雾化场同轴光学数字全息测量系统设计

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论文摘要

  引言

  液体雾化研究中,为了获得雾化质量评价的直接证据,需要开展大量的实验测量研究。目前的测量方法主要包括:激光散射、相位多普勒、粒子图像测速和激光全息等。这些方法中,只有激光全息实现了雾化场的三维记录,能够在一次喷射中得到整个测试区域内雾化颗粒的三维空间分布以及大小、形状等信息,被认为是雾化场的标准测量方法。传统的光学全息需要经过全息干板的显影、定影以及再现、图像采集等过程,仅图像采集过程就耗时几十小时甚至几天,不能实现雾化图像的在线获取,影响了雾化实验的效率。
  随着计算机和图像传感器件的发展,数字全息有了很大进步,它的再现过程大大简化,能够在较短时间内给出雾化图像,从而弥补了光学全息中再现和采集过程繁琐耗时的不足。但是,图像传感器件的分辨率和感光面积与全息干板相比还存在较大差距,限制了记录视场的大小、记录小粒子的能力以及物参光的夹角。因此,数字全息还不能完全取代传统的光学全息来进行雾化场测量。
  为了在雾化场的全息测量中实现对雾化效果快速评估,提高实验效率的目的,本文设计并搭建了由同轴光学全息、同轴数字全息以及数字延迟信号发生器组成的测量系统。系统中,数字全息能够快速给出雾化图像,以便对实验总体效果进行评估。当实验参数确定以后,可以通过光学全息获取大视场与分辨力较高的图像数据。为了验证该方法的可行性,对低喷射压力下喷嘴的雾化场进行了测量,同时给出了光学全息与数字全息的再现结果。

  1联合测量系统

  1.1光路设计

  雾化场测量中,雾滴密度的高低决定了所应采用全息记录光路的结构。密度高时,造成未被雾滴散射的参考光减少,需要采用离轴记录光路才能得到较好的全息图;密度低时,可以利用同轴光路记录,同时也降低了对光源相干长度、记录介质分辨率以及光路布置的要求。由于CCD的分辨率远不及全息干板,从而将物光路与参考光路的夹角限制在几度范围内,给光路布置带来了困难,所以数字全息一般采用同轴方式记录,而光学全息则可以根据雾化场密度的实际情况,选择同轴或者离轴方式记录。
  本文只讨论光学同轴全息与数字同轴全息的情况,其光路结构以及控制信号连接如图1所示,带箭头的实线表示光路;虚线表示控制信号。百皮秒脉冲激光器(波长532nm)发出的激光束进入扩束准直镜,扩束成Φ70mm的平行光照明雾化场,一部分光被雾滴衍射形成物光,另一部分未被衍射作为参考光,物光和参考光经过4F光学系统后,由立方分光棱镜(边长50mm,分光比1∶1)分成相互垂直的两路,一路由全息干板(分辨率>3 000lines/mm)记录物光与参考光形成的全息图,曝光时间通过干板盒上的机械快门控制。由于分光棱镜尺寸的限制,光学全息的有效视场为Φ50mm;另一路由CCD相机记录全息图,相机的机械快门需要预先打开等待光脉冲到来,同时利用中性滤光片衰减进入相机的光强,避免CCD曝光饱和。由于CCD相机灵敏面尺寸 (像素数为4 096×4 096,像元尺寸9μm)的限制,数字全息的有效视场为Φ36mm。全息干板的乳胶面和CCD相机的灵敏面均垂直于光轴,并且与分光棱镜的距离相等。测量系统中的4F光学系统是将雾化场搬移到记录介质前方适当位置,使记录介质避开测试环境和测量对象的影响,同时可以使小尺寸雾滴满足需要的远场距离。脉冲激光器的出光时间、干板盒的快门开启时间、CCD相机的机械快门打开时间由数字延迟信号发生器BNC565进行同步控制,利用输入到BNC565的外触发信号可以实现在不同的雾化阶段进行全息记录。

  同轴光学全息与同轴数字全息联合测量系统图
   1.2记录能力分析

  全息记录的是雾滴衍射光与未被衍射的直透光之间形成的干涉条纹,要实现直径为d的雾滴的全息图记录,要求记录介质的最低分辨率为论文摘要  式中:θ为物光路与参考光路的夹角,θ=0°时表示同轴情况;λ为光源波长;γ为松弛因子,这里取2;μ(1)m+1为一阶贝塞尔函数的第m+1个零值点;m表示全息图中旁瓣的级次,记录级次的增加会要求记录介质的Vmin增大。高级次的旁瓣表示雾滴衍射模式的高频分量,它与再现像的边缘陡度有关,严重丢失高频衍射分量时,会使得再现像模糊。
  相关研究表明,只记录全息图的主瓣就可以分辨出粒子,多记录几个旁瓣可以增加粒子再现像边缘的锐度。根据测量系统中光源的波长以及记录介质的分辨率,由(1)式得到在只考虑雾滴全息图主瓣情况下,同轴数字全息和同轴光学全息分别能够实现直径21.95μm和0.81μm雾滴的全息记录。但是,由于4F光学系统分辨率的限制(Φ57mm的视场内,分辨力为45.3lp/mm~144lp/mm),使得光学全息一路的记录能力下降,只能实现直径8.47μm雾滴的全息记录。

