数字同轴全息油液磨粒形貌检测技术的研究

提出一种基于数字同轴全息三维成像理论的油液磨损颗粒检测新技术,该技术同时具有颗粒计数、颗粒成像及形态、形貌识别分类等功能,可为基于油液分析的机械设备状态监测和磨损故障诊断提供新的检测手段。对数字同轴全息用于油液磨损颗粒检测的原理、特点及系统软硬件组成等进行了详细介绍,并进行了实验验证,实验结果证明了该技术的可行性。

均匀球面波数字同轴全息生物显微方法

传统的小孔球面波数字同轴全息受小孔的不确定度影响,成像质量并不理想。本文提出一种产生均匀球面波得到宽视场高分辨的显微成像方法。激光经过扩束镜、显微物镜后聚焦成一个极小的光斑,调节针孔阵列与焦点的距离,针孔直径与焦斑相配形成理想球面波。照明被测物后,透射球面波和物体散射的物光波形成干涉条纹,由大靶面图像传感器采集。载物与不载物的图像相减去掉脏点和杂光干扰。菲涅耳逆变换重构算法恢复物体信息。生物实验证明,均匀球面波数字同轴全息能够获得高质量显微成像,视场范围3.22 mm×3.22 mm,分辨率5.09μm,其快速、非接触、灵活的放大倍率可广泛应用于光学元件检测、材料识别、生物医学领域。

基于数字同轴全息的铝颗粒燃烧粒度分布研究

铝颗粒的团聚效应会对固体推进剂燃烧造成不良影响,产生积渣、两相流损失等问题。为掌握铝颗粒的团聚机理,了解初始铝颗粒尺寸以及压强对铝团聚的影响,以优化推进剂配方及粒度级配,有必要对三维空间内铝颗粒的粒度分布进行研究。为解决传统检测方法的景深问题,采用了数字同轴全息(DIH)技术,并用普通镜头搭配4f透镜组取代长焦显微镜头构建了成像系统。实验一方面对两种具有不同初始粒径的推进剂A和B进行燃烧测量,另一方面对推进剂B分别在0.1,0.2,0.3MPa三种不同压强下的燃烧进行了测量,然后通过全息重建以及图像处理技术得到了燃烧铝颗粒的粒径信息,相对测量误差在9%以内,最后采用Normal和Log-Normal多峰拟合获取了粒度分布的详细参数。对比实验结果发现,常压下铝团聚体的尺寸随着初始铝粉粒径减小而减小;随着压强增大,铝团聚物的尺寸逐渐变小,体积概率密度逐步由双峰分布变为单峰分布,说明压强升高对于铝团聚有抑制作用。

数字同轴全息颗粒场检测中的颗粒分割识别与独立聚焦

针对数字同轴全息颗粒场检测中不同层面颗粒的自动聚焦问题,通过分析颗粒场数字同轴全息记录与再现的特点,提出一种颗粒分割识别与独立聚焦方法.给出了对单个颗粒进行聚焦判断的独立聚焦判据函数、以及实现颗粒分割识别和独立聚焦的方法.通过单层单个、两层两个及多层多个颗粒场的实验,验证了所提出方法的正确性.

同轴数字全息用于血吸虫尾蚴检测研究

由于水的表面易出现抖动或波动情况,而传统的显微镜成像需要精确的光学焦聚过程,因此不适于观察漂浮于水表面的血吸虫尾蚴.本文论述了用同轴数字全息检测血吸虫尾蚴的基本原理.通过对再现像进行小波分析发现,偏离焦点时的小波变换高频系数的幅值比聚焦时要小得多.针对这一特点,本文对小波变换清晰度评价函数进行了改进,将原来利用高频系数之和改为利用聚焦窗口中高频系数的最大幅值为清晰度评价依据.在模拟实验结果中清晰度评价函数极大值出现在再现距离与记录距离相等处,说明了该算法的准确性.建立了用于血吸虫尾蚴检测的实验装置,可方便获取普通显微图像及数字全息图.实验结果表明,本文提出的算法能实现实际情况下的数字全息自动聚焦,其再现像的分辨率与装有1倍显微镜头的数码显微镜分辨率相当,足以清晰地分辨出血吸虫尾蚴的尾部分叉特征.利用同轴数字全息技术可在水面与图像传感器之间的距离不确定的情况下实现对血吸虫尾蚴的检测.

