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。     

极少方向投影光偏折CT的偏折角压缩传感修正重建

将压缩传感理论与偏折角修正迭代技术相结合解决光偏折层析极少方向的投影重建,提出了一种新的偏折角压缩传感修正重建算法。该算法以待测场梯度的l1范数为稀疏性先验模型,结合最速下降法进行全变差调整,并引入压缩传感权重因子对迭代过程进行优化。在极少方向投影条件下对双峰温度场进行模拟重建,并在相同条件下与已有算法进行比较。结果表明,在6方向投影数据条件下,新算法在峰值构建和重建平滑度方面均表现出显著的优越性,新算法的峰值误差和标准距离误差分别比现有算法降低了18.32%和46.67%。通过对喷焰温度分布的实验测量证明了该算法的有效性。     

基于格雷码图案投影的结构光三维成像技术

近年来,结构光三维成像技术被深入研究和广泛应用。在众多的结构光投影三维成像方法中,基于格雷码图案投影的三维成像技术因具有良好的鲁棒性和抗噪性被广泛地应用到工业检测、文物数字化及生物医学检测等领域。投影出去的格雷码图案作为一种结构光,可以直接用来调制被测面形高度分布,也可以用来辅助其他结构光的信息获取和计算,最终达到三维成像的目的。文中概述了基于格雷码图案投影的结构光三维成像技术,回顾了不同种类方法的基本原理以及研究进展,给出了课题组相关方向上的原理及应用研究结果,分析了格雷码二值图案在三维面形测量应用中的优缺点和适用范围,并指出了该领域今后的发展动向。     

基于数字全息的甲烷-氧气预混火焰温度场研究

为了获取相对稳定的温度场,通过实验得到了不同比例下甲烷-氧气预混火焰温度场的变化情况,并分析了甲烷质量分数对该预混火焰温度场的影响.借助Mckenna燃烧器,采用数字全息技术,获取不同甲烷-氧气比下预混火焰温度场的干涉条纹图像,利用巴赫沃斯低通滤波降低经过预处理的图像的散斑噪声;通过改进的四向最小二乘解包裹法提取温度场...     

基于数字全息层析术对单模光纤折射率三维分布的重构研究

提出了一种基于数字全息层析术的数字重构方法 。针对单模光纤(SMF)的折射率分布具 有轴对称性的特点,可仅根据在任一与光纤轴向垂直的旋转角度下从数字全息图再现出的相 位分布, 采用层析算法重构出与SMF轴向垂直的折射率断层分布。通过获取SMF的折 射率断层分 布,就可获取其折射率三维分布。与以往测量SMF折射率分布的方法相比,本文方法 具有对被测样 品无损、测量方法简单及测量速度快等特点。理论分析与光学实验结果均验证了本文所提方 法的有效性。     

相位测量偏折术中基于多频相移法的寄生反射抑制法

相位测量偏折术(phase measuring deflectometry,PMD) 是一种针对镜面和类镜面物体的光学三维面形测量技术。但在测量透明物体时,后表面反射光将与前表面反射光混合,从而造成条纹图案混叠,进而引入测量误差。为解决这一问题,本文提出了一种基于多频相移法的后表面反射抑制方法。通过分析相位误差与条纹频率之间的关系,并借助调制度曲线和构造的辅助函数,找到一个特殊的频率,理论上该频率下展开的连续相位等于前表面的相位。又由于透镜的复杂性,利用时间相位展开算法逐频展开的连续相位存在级次计算错误,为此提出了改进算法实现级次校正,进而得到该频率下的屏幕坐标,最终完成前表面面形的准确重建。透明镜片的实测结果表明,所提方法能从混叠条纹中顺利解调出前表面相位。     

