同轴数字全息技术在高速射流粒子测量中的应用

在高压加载下材料表面会产生微物质喷射，传统全息技术已应用在微物质喷射的测量中，获得包含粒子形状和位置信息的再现图像。数字全息技术作为传统全息技术的一种替代手段，直接采用CCD相机接收微喷射粒子的全息图像，再用数字方法重建粒子场，由于其避免了传统全息中干板的湿处理，并且不需要物理再现过程，具有实验过程简单方便、噪声小、实验结果直观、实时处理等优点。文中讨论了采用同轴数字全息技术测量微喷射粒子的实验情况，获得了铝飞片在爆轰加载下的微喷射粒子的数字全息图像和再现图像，给出了粒子的尺寸分布和微喷射粒子的速度。     

用脉冲激光同轴全息技术测量微射流

 用脉冲激光同轴全息技术建立了全息照相系统和高精度同步时序系统，获得了采用爆轰加载产生高速运动的微射流全息图，并再现出微射流的全息像，得到粒子的大小和分布情况，从图像处理得到粒子尺寸的统计结果表明，最大尺寸在300μm左右，最小尺寸在30μm左右。证明了研制的全息系统和测试技术可以测量高速的微射流场。 .     

微射流粒子场的同轴Fraunhofer全息测试

由于激光全息技术进行物理测试时具有图像直观、信息量大、非接触测量、抗电磁干扰等优点，而受到人们的广泛关注。采用同轴Fraunhofer全息技术记录微射流粒子场的实验装置由激光器、爆轰实验装置、4F传像系统、记录系统、时问同步系统等组成。爆轰实验装置为一可抽真空的爆炸容器，其目的是为了产生一个微射流粒子场，实验研究中在铜飞片上打一些小坑，当冲击波到达时小坑中将能产生微射流；脉冲宽度为10ns的记录用激光器可以将直径为几十微米、运动速度为每秒几千米的微射流粒子场瞬间“冻结”，从而获得清晰的全息图像；通过调节DG535精密数字延迟脉冲发生器输出信号的延迟时间，控制脉冲激光器出光和爆轰实验装置爆炸的时间，从而达到产生运动粒子场和脉冲激光束到达时间的同步。通过同步调节延迟时间，可以获取同一空间不同时刻的粒子场信息。对拍摄的全息图经过线性处理后在连续YAG陪频激光器下再现，将再现获取的信息利用CCD相机储存在计算机上，对图片进行处理可以获取运动粒子场的分布、粒子的大小、粒子的质量等信息。     

超高应变率拉伸破碎铝的粒子尺寸测量

材料在超高应变率下发生的动态拉伸破碎是冲击波物理领域的一个重要内容,受诊断技术限制,粒子尺寸直接测量的数据非常有限。基于脉冲激光同轴全息技术,建立了一套材料超高应变率破坏状态和破碎粒子诊断的高精度联合测量系统,利用该系统,成功开展了107～108/s超高应变率范围内铝的动态破碎粒子在位测量,获得了粒子尺寸分布数据。     

非线性介质对粒子场同轴全息成像的影响

 通过理论分析和实验验证,研究了非线性折射率介质对粒子场同轴全息成像的影响。利用粒子场同轴夫琅和费全息记录和光束在非线性介质中传输的波动方程,得出了光波的复振幅和强度分布。数值模拟了介质在线性和非线性时全息记录的情况,并进行了实验验证。结果表明：光波经非线性介质传输后,全息干板记录到粒子场的再现图像,这为高功率激光应用于全息照相提供参考,原因是高功率脉冲激光聚焦易击穿介质产生非线性传输。     

高速粒子场同轴Fraunhofer全息数据处理系统研究

介绍了用同轴Fraunhofer全息测量强动载下材料表面微喷射粒子场的数据处理方法.在全息像重建过程中，将再现的三维粒子场由计算机控制分成许多小薄层采集.在数据处理过程中根据图像中粒子边缘，决定在整幅图或局部采用边缘检测的方法提取大粒子，根据图像的灰度分布将图像分成很多小区域，在每个小区域采用不同的阈值分割图像.在处理结果的校正中根据粒子场的特点，去除过大、过小和重复统计粒子.采用该方法得到了粒子的空间分布图像及粒子大小的统计结果.     