用于海洋原位浮游生物探测的同轴数字全息显微技术研究（英文）

本文将数字全息与显微成像技术相结合,设计搭建了一套数字全息显微系统,用于对浮游生物进行光场获取。基于该系统获取的光场信息,通过在不同景深对图像进行再现,既可以获到单一浮游生物的清晰图像,也可以获得一定水体内浮游生物微粒在海水中的三维分布情况。通过实验测得系统分辨率可以达到7.8微米,景深可以达到10毫米,优于一般光学显微镜的技术指标。研究结果表明优势明显的数字全息显微系统是一种适合海洋原位探测的浮游生物研究的有效方法。基于数字同轴显微系统的水下仪器开发将是下一步工作的努力方向。

同轴数字全息视频动态跟踪处理实验

用数字全息进行动态观测时,由于不同物体记录距离不同,且不断地变化,再现像不能始终处于清晰状态。本文提出了利用同轴数字全息视频技术实现在三维空间内对运动物体进行连续动态观测的方法,研究了其中的动态跟踪聚焦算法和视频处理算法。利用上一帧再现像中观测物体的中心位置作为下一帧全息再现中聚焦窗口的中心位置,使聚焦窗口始终跟随观测目标移动,从而保证处理全息视频时每一帧再现像都能准确自动聚焦,使再现视频中要观测的目标始终处于清晰状态。采用上一帧的聚焦距离为下一帧再现距离的搜索中心、避免处理不同全息图时的重复运算等方式来提高数字全息视频的处理速度。实验结果表明,本文提出的数字全息视频成像技术能实现在三维空间内对某一特定运动物体进行连续动态观测。

非定值相移量的单步相移同轴数字全息

提出一种非定值相移量的单步相移同轴数字全息算法。对CCD面上的干涉光强进行了分析,用图像相减法算出CCD面上不能确定相位正负的物光波,再记录一帧有相移的干涉光强,来确定相位的正负。其特点是有相移的这一帧干涉光强没有参与物光场大小的运算,只是用于相位符号的判断。该算法对相移误差不敏感。

同轴数字全息术在大气可吸入颗粒物PM_(2.5)测量中的应用

讨论了同轴数字全息术测量PM2.5大气可吸入颗粒物的可行性,并设计了一套针对PM2.5颗粒测量的同轴数字全息实验装置。在讨论同轴全息图的数字图像处理方法基础上,利用所设计的装置测量了与PM2.5颗粒粒径相当的标准粒子,对实验结果进行了分析和讨论。实验证明,同轴数字全息术可有效应用于PM2.5颗粒的测量与分析。

同轴数字全息用于铝燃烧颗粒的测量研究

为获得三维空间范围内固体推进剂铝颗粒动态燃烧的粒径信息,采用同轴数字全息技术对固体推进剂中铝动态燃烧颗粒粒径分布的测量进行了研究。在常温常压下,采用两种放大倍数(1.1倍和2.7倍)的成像系统对两种推进剂进行了全息测量,分别从两种推进剂铝燃烧颗粒的全息重建图像中提取了所有铝燃烧颗粒的粒径信息,采用Log-Normal多峰拟合方法获得了颗粒粒径分布的详细参数。实验结果表明:在颗粒重建全息图的基础上,采用插值方法极大地提高了颗粒粒径的测量精度,在10μm^200μm内,相对测量误差可降低至0.4%。该方法能够清晰获得10μm^900μm内所有铝燃烧颗粒粒径分布和平均粒径等信息,说明该方法适用于固体推进剂铝颗粒燃烧的精细化测量。

