基于DPIV和LIF联用实现对微流场的可视化测量

微流场的测量是目前微流体技术研究的一个难点。为了对微流场进行可视化测量,基于DPIV和LIF联用技术设计了一个微流场的测试系统。该系统以共焦成像的方式,同时测量微流场的速度场、温度场分布,为微流场的流动分析、热分析提供技术支持。所测得DPIV和LIF的图像经过处理,并用图像相关法将所得到结果进行测量。速度场用流动矢量图表示,温度场用伪彩色图表示,实现了对微流场的可视化测量。DPIV和LIF联用法具有可操作性好、测量精度、光路调节简单,测量时间短、效率高等优点。     

数字全息粒子图像测速技术应用于旋转流场测量的研究

将数字全息粒子图像测速(DHPIV)技术应用于旋转流场的三维空间速度测量当中。提出了一种新的焦平面定位方法,即综合灰度梯度法,对数字全息中粒子的焦平面进行精确定位,获得了粒子的空间坐标。针对数字全息粒子图像测速技术中的粒子匹配问题,采取三维互相关算法对流场中的示踪粒子进行空间匹配。将基于综合灰度梯度法和三维互相关算法的数字粒子图像测速技术运用到旋转流场全息图中,获得了局部的三维可视化速度场,与理论模型吻合很好。结果表明,该技术能够很好地应用于旋转流场的测量研究当中。     

旋流火焰三维温度场与速度场的同时激光测量

燃烧诊断与流场显示领域的研究热点已延伸至研发同时满足非侵入式、多参量同步测量、定量计算、多维可视化等技术要求的显示、测量新方法。研究复杂燃烧三维温度场和速度场的同时激光测量,表征燃烧化学反应和流场输运的重要特性。提出一种光偏折层析测温方法与粒子图像测速方法相结合的燃烧多参量场激光测量方法。设计温度场和速度场激光测量的实验系统,获取4方向莫尔偏折条纹和4幅火焰粒子图像。同时重建与可视化旋流燃烧温度分布和速度云图、流线、涡量等流场,并分析不同工况下的旋流火焰特性。对直接测量数据与重建结果进行对比,验证了所提方法的有效性。     

流场测速中基于深度卷积神经网络的光学畸变校正技术

基于光学成像的流场测量技术,如粒子图像测速技术（PIV）,易受到因流体中折射率的不均匀性或晃动的介质边界引起的光学畸变而带来的影响。这些畸变会使得示踪粒子在图像上的位置分布产生误差且严重影响图像清晰度,从而增大流场速度测量的误差。为了提高光学流场速度测量的测量精度,自适应光学系统可以应用于其中去校正光学畸变。基于图像流场测量中的光学像差具有频率高,动态范围大,空间分辨率高等特点,对于这一应用场景,基于波前校正器件的自适应光学系统受到了器件本身性能的影响。基于深度学习的自适应光学技术在流场测量中的应用,建立了一种基于深度神经网络的无波前校正器件自适应光学校正技术,以深度神经网络代替传统的波前校正器件,用于粒子图像测速技术中的光学畸变校正。为了生成神经网络所需要的训练和测试数据集,搭建了可以实现波前测量的粒子图像测速实验平台,分析并建立了光学畸变在粒子图像上的图像退化模型。最后,以校正后PIV图像的校正效果和流场速度测量结果作为评价标准,对所建立神经网络的畸变校正性能进行了分析。     

无机械扫描谱域光学相干层析术研究

为提高光学相干层析术(OCT)系统成像速度,借助成像光谱仪,以钨灯为非相干光源,采用柱面镜聚焦,搭建了迈克耳孙干涉仪结构的无扫描装置谱域OCT系统。介绍了系统结构和工作原理,对待测样品进行了层析成像实验,分析了系统的成像特性,利用中值滤波的方法消除背景噪声,获得了样品的二维层析图像,与点扫描光纤型OCT的成像速度进行了比较。研究表明,无扫描装置谱域OCT系统在8mm宽度范围成像时,其数据采集速度比传统点扫描方式约快2个数量级。     

采用频域光延迟线的光学相干层析成像

频域光延迟线是一种光学扫描结构,其基本组成是一个衍射光栅、一个透镜和一个扫描镜.把频域光延迟线应用到光学相干层析成像系统中,可以使参考臂扫描速率至少达到数m/s以上,从而实现视频速率的图像获取.从几何光学的角度分析了频域光延迟线的工作原理,分析结果表明在扫描角很小的情况下,入射光的光程或相位变化频率与扫描角频率有较好的线性关系.基于这一结构的光学相干层析成像的结果证明可以避免活体生物组织位移引入的图像模糊.另外,还提出了一种基于微执行器的新扫描装置.     

