水下全息法测量水中颗粒形状的方法研究

本 科 生 毕 业 设 计 论 文 （水下全息法测量水中颗粒形状的方法研究）院 系_光学与电子信息学院_专业班级 _光电中法 1301 班_姓 名_张健翔_学 号_U201314213_指导教师_郭文平_年 月 日学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于 1、保密囗，在 年解密后适用本授权书2、不保密囗 。（请在以上相应方框内打“”）作者签名： 年 月 日导师签名： 年 月 日华 中 科 技 大 学 毕 业 设 计（论 文）页码摘 要 数字全息技术是一种新型的全息成像技术，该技术利用了CCD图像传感器作为记录材料，利用计算机进行数据处理，与传统光学全息法相比，具有非常多的优点。本论文我们根据数字全息算法，研究了使用数字全息算法在水下测量粒子形态的原理方法，研究了菲涅尔再现算法和卷积再现算法。并且据原理设计了一套水下测量粒子形态的实验装置，同时了解了获取水下粒子信息的主要手段和方法，掌握了水下前向全息测量方法的基本原理，研究了水下全息测量方法的数据提取技术和分析技术，研究了利用水下全息测量法来获取水中的微粒尺寸和形状等相关信息的原理与方法。研究了两种针对不同粒子的水下全息算法探测光路，最后设计了一套水下全息法测量水中粒子的实验装置，并进行了设备选型。关键词：数字全息法；CCD 图像传感器；菲涅尔再现算法；卷积再现算法；水下微粒探测华 中 科 技 大 学 毕 业 设 计（论 文）页码AbstractDigital holography is a new type of holographic imaging technology, using CCD image sensor as a recording material, using computer for data processing. Compared with the traditional optical holography, it has a lot of advantages. In this paper which based on the digital holography, the method of digital holography to measure the morphology of particles underwater is studied. I have also learned the Fresnel reproduction algorithm and convolution reproduction algorithm . A set of experimental devices for measuring particle morphology underwater is designed according to the principle. At the same time, the main means of obtaining the information of underwater particles and methods and the basic principle of underwater holographic measurement method is mastered. The data extraction technology and analysis technique of underwater holographic method are studied. The information of particle size and shape of water is studied by underwater holography principles and methods. In this paper, two kinds of underwater holographic algorithms for different particles are used to detect the optical path. Finally, an experimental device for measuring the particles in water is designed and the equipment is selected.Key Words：digital holography; CCD; Fresnel reproduction algorithm; convolution