磁流变液中软磁性颗粒尺寸及分布的数字全息测量

针对目前磁流变液工作机理尚不完全清楚的现状,提出利用数字全息技术对磁流变液中软磁性颗粒进行三维可视化显示和测量。通过同轴数字全息记录光路,在无磁场和有磁场两种状态下,利用CCD传感器获得了软磁性颗粒的同轴全息图。结合相关系数法,通过数字重建得到了磁流变液中各软磁性颗粒的大小及分布,实现了软磁性粒子的三维可视化显示与测量,为进一步研究磁场作用下磁流变液的动态特性奠定了基础。

基于数字全息干涉术测量液相云微物理起伏的湍流参数表征

针对云降水物理研究中湍流的测量需求,提出了一种基于数字全息干涉术测量液相云微物理起伏的湍流参数表征方法。该方法无需假设云滴谱分布函数及调整相关参数即可获得实际湍流影响的液相云微物理起伏。利用定常湍流影响的雾滴模拟液相云滴,采用像元尺寸1.67μm的相机时序记录雾滴谱,获得含水量与雾滴平均半径的起伏。根据湍流理论,计算了湍流的方差,时间相关系数,协方差和互相关系数。最终,通过分析不同间隔时间含水量的时间相关系数,获得湍流场的时间尺度为100 ms;在固定采样间隔71 ms的条件下,分析不同起始时间含水量的时间相关系数,其起伏量与平均值的最大偏差为23%,证明了测量区域流场为定常湍流。该方法可为研究液相云微物理与湍流特性及相互作用机理提供有效的测量手段。

基于压缩感知的相移数字全息图的压缩实验研究

由于数字全息图的数据量庞大,其传输、存储占用大量的通信带宽和存储空间。为实现数字全息图有效的传输、存储,需要对其进行信息压缩。压缩感知理论突破了奈奎斯特采样定理的极限,能够以随机采样的方式,用远低于奈奎斯特采样定理所需要的最小数量,来精确地恢复原始信号。本文主要在同轴数字全息成像系统的基础上,引入压缩感知理论,深入研究了三种重构算法在物体全息图压缩中的影响。并分析比较出了适合数字全息图压缩重构的算法。经实验验证,适用于普通图像压缩重构的TVAL3算法,在数字全息图压缩重构中,其效果并不如Tw IST算法。

基于物理增强神经网络的连续太赫兹波同轴数字全息成像

太赫兹同轴数字全息是一种全场、无透镜、定量相衬成像方法,具有简单且稳健的光路结构,适合太赫兹波应用,然而其固有的孪生像问题会严重降低再现像的质量.提出一种将物理模型和卷积神经网络相结合的迭代相位复原方法,在无需施加约束以及准备预训练的标记数据集情况下,可从单幅同轴数字全息图中高保真度地恢复出样品的复振幅分布,并充分抑制孪生像干扰.仿真和实验结果表明了该方法的可行性,再现像质量优于目前主流方法,即基于物理增强神经网络的方法可以进一步拓展太赫兹数字全息成像的应用范围.

深度学习用于连续太赫兹同轴数字全息重建

由于太赫兹面阵探测器像元数少,且目标像素数较少,全息图的衍射效应明显,因此其重建较可见光全息图重建困难。研究两种将深度学习用于二维连续太赫兹同轴数字全息振幅重建的方法,并与传统的角谱法(ASM)和带切趾的振幅约束相位恢复算法(APRA)进行对比。第一种是端对端的U-net网络重建方法(H-UnetM),即网络输入图像为全息图;第二种是角谱法加U-net网络重建方法(AS-UnetM)。仿真研究表明,对于记录距离15~20 mm、分辨率0.3~0.5 mm目标的2.52 THz全息图,AS-UnetM重建优于APRA,而H-UnetM仅优于ASM但不如APRA。最后通过真实实验加以验证,结果表明H-UnetM能够重建目标,但部分背景噪声也被突出,而采用ASUnetM在目标附近的重建效果最佳。

