开题报告选题及工作计划表

1、选题及工作计划表：学号： 2016202022入学年月： 201609生所 属 学 院： 精密仪器与光电子专业： 光学工程 导师：张红霞课题名称：基于 IPI 技术的混合粒子场测量1、课题来源：（1）导师研究课题的一部分（2）自己选择课题（3）其它（选一项打）2、项目所属性质：（1）基础研究（2）应用基础研究（3）应用研究（4）开发研究（5）工程设计（选一项打）3、预计完成时间： 2018年 12 月 1 日选 题时 间： 2017年9 月 28 日范围及人数：光互连全体 20 人参加评议组成员：张红霞贾大功职称：教授教授教授1、 拟选课题国内、外的研究动态、水平、存在问题，并附主要参考文献：

2、粒子通常是指尺寸在毫米以下至微米量级的微小固体、气体或液滴。在自然界和工业生产过程中，往往是多种粒子混合存在，能够准确的分辨粒子并测量粒子的尺寸对人们的生产生活具有重要的指导意义。激光 粒子成像技术(IPI)是一种相对较新的粒子检测技术，其原理是利用片状激光照射粒子场，激光经过粒子时发生散射现象，CCD 相机在散射方向上接收粒子的散射图像，通过粒子的 条纹图可以得到粒子的位置信息和尺寸信息，该技术具有测量精度高、处理速度快等特点。使用该技术测量球形粒子时会得到 条纹图，而测量不规则粒子时会得到散斑图。因此IPI 技术可以分辨球形粒子和不规则粒子。Knig G1等在 1986 年首次提出可以使用

3、IPI 技术测量球形粒子的尺寸，使用 Mie 散射理论推导出了粒子尺寸与散射光强的关系，并在实验中使用一维光强探测器接收粒子的前向散射光， 进而得出瞬时粒子尺寸。1991 年， Hebacher2等发现，粒子散射光强振荡的原因是折射光与反射光之间相互干涉，提出几何光学近似的方法，大大简化了粒子尺寸信息的处理过程。1995 年， Glover3等首次使用片状激光进行实验，结合图像处理技术，实现了多个粒子的同时测量，并了使用高速相机同时获得粒子位置、尺寸和速度信息的可行性。随后应用于均匀球形粒子的IPI 技术迅速发展，在很多领域上均取得突破。 2000 年，Maeda4-7等人在系统的成像部分增加

4、柱透镜，把圆形条纹图压缩为一维的线形条纹图，大大降低了图像的概率，使得粒子可测浓度提高。2003年Madsen J8等将IPI 技术与PIV 技术相结合，实现了对水喷雾场粒子尺寸和粒子的同时测量；20099年，Hess 等利用两个相机，同时观测两个散射角下的粒子聚，并以此精确的计算粒子的直径。实验表明，通过改进的图像处理算法，可以有效的提高测量结果的精确度，在测量非球形粒子时也有很强的适应性。 2012 年，G Grhan10等基于原理和传输矩阵，建立了一个用于描述IPI 系统的数字模型，并使用此模型模拟了不同系统下的条纹。2017 年， YingcWu11等提出相位激光成像测量技术，用来测量

5、蒸发中的粒子的直径变化。使用该方法可以检测到纳米级的尺寸变化。应用于均匀球形粒子的IPI 技术已较为成熟，近年来，对于不规则粒子的测量也有了一定的进展。激光照射不规则粒子时，CCD 相机上接收到的粒子的离呈散斑状。2012 年Z. Ulanowski12等人对粗糙粒子（矿尘、孢子、花粉、冰晶等）的散斑图像进行分析，表明散斑图像的角频率与粒子的直径有关。2014年，M Brunel13-16等通过 函数模拟粒子上的出射点，通过原理模拟粒子的散斑图，发现粒子的尺寸与粒子离焦散斑图的自相关存在关联，通过对冰晶粒子进行实验得出自相关中心亮斑尺寸与粒子两个距离最远出射点距离的关系，并通过同轴全息的方法验

6、证了这一关系。提出散斑图的 FFT 图像与粒子的二维自相关之间存在联系，二者图形形状相似，并通过实验验证了这一点，通过传输矩阵的方法推导了这一关系。对于非单一粒子（尺寸、相态、形状等某一方面存在差别的两种或两种以上的粒子）的测量，在球形粒子与不规则粒子的混合场成像方面有较大进展。 2014 年，Ruize SG17等使用低温气流冷凝悬浮在注射器针头上的水滴，并用两个 CCD 同时观察冰晶溶解过程中的聚和离，验证了不规则粒子对应的图为散斑图，球形粒子对应的 图为条纹图。2015 年，L. OULDARBI18等同时观察气泡和不规则沙粒的 离 ，并通过在镜头前加柱透镜的方式得到椭圆形的离焦图像来推