reproduction algorithm; underwater particles and Method华 中 科 技 大 学 毕 业 设 计（论 文）页码目 录摘要 .Abstract .1 绪论 .11.1 数字全息法简介 .11.2 数字全息法与光学全息法比较 .21.3 数字全息法应用及发展现状 .31.4 水下粒子探测中的数字全息法 .51.5 本章小结 .62 数字全息法理论基础研究 .72.1 数字全息法相关技术 .72.2 球面波理论-菲涅尔衍射 .82.3 数字全息法的数学模型 .92.4 二维傅里叶变换 .102.5 本章小结 .123 数字全息再现之理论方法 .133.1 数字全息法两种再现算法 .133.2 常用消除零级衍射光的数字图像处理方法 .163.3 本章小结 .194 水下全息测量方法数据提取和分析技术 .204.1 数字全息法条件参数分析 .204.2 两种不同情况数字全息法光路设计 .224.3 使用数字全息法对水中物体进行描述 .234.4 本章小结 .245 水下全息法测量水中粒子的实验装置 .256 总结 .27致谢 .28参考文献 .29华 中 科 技 大 学 毕 业 设 计（论 文）11 绪论 1.1 数字全息法简介 近年来，随着人类社会的进步，人们向海洋和水下进军的势头变得越来越猛，海下的多种已知未知生物，丰富的海产和能量资源有待着我们去探索和进一步研究。但是由于水体对于光线的吸收、反射和散射等一系列的因素的存在，传统的普通光学仪器并不能很好的直接再现水下物体的真实面貌，这对于人类的海洋发展形成了巨大的阻碍。利用数字全息法，以其不干扰流场，拍摄粒子尺寸范围大，拍摄景深大，可再现三维粒子场信息以及分辨率高等优点，可以达到我们对水下进行探索的目的。数字全息技术是光学全息技术，电子技术，图像处理技术及计算机技术的集大成者，是一种全新的全息全息成像技术。该技术使用了 CCD 图像传感器器件来记录全息图像，以替代传统的普通记录材料，同时使用计算机技术实现再现物体的过程以替代传统光学衍射元件。数字全息技术拥有比传统光学全息法更多的优点，比如消除噪声的影响，整个记录和再现像非常方便，可以容易的测量和分析，还可以很方便的进行数字化处理和储存。与传统光学方法相比较，数字全息法采用了 CCD 图像传感器，以此来作为图像的记录装置，这个记录装置的优点在于记录全息图所需的曝光时间极短，所以放宽了其对系统稳定性的要求，并且它可以直接记录下来运动体各瞬时的状态；与之相比之下，当我们使用光学全息法来解决此问题时，通常是通过采用大功率脉冲激光器等方法来完成全息图的记录，然而这个系统确实过于复杂，同时造价也是相当高，但是可靠性与稳定性并不好，使用这个系统来作为水下探测仪器，并不是一个理想方法。数字全息技术却无须化学湿处理，可以非常方便地用于现场的测量工作的进行，并且可以实现准实时化探测；在数字全息法中，粒子场的全息图和再现像均被存贮于计算机之中，这样的话，我们就拥有了更大的数据处理的灵活性，同时也更便于获取粒子的信息，我们还可以利用数字聚焦技术，从而更方便地得到液体体积中任意界面的全息图。然而，传统光学全息通常是通过华 中 科 技 大 学 毕 业 设 计（论 文）2对微粒场再现像的扫描、成像，之后再由 CCD 图像传感器及图像卡传输到计算机之中，再进行数据的分析和数据的处理，步骤非常繁琐。如今，得益于计算机强大的计算能力和图像处理的能力，数字全息术的研究得以进一步深入，应用得到了进一步的发展，工作效率也得以大大地提高，避免了繁琐、费时和费力的人工处理，而且我们同时也提高了测量的精度，因为数字全息法避免了人工判读的失误存在和主观因素的影响。通过计算机数字图像处理技术，我们可以相对方便地消除全息图中像差、噪声的影响，然而这在传统的光学全息法中是很难去实现的。因此，在水下探测的领域之中，数字全息技术具有普通全息法所无法比拟的优势，所以该项成像技术近年来已经成为了研究者们所关注的焦点，也是技术发展的热点之一。 1.2 数字全息法与光学全息法比较与传统光学方法相比较，数字全息法采用了 CCD 图像传感器，以此来作为记录装置，该记录装置记录全息图所需的曝光时间极短，所以放宽了其对系统稳定性的要求，并且可以直接记录下来运动体各瞬时的状态；与之相比之下，当使用光学全息法来解决此问题时，通常是通过采用大功率脉冲激光器等方法来完成全息图的记录，然而这个系统过于复杂，同时造价也是相当高，但是可靠性与稳定性并不好，使用这个系统来作为水下探测仪器，并不是一个理想方法。