用阈值函数分析粒子场同轴全息非线性记录对再现像的影响

用阈值函数分析了粒子场同轴全息非线性记录对再现像的影响,从理论上得到了非线性记录影响粒子场同轴全息再现像的模型,并数值模拟了不同形状粒子在非线性记录下的再现像,得到再现像出现了边缘剪切效应.实验验证了数值模拟的结果,完善了粒子场同轴全息理论,并为粒子场同轴全息图像处理提供了光学产生边缘剪切效果,节约了图像处理的时间.     

用脉冲激光全息术测量喷雾场中粒子的分布和运动速度

本文叙述了用脉冲激光全息术测量喷雾场中粒子的分布和运动速度的原理，阐明了同轴全息和离轴全息在测量雾场的应用范围，重点讨论了离轴全息。测量光学系统是４Ｆ系统，它可以测量粒子浓度大的雾场中大于５μｍ的粒子分布和运动速度。在平行光场区段，可进行不同装置、不同景深的喷雾研究，使每个粒子具有相同的放大倍数，它给再现、数据处理、粒子大小的标定都有很大的好处。文中还分析了在底片上形成干涉的各种情况；粒子直径ｄ，远场数Ｎ和从底片到粒子的距离Ｚ的关系。给出脉冲间隔为５μｓ；１０μｓ粗度为±０．１μｓ时不同直径粒子的分布和运动速度在电视屏幕上显示出来的照片。在上述实验结果的基础上讨论了粒子的识别，噪音的消除等问题。     

用高速摄影和脉冲同轴全息照相联合诊断微射流

 针对强冲击载荷下金属材料的微物质喷射中微射流的实验研究,提出了高速摄影与脉冲同轴全息照相联合诊断的测试方案,并组建了由微射流产生装置、高速摄影系统、脉冲同轴全息照相系统和高精度时序控制同步系统组成的测试系统。动态实验结果表明,高速摄影和脉冲同轴全息照相联合诊断微射流能在一次实验获得微射流的发展图像和微射流头部低动态模糊图像。     

动态微粒场诊断用全息光路的设计与分析

本文分析了动态微粒场测试的特点,设计了一种适合于动态微粒场用脉冲激光全息诊断的全息光路,并从理论上进行了分析。使用这种全息光路记录的微粒场全息图,当用记录参考光,而不是它的共轭光照明再现时,就能获得微粒的实象,因而,使得参考光类型的选择更加灵活。同时,由于光路设计上还考虑了参物光之间的空间相干性的匹配,故降低了对激光器横模的要求。     

利用激光全息干涉测量梁的微小位移

全息干涉测量利用二次曝光记录物体在不同载荷状态下的相对位移场.通过在干板上记录和比较不同状态产生的光波的干涉,可以得到在不同载荷时干涉条纹随物体位移的变化情况,实现对物体微小变形、微小位移量的测量.本文利用激光全息干涉技术测量了金属梁的微小位移量,计算得到金属梁的弹性模量和挠度.     

高速粒子场的全息再现图像的自动分割方法

材料在高压加载下产生的微喷射粒子的尺寸、形状、位置、速度等信息可用脉冲全息法来测量，采用这种技术获得的再现图像具有粒子尺寸小——只有几微米到十几微米、不规则形状、图像对比度差、粒子边缘不明显、分布不均匀、背景噪声大等特点。对这种图像，设计了一种稳定性、准确度都很高的自动分割方法。     

尾流的全息成像方法研究

鉴于全息三维成像的独特优点,提出了一种新的尾流测量方法---全息成像测量.在对影响水下全息成像各种因素进行详细理论分析的基础上,自行设计了激光在尾流场的衰减实验和尾流全息成像试验.衰减实验表明,在气泡幕数密度一定的情况下,激光衰减率基本保持恒定;尾流全息成像利用双脉冲激光配合使用4F放大系统首次记录下了气泡幕的全息图像.实验表明,气泡幕全息成像效果良好,证明尾流参量的全息测量方法是可行的.     

运动粒子全息测试仪

本文论述了用序列脉冲激光在4F光学系统中测量各种情况下的喷雾粒子大小、分布及运动速度的同轴全息和离轴全息方法。并讨论了仪器的结构原理,特点。文章共分了四个部分: 1)用4F光学系统测量微粒子的基本原理。 2)光学系统结构的特点。 3)红宝石脉冲激光光源。 4)仪器的组成及性能指标。     