7、断它们的 3D 位置；Justin Jacquot Kielar1519等人采用隔热和制冷设备设计制作了冷冻室，在不同的温度下液滴产生器产生的液滴经过管状冷冻室后呈现不同的相态或者混合态，采用两个光路通过 成像和数字全息两中方法来获取粒子的相态信息；2016 年，植物喷雾器将水雾喷入管状冷冻室，通过控制冷冻室的温度来改变水雾的状态可以为辐枝状冰晶、水滴或二者的混合态，采用两个CCD 同时观测经过冷冻室后的粒子场的聚 和离 。混合场粒子的研究，现在仅局限于通过图分辨球形粒子和粗糙粒子，而这种方法无法分辨某些粒子，滴和气泡，因为两者的图都是条纹。因此，寻找一种能够进一步区分粒子的方法，是后续研究的

8、重点。参考文献：G. Konig, K. Anders, A. Frohn, A new light-scattering technique to measure the diameter of periodically generated moving droplets, J. Aerosol Sci., 1986, 17(2): 157-167.K. H. He bacher, K. Anders, A. Frohn, Experimental investigation of gaussian beam effects on the accuracy of a droplet sizi

9、ng method, Appl. Opt., 1991, 30(33):4930-4935.Glover A R, Skippon S M, Boyle R D. erferometric laser imaging for droplet sizing: A method for droplet-size measurement in sparse spray systemsJ. App d Optics, 1995, 34(36):8409-21.M. Maeda, T. Kawaguchi, K. Hishida, Novel erferometric Measurement of Si

10、ze and Velocity Distributions of Spherical Particles in Fluid Flows, Meas. Sci. Technol., 2000, 11(12): L13-L18.T. Kawaguchi, Y. Akasaka, M. Maeda, Size Measurements of Droplets and Bubbles by Advanced erferometric Laser Imaging Technique, Meas. Sci. Technol., 2002, 13(3): 308-316.Maeda M, Akasaka Y

11、, Kawaguchi T. Improvements of the erferometric technique for simultaneous measurement of droplet size and velocity vector field and its application to a transient sprayJ. Experiments in Fluids, 2002, 33(1):125-134 .Sugimoto D, Zarogoulidis K, Kawaguchi T, et al. Exten of the compressed erferometric

12、 particle sizing technique for threecomponent velocity measurementsJ.2006:26-29.Madsen J, Harbo J, Nonn T I, et al. Measurement of droplet size and velocity distributions in sprays usingerferometric Particle Imaging (IPI) and Particle Tracking Velocimetry(PTV)J. Marine Ecology Progress, 2003, 28:147

13、-156.Niwa Y, iya Y, Kawaguchi T, et al. Bubble Sizing by erferometric Laser ImagingJ. ernational Sym ium on Application of Laser Techniques to Fluid Mechanics, 2000.Grhan G, Shen H, Brunel M, et al. erferometric laser imaging for droplet sizing revisited: elaboration of transfer matrix m s for the d

14、escription of complete systemsJ. App d Optics, 2012, 51(22):5357-68.Wu Y, Li H, Brunel M, et al. Phase erferometric particle imaging for simultaneous measurements of evaporating micron-sized droplet and nanoscale size changesJ. App d Physics Letters, 2017, 111(4):1324-1347.Ulanowski Z, Hirst E, Kaye

15、 P H, et al. Retrieving the size of particles with rough and complex surfa from two-dimen al scattering patternsJ. Journal ofive Spectroscopy & Radiative Transfer, 2012, 113(18):2457-2464.Brunel M, Shen H, Sbastien Co?tmellec, et al. Determination of the Size of Irregular Particles Using erferometri

16、c Out-of-Focus ImagingJ. ernational Journal of Optics, 2014, 2014:143904.Brunel M, Coetmellec S, Grhan G, et al. erferometric Out-of-Focus Imaging Simulator for Irregular Rough ParticlesJ. Journal of the European Optical Society Ra Publications, 2014, 9(9):14008.Kielar J J, Wu Y, Cotmellec S, et al.