  1.3再现图像的获取方法

  测量获得全息图以后,使用不同方式再现处理。对于数字全息图,利用文献[10]中的基于快速傅里叶变换的角谱算法FFT-AS(fast fouriertransform based on angular spectrum)进行再现计算,得到光轴方向上不同层面的喷雾图像;对于光学全息图,将全息干板显影、定影处理后置于再现系统中,再现出记录时刻的雾化场,再将各个层面的图像分幅采集,然后对同层的各幅图像进行拼接,从而得到每个层面的喷雾图像。

  2雾化场测量

  2.1标定测量

  为了获得测量系统对雾滴记录能力的量化数据,使用标准粒子板模拟记录对象进行标定。标准粒子板是在透明玻璃基板上刻划着标准大小的不透明圆形粒子点阵,粒子直径为5μm、10μm、20μm、50μm和100μm几种不同尺寸。将其置于4F光学系统前端,经过4F光学系统成像后,粒子板的像位于记录介质前方且与记录介质间距为30mm。同时记录粒子的光学与数字全息图,然后再现处理,得到相同粒子区域的再现图像,如图2所示。
测量系统的分辨能力标定图  5μm粒子不满足测量系统记录能力的要求,所以光学与数字结果中均没有5μm的粒子像。
  10μm粒子在光学一路记录能力范围之内,所以光学结果中能够识别10μm粒子,但是再现图像中存在较多的背景噪声,对识别造成一定影响。
  数字一路记录能力的理论值虽然是21.95μm,但是结果中还是能够识别出20μm的粒子像,其边缘比较模糊,锐度差于光学结果中20μm的粒子像的边缘。
  
    2.2低喷射压力的雾化场测

  采用现有的双孔直射式喷嘴(喷孔直径0.8mm,间距6mm),使压缩空气将腔体中的水从喷嘴压出,在腔体中的水快要喷射结束时,形成了密度较低的雾化场,然后给BNC565外触发信号,使测量系统对喷雾记录。
  在记录到的数字全息图中截取尺寸为3 066pixels×741pixels(像元大小为9μm)的有效部分,扣除背景后再现计算,得到30个不同层面且层间隔为0.5mm的再现像,耗时235.8s,平均单层计算 时 间 为7.9s(硬 件 环 境:CPU为P4 3.0GHz,内 存 为DDR1 2 GB;软 件 环 境:MatlabR2009a语言,windowsXP32位操作系统)。由于腔体中水量较少,只有一个喷口有射流喷出,所以图3(a)给出该喷口截面上的一幅再现像;图3(b)和图3(c)分别是图3(a)中喷口处和射流中部的放大结果,能够清楚地观察到喷口处液柱破碎的情况以及中部的雾化颗粒,可以对雾化情况有所评估。
  喷口截面上数字全息图的再现像图  为了获得喷口轴线层面上的光学全息再现图像,需要在X和Y方向上分别采集17幅和11幅图像,采集过程耗时57min,然后将有效的64幅图像拼接,得到尺寸为10 585像素×1 812像素(像元大小为7.9μm)的整幅图像,如图4(a)所示。需要指出的是,全息再现系统中使用了3倍成像透镜对再现像放大。这里也给出了图4(a)中两个区域的放大结果,以便与数字全息的再现图像比对。
  喷口截面上光学全息的再现像图  2.3再现结果比对

  与光学和数字再现图像(图3a和图4a)相对应的视场范围分别为27.87 mm×4.77 mm和27.59mm×6.67mm,数字方式获得视场范围内单一层面再现像的时间仅为8s,而光学方式将近1个小时,可见数字方式具有很好的实时性。
  全息干板上的干涉条纹与CCD相机记录的干涉条纹明暗相反,再现以后,光学全息的再现结果为暗背景中的亮粒子,数字全息的再现结果为亮背景中的暗粒子。从射流宏观图像结构来看,它们具有很好的一致性,但是各自也存在以下优缺点:
  1)光学再现结果(图4(a))由若干图像拼接而成,拼接缝会对粒子的识别产生一定影响,而数字再现结果(图3(a))是由完整的全息图再现得到,不存在拼接缝,将会减少对粒子漏判或误判的概率;2)光学再现图像中存在较多的背景噪声,这有可能是记录过程中的背景噪声,或者是干板冲洗过程以及再现光学系统中再次引入了噪声。而数字全息图再现计算之前,先进行了背景扣除,从而削弱了噪声的影响,提高再现像的质量;3)光学方式对小粒子记录能力高于数字方式,因此再现结果中,光学再现图像中能够识别出10μm~20μm范围内的粒子,而数字再现图像中只能给出20μm以上的粒子。

  3结论

  应用同轴数字全息与同轴光学全息建立的联合测量系统中,数字全息的有效视场为Φ36mm,识别能力为20μm以上的粒子;光学全息的有效视场为Φ50mm,识别能力为10μm以上的粒子。
  利用该测量系统对低喷射压力下的直喷式喷嘴的雾化场进行了测量,数字全息获得一幅再现像的时间仅为几秒钟,具有较好的实时性,并且数字再现图像与光学再现图像具有很好的一致性,可以对雾化效果评估,然后再对光学全息再现图像进行离线数据处理和分析,这对工程实验中提高雾化场的全息测量实验效率具有重要意义。

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