数字全息云粒子测量技术现状及进展

准确获取大气中云粒子的原位探测信息,对于揭示气溶胶—云—降水形成物理机制、改进数值预报模式微物理参数化方案、评估人工影响天气催化效果等具有重要的应用价值。数字全息测量技术能够同时获取云粒子的尺度、速度、相态和空间位置等信息,且具有覆盖粒子尺度范围广(μm~mm)、空间采样精度高(可达mm量级)和仪器采样体积可准确确定等诸多优点,在云微物理观测领域具有广阔的应用前景。总结了目前国内外数字全息云粒子测量仪器的研究现状,分析了仪器研制所涉及的全息光路设计、机械防护和全息图处理等几个关键技术问题,并介绍了全息云粒子观测结果在揭示混合云内冰晶冻结机制和云中湍流混合作用影响微物理机制等方面的应用。最后,从技术应用角度对全息光路优化设计、全息图处理方法、仪器结构防护和外场观测试验等方面作了一定的思考和展望,以期为开展相关仪器研制和云微物理观测应用研究提供参考。

Gabor同轴数字全息的多重再现与自动聚焦

对于近场同轴数字全息在聚焦再现(再现距离精确等于实际记录距离)时,采用多重再现方法可以很好地消除共轭像的影响,但该方法没有考虑和分析再现距离与实际记录距离存在偏差时的影响。然而在实际应用中,实际记录距离难于精确测定,数字再现时采用的再现距离往往与实际记录距离存在偏差。对该方法进行了进一步的深入分析,分析发现该方法对距离偏差十分敏感,且随着距离偏差增大其共轭像消除效果会急剧下降;利用该方法对距离偏差的敏感特性,可以提高同轴数字全息自动聚焦的精准性和灵敏性。对上述结论进行了原理分析和实验验证。

太赫兹伽栢同轴数字全息自动聚焦研究

太赫兹数字全息是太赫兹成像技术的重要研究方向。由于太赫兹波长相对较长，使得太赫兹同轴数字全息的记录距离一般都比较近，因此系统记录距离的准确测量意义重大。对真实2．52THz伽柜同轴数字全息图应用5种自动聚焦判别函数，通过截取再现像目标提高了判别精度。实验结果表明归一化方差判据函数最好，证明了5种自动聚焦判别函数应用于太赫兹同轴数字全息的可行性。

基于相位恢复法的连续太赫兹同轴数字全息成像仿真研究

太赫兹同轴数字全息具有较低的光子能量和对非金属与非极性物质较高的穿透能力,越来越受到人们的重视。但由于零级衍射光和共轭像的影响,会导致重建像细节模糊,造成图像质量下降。通过仿真对比分析了相位恢复法在可见光和太赫兹数字全息中的应用,并通过研究重建像的均方差随记录距离和记录间隔的变化情况,验证了在太赫兹波段可以将两次全息图记录缩减成一次的成像方法。讨论了噪声对简化成像的影响,结果表明当全息图和背景都带有噪声时,相位无法恢复到预定值,随着噪声的增大,重建像会越来越模糊,直至完全被噪声掩盖。

探测器参数对太赫兹同轴数字全息单点分辨率的影响

太赫兹数字全息成像是当前太赫兹成像技术的前沿研究方向之一，其中分辨率问题是这一领域的关键。有关数字全息分辨率的研究大多基于经典分辨率的估计方法，即两点分辨率问题，很少涉及到单点分辨率。在逆问题方法的框架下，通过对太赫兹同轴数字全息单点分辨率在不同探测器参数下的结果进行对比分析，给出了随着探测器的占空比、像素个数等参数的变化，物平面上各点分辨率的变化情况，以及单点分辨率的空间分布。研究结果对于实践中探测器参数的优化，以及评价太赫兹数字全息分辨率提高方面具有重要的意义。