17、 Size determination of mixed liquid and frozen water droplets using erferometric out-of-focus imagingJ. Journal ofive Spectroscopy & Radiative Transfer, 2016, 178:108-116.Brunel M, Ruiz S G, Jacquot J, et al. On the morphology of irregular rough particles from the ysis of speckle-like erferometric o

18、ut-of-focus imagesJ. Optics Communications,2015, 338:193-198.Ruiz S G, Vetrano M R, Van B J. Feasibility of usingand speckle patterns for sizing spherical and irregular particlesJ. App d Optics, 2014, 53(21):4722.Ouldarbi L, Prret G, Lemaitre P, et al. Simultaneous 3D location and size measurement o

19、f bubbles and sand particles in a flow using erferometric particle imagingJ. App d Optics, 2015, 54(25):7773.Kielar J J, Lemaitre P, Gobin C, et al. Simultaneous erferometric in-focus and out-of-focusimaging of ice crystalsJ. Optics Communications, 2016, 372:185-195.2、课题拟解决的主要技术问题，在理论和应用方面的意义，完成课题的条

20、件（包括个人业务水平、教研室或学科组的技术、设备条件）和拟采取的技术措施和办法：混合粒子场指尺寸、相态、形状等某方面存才明显差别的两种或两种以上的粒子共同存在形成的粒子场。混合粒子场的分辨和测量对人们的生产生活具有重要的指导作用。例如云中水粒子和冰晶粒子共同存在，分辨水滴和冰晶并分别得到尺寸和浓度，可以有效的降水过程并指导人工降雨；潜艇的螺旋桨处存在气泡和油漆微粒，而气泡会引起空穴效应，使螺旋桨发生腐蚀，从螺旋桨附近水域有效的定位气泡粒子并确定气泡的大小和位置，可以有效预防螺旋桨的损坏。通过散射粒子的离焦图的不同，可以将粒子分为条纹类粒子（均匀球形粒子、气泡等）和散斑类粒子（不规则粒子），而相

21、对折射率大于 1 和小于 1 的均匀球形粒子的粒径计算过程不同，所以有必要将其区分，因此，类粒子与散斑类粒子、相对折射率大于 1 与小于 1 的均匀球形粒子的分辨和粒径测量是研究的重点。制冷装置的设计和搭建自然界中较为常见的混合粒子场为条纹类粒子与散斑类粒子，如云中的水粒子和冰晶粒子、水中的气泡和细沙粒。因此，在 中 该混合粒子场是进行实验的第一步。设计、加工制冷装置，考虑制冷剂的选取。与IPI 系统共同考虑，设计合理的外观尺寸，以便能够观察到清晰的离 。通过制冷装置产生冰晶和水滴的混合场模拟云粒子场。通过粒子生成装置控制进入制冷装置水粒子的粒径，通过调整制冷装置 的温度调节粒子的相态，使水粒

22、子通过制冷装置后可以按照需求呈现液态、固态或两者的混合态。使用该装置生成的混合粒子场，其中各种粒子的直径是大致相同的。水滴与冰晶的实验将制冷装置与IPI 系统结合起来，设计合理的系统参数，优化物像距。将冷却装置生成的冰晶与水滴的混合粒子场作为散射体，使用两个 CCD 同时观察散射体的聚 和离 ，通过 图的不同分辨两种粒子，分别计算两种粒子的浓度和尺寸，验证IPI 系统对该混合粒子场的分辨能力。标准粒子与沙粒的实验标准粒子是从厂家 的标准透明球形粒子，最小粒径 10 微米，最大粒径 80 微米。在显微镜下观察，沙粒表面粗糙，形状不规则，平均粒径在 200 微米左右，与标准粒子的粒径差距较大。该实

23、验的目的是探索IPI 系统对不同粒径的条纹类粒子与散斑类粒子检测能力。通过 模拟标准粒子和沙粒的 图，实验中，按照模拟的参数搭建 IPI 系统，将标准粒子和沙粒放入样品池中同时进行观察，选取适当的散射角，使用 CCD 观察散射体的离焦图，与模拟结果进行对比，换用不同的粒径的标准粒子重复该实验，观察标准粒子粒径不同引起的实验现象的变化，确定该 IPI 系统的检测能力。标准粒子与气泡的实验标准粒子与气泡均属于条纹类粒子，但是两者的折射率相差较大，以至于在大多数的检测环境中标准粒子的相对折射率大于 1 而气泡的相对折射率小于 1，而两个的 图像均为条纹图，无法以此作为判断依据将两者区分。而二者通过条纹频率计算粒径的公式也略有不同，因此有必要寻找 法对二者进行分辨，这也是 研究的重点。使用注射器将标准粒子与气泡注射到 中进行观察，此时标准粒子的相对折射率大于 1,而气泡的相对折射率小于 1，并且因为无法严格控制气泡的粒径，因此无法仅仅通过 条纹数的多少对二者进行区分。因此需要进行详尽的模拟以及实验来寻找其他方法对二者进行分辨。本课题组长期从事光电信息处理，光检测和激光粒子测量方面的研究工作，具有雄厚的