一液扩散为例，流体在扩散槽中的物理模型如图3 5 所示。相互扩散的两种流体被分为上下两层，在初始时有明显的分界面。实验中采用的扩散槽内腔为获长的长方体( 2 0 x 2 0 x 2 0 0 m m ) ，由于扩散槽的高度远远大于长度和宽度，两种流体之间发生的扩散可以认为是一维的。篓三兰堂堂尘星王些堡型篓皇兰墼耋鎏盟耋鉴璺墨! ! 至堡两种流体1 厂勰。一一流体 j 钜侏2幽3 5 扩散物理模掣示意目f 喀35s c h e m m i cd m w i n g o f d i 仃u s i o n p 时s i c a l m o d e l扩散槽应用于光学干涉法测量质扩散系数还需要满足以下一些条件：尽量好的透光性能：注入液体时尽量减小扰动：两种液体的分界面清晰。根据以上要求设计了如图3 6 所示的扩散槽系统实验本体。光学玻璃由内外两层钢版通过均匀密布的螺栓固定，其和内钢板之间通过密封材料( 本实验中选用硅橡胶圈) 进行密封。螺栓可以拆卸，这样方便实验后对扩散措进行彻底清洗。在扩散槽的底部设计了锥形的整流栅口6 1 ，这样在注入密度较大的待测液体二时，可以尽量平稳的将密度较小的待测液体一摊上去，防止注液时带来的湍流和返混。两种液体的密度差要足够小，过太的密度差可能会引起对流传质，增大误差，甚至得不到干涉条纹。对于扩散槽，光束通过的前后两面要严格平行，保证光束通过后不发生变化。待测液体全部注完后，需要静嚣2 0 r a i n 左右，以减小两相界面的折射率扰动。榫气口；2 一整流栅；3 一注液口4 一出渡口；5 一光学玻璃图3 6 扩散槽