基于数字全息层析的温度场三维检测方法

提出一种结合数字全息干涉测量原理和计算层析迭代原理的温度场三维检测方法。首先,基于光纤传导的离轴数字全息光路,通过旋转记录多角度的数字全息图。然后,对全息图进行数值重构,获得多角度上的定量相位分布,以此作为计算层析迭代的投影数据,并采用层析迭代算法重建三维折射率场分布。最后,基于折射率与温度之间的关系,反演得到三维温度场分布。基于上述方法搭建了实验系统并开展实验验证,实验测量结果与温度场预测分布基本一致,证明了该方法在对温度场三维检测的可行性。     

基于高速LED阵列的条纹结构光三维测量方法

针对数字光处理（DLP）投影仪投影速度低从而限制结构光三维测量速度的问题,采用具有兆赫兹量级切换速度的LED阵列作为投影光源,提出一种基于高速LED阵列的条纹结构光三维测量方法。具体地,使用高速LED阵列投影二值条纹图案,通过对投影系统的镜头进行轻微离焦从而在被测三维物体表面获得正弦条纹,然后结合相移法和多频外差法对物体三维高度进行解算重建。使用所提实验系统在21000 frame/s的投影速度下对旋转速度为3000 r/min的阶梯物体进行三维测量,系统对动态物体的测量速度达到6000 Hz,测量精度达到0.1 mm,实现了对高速运动物体的三维形貌重建,同时展现出高速LED阵列作为投影光源提升三维测量速度至兆赫兹量级的可行性。     

动态三维面形测量的研究进展

近年来,光学非接触三维面形测量技术被深入研究和广泛应用,其中常采用的技术方案是投影一个载频条纹到被测物体表面,利用成像设备从另一个角度记录受被测物体高度调制的变形条纹图像,再从中解调重建出被测物体的三维面形分布。与单帧图像的傅里叶条纹分析方法相结合,这种基于条纹投影的调制和解调技术被拓展应用到动态过程(物体)的三维面形测量和重建中,以满足日益增长的动态过程分析需求。回顾了近年来在基于条纹投影和傅里叶分析的动态过程三维面形测量以及薄膜振动模式检测研究中的进展,讨论了不同动态过程的测量方法和测量系统,给出了相关应用的实验结果。讨论了该技术的优点和面临的挑战,并指出了该领域今后的发展动向。     

一种基于STL(标准模板库)的三维数据可视化容器设计

在三维数据的可视化程序设计中,运用基于ANSI/ISO C 模板和面向对象技术,构造出一个能实现三维数据可视化的容器,规整了一些用于数据可视化的常用算法,实现了数据体的随机访问。此外用户接口呈现为一个标准模板库(STL)的接口,从而获得标准模板库的算法和迭代器的能力。因此,该容器是一个可重用、人性化、可扩展、可定制的组件。     

基于计算全息技术的彩色CT真三维可视化

不同于现有的用计算机软件合成的CT 图像的伪 三维可视化,本文提出了一种基于计算全息技术的彩色CT 图像的真三维可视化技术。首先,利用计算全息技术对彩色CT图像进行三维重建,将一组 彩色CT图像的空间 二维信息融合成三维信息,并以计算全息图(CGH)的形式进行保存;然后,设计了彩色CT图 像光电再现与三维显示系 统,以液晶空间光调制器(LC-SLM)作为CGH的显示载体,通过计算机同时输入 3幅CGH,通过光电再现获得 三原色三维再现像,利用合色棱镜将三原色再现像合成为彩色图像,用雾屏作为彩色三维再 现像的显示载体,获 得彩色真三维CT图像。在全息图的计算过程中,基于CT图像的二维属性,采用了快速傅里 叶变换(FFT)算法,大大加快了计算速度。给出了理论分析与实验结果。     