数字全息技术却无须化学湿处理，非常便于现场的测量工作的进行，并且可以实现准实时化探测；在数字全息法中，粒子场的全息图和再现像均被存贮于计算机之中，这样的话，我们就拥有了更大的数据处理的灵活性，也更便于获取粒子的信息，我们可以利用数字聚焦，从而方便地得到液体体积中任意界面的全息图。然而，传统光学全息通常是通过对微粒场再现像的扫描、成像，之后再由 CCD 图像传感器及图像卡传输到计算机之中，再进行数据的分析和数据的处理，步骤非常繁琐。华 中 科 技 大 学 毕 业 设 计（论 文）3如今，得益于计算机强大的计算能力和图像处理的能力，数字全息术的研究得以进一步深入，应用得以进一步发展，工作效率得以大大地提高，避免了繁琐、费时和费力的人工处理，而且同时又提高了测量的精度，因为数字全息法避免了人工判读的失误存在和主观因素的影响。通过计算机数字图像处理技术可以方便地消除全息图中像差、噪声的影响，然而这在传统的光学全息法中是很难去实现的。因此，在水下探测领域中，数字全息技术具有普通全息法所无法比拟的优势，近年来已成为研究者们所关注的焦点，也是技术发展的热点之一。1.3 数字全息法应用及发展现状 全息技术思是想由英国的物理学家盖伯最先提出的，他是在进行显微镜相关实验时得到的这一想法。盖伯于 1948 年开创了全息术，实现了全息记录功能和波前再现功能。因此，其得到了诺贝尔物理学奖。由于无法解决光源的问题，全息技术一直没有得到发展。而实像虚像之间的干扰，也是问题之一。然而直到上个世纪 60 年代，由于激光的出现，提供了相干光源，该项技术才得以进一步发展。同时，美国科学家引入了倾斜参考光束，提出了同轴全息术，解决了两个像相互干扰的问题。同时，在氦氖激光器的帮助下，第一次拍到了激光全息图。在此之后，各式各样的全息图被提出，相位型与振幅型，离轴型与同轴型，白光再现型与激光再现型，夫琅禾费衍射型与菲涅尔衍射型，除了进一步发展了全息术，也扩展了全息信息存储，全息干涉测量术，全息光学元件的发展。1967 年，数字全息法提出，随着电脑的计算能力的加强和 CCD 图像传感器的发展，数字全息法的算法和应用已经有了非常大的发展，逐渐成为了研究热点，而其在水下的良好性质也让更多的人来研究这个方法。20 世纪 90 年代，数字全息法得到了很大的发展。于 1986 年，美国科学家数字全息法是使用光电传感器件（如 CCD 图像传感器）来代替传统的干板记录全息图，然后将记录到的全息图存入至计算机之中，用计算机模拟光学衍射过程来实现被记录物体的全息再现和图像处理。数字全息法与传统光学全息术相比具有制作成本较低，成像速度较快，记录和再现较灵活等优点。Schnars.U 和 Jupter 使用电脑模拟了二次曝光，从而实现了定量测量物体的形华 中 科 技 大 学 毕 业 设 计（论 文）4变。在菲涅尔方法之中，衍射零级的光斑对再现像的影响非常之大。为了解决这一问题，德国人根据全息图频谱的零级项强度是全息图上所有像素强度和这一特点，提出了一种可以抑制零级项的影响的方法，从而使菲涅尔方法的前景变得更加广阔。Dirksen D 利用数字全息法，无透镜傅里叶，成功实现再现湿滑且不稳定的物体表面。CCD 图像传感器的分辨率相对有限，所以参物光不能有很大的角度。对于比较的大物体的测量，这个缺点非常的致命。德国人利用透镜来压缩全息图的空间频谱，之后利用算法进行变换，解决了这个问题。Kim M 利用了波长扫描技术扫描了生物组织的断层。日本人挖掘出来了数字全息法在测量粒子和测量形变之类的微观领域上的潜力。他们使用了一维积分得到了光强沿光轴的分布，并且找到了确定粒子在空间中的位置的方法，并对其进行二微积分，确定了粒子的大小。瑞士 Lyncee Tec SA 公司的数字全息显微镜 DHM 成功直接观测到纳米尺度的分辨率。还有的学者，凭借相干区和非相干区的差别，确定了粒子的不同截面。在中国，科研人员已经在数字全息法的分辨率提高，数字再现，电脑处理系统，动态显示等方面取得了长足发展的成果。西北工业大学的赵建林等学者们，利用了 CCD 图像传感器拼接技术和“亚像元”技术来对物体进行数字全息法成像，成功提高了数字全息图的分辨率，改善了再现像的质量。天津大学的学者们则利用了小波变换于数字全息法的数值重建过程，成功减少了计算量，改善了再现像的质量。山东师范大学的学者们则使用了自动聚焦算法，以此算法来判定再现像的位置，实现了再现像的自动对焦。最近的若干年来，随着计算机特别是高分辨率CCD 图像传感器的发展，数字全息技术及其应用受到了越来越多专家学者的关注，其应用范围已涉及到形貌测量、变形测量、粒子场测试、数字全息显微、防伪、三维图像识别和医学诊断等许多领域，并且也已经取得了非常可观的成就。华 中 科 技 大 学