正弦相位调制全深度频域多普勒光学相干层析成像技术

将多普勒探测与正弦相位调制复频域光学相干层析成像技术(OCT)相结合,建立了基于正弦相位调制的全深度频域多普勒光学相干层析成像系统。利用正弦相位调制B-M扫描方法,并采用傅里叶变换结合带通滤波的方法重建复干涉谱信号,获得全深度层析及多普勒图像。成像深度范围扩大为原来的2倍,在整幅图像范围内均可获得较高的速度探测灵敏度。基于该系统获得了血流仿体的全深度层析图及全深度多普勒图。实验测量的系统最小可探测速度为5.35μm/s。     

一维小波变换在时域光学相干层析成像中的应用

时域光学相干层析(OCT)系统通常采用短时傅里叶变换(STFT)完成干涉信号的解调和图像重构。短时傅里叶变换算法简单,但是在干涉信号解调时难以获得好的去噪效果,通常还需在二维(2D)图像域对重构图像进行去噪。该方法数据运算量大,集成度不高。将一维(1D)小波变换(WT)应用于时域光学相干层析成像技术,同时实现干涉信号解调、去噪和图像重构。算法将时域光学相干层析的干涉信号分解到各个不同的频率空间,保留包含调制频率的频率空间的小波系数,对保留的小波系数进行滤波去噪后进行逆变换即可实现对干涉信号的解调和去噪,对解调信号等间距采样实现图像重构。该方法数据运算量小,集成度高,结合先进的小波去噪技术可以大大提高重构图像的分辨率,具有良好的应用前景。     

光学相干层析成像技术研究

文章主要阐述了光学相干层析技术作为一种有别于其他层析成像技术的新型技术手段,具有快速、实时、无损等特点。它能利用低相干光的干涉,将带有生物样品信息的相干光进行解调、滤波和放大后成像。文章主要从光学相干层析技术的背景、定义、原理及其在现代医学领域的应用和未来的发展方面进行研究。     

多尺度Retinex的光学相干层析图像增强研究

针对光衰减导致光学相干层析图像局部图像对比度下降的问题，提出了基于多尺度Retinex的光学相干层析图像增强方法。采用图像光照补偿的方法完成光学相干层析图像增强，选取多尺度Retinex算法在三个尺度条件下确定高斯滤波系数；利用高斯滤波系数对光学相干层析图像实施卷积处理，对灰度值结果实施加权平均处理，并采用分段线性平移与压缩方法对加权后灰度值实施映射，实验结果显示该方法可显著提升图像的颜色与对比度质量，有效解决了后向散射的问题，获取较好的光学相干层析增强效果。     

基于光学相干层析散斑的流速测量方法

发展了一种基于光学相干层析(OCT)散斑的流速测量方法。与传统激光散斑信号相似,样品中某一点处OCT信号随时间的波动与该处散射颗粒的平均速度有一定的依赖关系。通过对OCT信号的滤波和解调,得到OCT散斑波动信号,再对该信号进行傅里叶变换,得到散斑信号的频谱分布,然后依据频谱分布中高低频分量比值(HLR)与流速间的定量关系,就能确定样品中的流速分布。基于OCT散斑强度信号而非相位信息的流速测量方法,实验研究了HLR与流速间的关系,并给出了毛细玻璃管模型的流速分布图像。     

自适应光学相干层析在视网膜高分辨成像中的应用

视网膜光学相干层析（OCT）技术利用外部低相干光源照射人眼眼底,并将人眼眼底散射信号进行干涉成像,获得人眼视网膜的断层图像信息,以实现人眼视网膜无创、实时、在体的光学活检。传统光学相干层析在视网膜成像时的轴向分辨率可达3 μm以上,但由于人眼个体差异和不可避免的像差限制了视网膜OCT的横向分辨率,只能达到约15~20 μm。而自适应光学作为一项波前校正的先进技术,可以校正OCT色差以及人眼有限视场和眼球运动导致的像差,将OCT横向分辨率提高到低于2 μm,以实现视网膜细胞及微细血管近衍射极限成像,及时发现患者眼底存在的早期病变。在介绍自适应光学和视网膜光学相干层析的技术特点基础上,对自适应光学在视网膜光学相干层析成像应用的国内外发展现状进行了论述,总结了自适应光学OCT视网膜高分辨成像在宽带光源色差校正、眼球运动伪影减少、自适应光学视场扩大和波前传感与校正系统简化的关键技术和未来发展趋势,以实现大视场、高效率、高灵敏度、高分辨率的高速人眼视网膜成像,为未来自适应光学OCT视网膜成像技术的研究和应用提供参考和借鉴。     