空气击穿效应对粒子全息像的影响

 在粒子场全息实验中,研究了4F光学成像系统不抽真空时,其内部实焦点处由于光脉冲能量聚焦引起的空气击穿现象。发现在这种情况下得到的同轴和离轴全息粒子再现像,与实焦点未被击穿时得到的正常全息再现像相比,其强度分布发生了反转。理论分析表明,这种情况是由于实焦点处空气击穿引起的空间滤波效应造成的。研究发现:在离轴粒子场全息实验中,合理调整曝光强度,利用4F系统中的空气击穿效应可以获得高清晰度的全息再现象。     

粒子场数字全息诊断中的再现算法研究

 粒子场的数字全息诊断中,良好的再现算法能够在较短的时间内给出高质量的再现像。利用标准粒子板模拟单层面的粒子场,使用大面阵CCD实现同轴数字全息记录,得到了大尺寸的数字全息图。针对4种数字全息再现算法,本文从再现图像的质量、再现全息图的大小和计算速度3个主要方面进行了比较研究,结果表明角谱算法(FFT-AS)具有再现图像背景均匀,再现结果中无物理图像压缩,可以再现大尺寸的全息图且具有较快计算速度的优点,适合于粒子场同轴数字全息图的再现计算。     

基于深度学习的粒子场数字全息成像研究进展

粒子场的数字全息成像中，由一幅粒子场全息图重建出高精度的三维粒子场分布，是数字全息技术领域的经典问题之一。相比于传统反向重建算法，深度学习算法可以从单个全息图直接重建出三维粒子场来简化算法复杂度，提高计算效率和准确率。介绍国内外研究团队将深度学习算法结合数字全息技术实现粒子场数字全息成像的研究进展，从不同粒子表征方法入手，叙述了支持向量机、全连接神经网络、全卷积网络、U-Net网络、深度神经网络在粒子场数字全息成像中粒子表征及粒子场反向重建过程中的应用原理、实现途径和准确率。最后指出了深度学习算法在这一研究领域的优势及目前基于深度学习算法的不足，并对如何进一步提高该方法的准确率进行了展望。     

雾化场光学全息与数字全息联合测量

针对雾化场光学全息测量存在干板湿化学处理繁琐、再现像采集耗时的问题,提出光学全息与数字全息联合测量的方法,建立由同轴光学全息、同轴数字全息以及数字延迟信号发生器组成的测量系统,并以双孔直射式喷嘴产生的雾化场为测量对象,利用该测量系统在一次测量中同时获得雾化场的光学全息和数字全息的再现图像,两者具有很好的一致性。光学和数字再现图像相对应的视场范围分别为27.87 mm4.77 mm和27.59 mm6.67 mm,数字方式获得视场范围内单一层面再现像的时间仅为8 s,而光学方式将近1 h。结果表明,光学全息与数字全息联合测量时,通过数字全息的雾化再现图像能够对实验总体效果进行实时评估,提高了雾化场全息测量的实验效率。     

碎片超高速撞击防护结构粒子场三维重构

为模拟空间碎片超高速撞击航天器防护结构表面材料喷射/溅射粒子场演化过程,并获取粒子场相关物理信息,基于粒子场同轴激光全息图像开展了碎片撞击过程的三维重构技术研究.首先对全息图像进行边缘剪切和缩放,将其划分为分辨率300×300左右的子图像以便于进行网格剖分;对于粒子堆叠区域子图像,采用基于三角化的网格剖分算法;剖分后形成的单一粒子采用Sobel算子提取其二维轮廓,然后将其投影到特定的三维空间形成三维形体;基于MAXScript语言实现了粒子场演化过程模拟.重构结果表明,无论是粒子场静态三维重构结果还是其演化过程均与撞击试验全息图像吻合较好,从而验证了该重构技术的有效性,为研究空间碎片对航天器防护结构的损伤效应提供了一种新的思路.     

碎片超高速撞击防护结构粒子场三维重构

为模拟空间碎片超高速撞击航天器防护结构表面材料喷射/溅射粒子场演化过程,并获取粒子场相关物理信息,基于粒子场同轴激光全息图像开展了碎片撞击过程的三维重构技术研究.首先对全息图像进行边缘剪切和缩放,将其划分为分辨率300×300左右的子图像以便于进行网格剖分;对于粒子堆叠区域子图像,采用基于三角化的网格剖分算法;剖分后形成的单一粒子采用Sobel算子提取其二维轮廓,然后将其投影到特定的三维空间形成三维形体;基于MAXScript语言实现了粒子场演化过程模拟.重构结果表明,无论是粒子场静态三维重构结果还是其演化过程均与撞击试验全息图像吻合较好,从而验证了该重构技术的有效性,为研究空间碎片对航天器防护结构的损伤效应提供了一种新的思路.