基于线阵图像传感器的新型空间滤波测速仪

为了实现对固体表面运动速度的高精度测量,建立了一套基于线阵图像传感器的新型空间滤波测速仪系统,提出了一种确定系统误差来源的新方法。图像传感器在系统中既作为探测器又作为空间滤波器使用,系统结构得到了很大的简化。在理论上对线阵图像传感器的空间滤波特性进行了分析,并设计了图像传感器的驱动电路、信号采集和预处理电路。测量了由高精度转台作为主动轮的传送带速度和日光灯的发光频率。实验结果表明,传送带速度测量精度在0.77%以内,11 min 内的测量不确定度为0.66%;而在不使用成像系统的条件下直接测量日光灯的发光频率时,测量不确定度在0.056%以内,提高了一个数量级。总之,该测速仪能够基本满足传送带表面运动速度测量的实时、非接触、稳定和高精度等要求。     

OCT技术在生物组织中的应用

基于光学低相干反射测量而发展起来的光学相干层析技术（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ,简称ＯＣＴ）是一种新型的成像技术,它能对高散射介质如生物组织实施非侵入性的快速成像,因而在在体生物组织的微结构分析和疾病诊断等方面有重要应用。本文概述了ＯＣＴ技术在生物组织的成像、特性参数测量、双折射特性测量及流体测速等方面的应用情况。     

白光照明谱域光学相干层析成像研究

为了降低成本,同时改善光学相干层析成像技术的图像获取率和轴向分辨率,采用白光源照明的谱域光学相干层析成像的方法,进行了理论分析和实验验证,通过对薄膜等样品的测量,取得了一些基本的数据和图像。结果表明,样品内部结构的图像清晰可见,该系统切实可行,并能够实现工程和生物材料内部结构的实时3维图像重构。     

基于频域OCT的生物组织折射率测量研究

提出了一种利用频域光学相干层析系统测量生物组织折射率的方法.与时域OCT下的光程匹配法相比,该方法充分地发挥了频域OCT测量速度快的优势,只需要在放置样品前后进行两次干涉光谱测量,经傅立叶变换等数据处理后即可得到折射率.测鞋过程简单,操作简便,测量速度快,极大地缩短了样品在空气中暴露的时间,提高了测量的准确性.利用该方法测量了标准样品熔石英及真实样品黄瓜浅表层1 300 nm波长下的折射率,验证了该方法的有效性和可靠性.     

3D velocity field reconstruction of gas-liquid two-phase flow based on space-time multi-scale binocular-PIV technology

For particle image velocimetry (PIV) technique, the two-dimensional (2D) PIV by one camera can only obtain 2D velocity field, while three-dimensional (3D) PIV based on tomography by three or four cameras is always complex and expensive. In this work, a binocular-PIV technology based on two cameras was proposed to reconstruct the 3D velocity field of gas-liquid two-phase flow, which is a combination of the binocular stereo vision and cross-correlation based on fast Fourier transform (CC-FFT). The depth of particle was calculated by binocular stereo vision on space scale, and the plane displacement of particles was acquired by CC-FFT on time scale. Experimental results have proved the effectiveness of the proposed method in 3D reconstruction of velocity field for gas-liquid two-phase flow.     

大气相干长度测量信标自动跟踪系统

大气相干长度是研究大气湍流强度、激光大气传输以及自适应光学的重要参量之一.整层或有限距离相干长度的测量大多是以恒星、高空气球中光目标等作为信标光源的.一般依靠轨道跟踪或手动跟踪,跟踪能力差,测量时操作不便.为此研制了一套信标自动跟踪测量系统,可以实现各种不同条件下大气相干长度的自动跟踪观测,从而大大提高了测量性能.     

Manipulation of micro-particles using a magnetically actuated microrobot

Recently, various micromanipulation methods using a microrobot have been studied in medicine and biology. In particular, the methods based on the use of a microrobot actuated by an electromagnetic actuation (EMA) system have received much attention because the microrobot using EMA system has free locomotion and precise controllability. These advantages of an electromagnetic actuated microrobot can be used to manipulate micro-particles. Previously, we proposed a 2-dimensional (2D) locomotive microrobot using EMA system and realized the free 2D locomotion of a microrobot of 10 mm length and 1 mm diameter. In this paper, we propose a microrobot for the manipulation of micro-particles. First, we fabricate a microrobot of desired shape and size by the conventional micro-molding technique. Second, we control the fabricated microrobot by using a 2D EMA system and test its basic performances such as directional controllability and velocity. The results of these basic tests confirmed that the microrobot had precise directionality with direction error from 1.52 deg. to 2.16 deg. and moving velocity range from 2.34 mm/s to 18.67 mm/s. In addition, the microrobot has the positioning errors in the 0.07–0.12 mm range and the propulsion force of the microrobot is continuously changed in proportional to the applied current in Maxwell coil. Finally, the proposed microrobot and its EMA system were tested for their ability to position a micro-particle. The results confirmed that the microrobot using the EMA could be used for the manipulation of various micro-particles.