基于FPGA的实时光OFDM发射机的研究

基于Xilinx现场可编程门阵列(FPGA)实时产生正交频分复用(OFDM)信号,其中包括伪随机二进制序列发生器(PRBS)实现、完全并行运算反傅里叶变换(IFFT)技术的应用以及数模转换(DAC)接口电路的设计等,OFDM电信号解调后的星座图具有较好的收敛性,相应的误差矢量幅度(EVM)为4.42%。当发射机与接收端存在采样频率偏差时,各子载数据产生不同的相位旋转,系统误比特率(BER)显著升高,采样频率同步后系统性能得到明显改善。通过搭建强度调制直接检测光OFDM(O-OFDM)实验系统,传输200km标准单模光纤(SSMF)后,在接收端对O-OFDM信号进行了离线处理,与背靠背(BTB)传输相比,光功率代价小于0.6dB,实验结果表明,所设计的O-OFDM发射机具有较好的性能。     

基于光束偏转层析技术的三种Radon变换迭代法

本文通过计算机模拟研究,利用气体温度场的先验知识,考查了用光束偏转层析技术重建三维温度场的基于卷积反投影的三种Radon变换迭代法。作为一种应用实例,测试了某截面上的气体温度分布,并与热电侧测量的值进行了比较。     

基于光相位信号延时自相干的相位信息高速实时取样系统

提出了一种基于光相位信号自相干的高速光相位实时取样方案。利用时延为10ps的延时干涉仪(DI),将待测光信号的相位信息转换为强度信息;再在高非线性光纤(HNLF)中,利用四波混频(FWM)效应对强度信号进行取样。在接收端,利用不同中心波长的光滤波器(OBPF)即可滤出不同时间点的取样信号,从而在光域同时完成高速光相位信息的实时取样和取样信号的串-并转换。本文方案具有成本低、对测信号码率和波长不敏感的优点。实验中,对9GHz正弦调制以及10Gb/s非归零码调制的光相位信号实现了100G/s的高速实时取样系统,并转换为10路10G/s取样信号输出,最终恢复取样光信号的相位波形。     

基于经验模式分解法的光学相干层析成像去噪研究

针对光学相干层析(OCT,optical coherence tomography)成像中存在的散斑噪声和扫描噪声,提出了采用经验模式分解(EMD,empirical mode decomposition)算法同时减小这两种噪声的思想。EMD是一种时频分析法,较傅立叶谱法能准确地确定时变非平稳的这两种噪声随时间变化的频率特性,从而获得更好的滤波效果。结果表明,通过合理设计EMD滤波参数,即可有效地同时减小散斑噪声和扫描噪声,信号的信噪比(SNR)提高(不考虑扫描噪声时,SNR达7dB左右,考虑到扫描噪声时,SNR提高达3dB左右),扫描噪声的条纹对比度降低60%以上,改善了成像质量,同时图像细节得到保留。与小波去噪法相比,本文方法具有滤波器设计简单、去噪效果明显及能同时有效地去除两种噪声的优点。     

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.     

基于偏振双折射棱镜的光学相控阵角度放大级研究

为了扩展光学相控阵的角度扫描范围,研究了偏 振双折射棱镜结构对角度放大性能的影响,分析了限制放大倍数和光束偏转效率的主要 因素,并提出了相应的优化设计方法。研究 结果表明:放大级中各级双折射棱镜的结构角和入射光角度决定了出射光角度分布,要获得 更大 的角度范围和均匀的角度间隔,应优化设计各级双折射棱镜的结构角;要提升放大倍数,应 设计 更大的结构角或者增加级联双折射棱镜数量,但这些都受到光束走离效应的限制,实际中应 结合 相控阵要求的通光口径和最小角度间隔等因素进行综合设计;放大级系统中,偏振控制误差 是造 成杂散光的主要因素,应严格控制各级液晶波片的驱动电压。     

基于分布式布里渊光学时域反射的光纤腐蚀传感器的实验研究

研究开发了一种用于监测钢筋混凝土结构中钢筋腐蚀的基于分布式布里渊光学时域反射(BOTDR)的光纤腐蚀传感器,探讨了布里渊传感技术中有效测点的选择方法,并推导了适用于布里渊光纤腐蚀传感器的钢筋腐蚀定量评价公式。利用电化学加速腐蚀实验系统对埋入混凝土试件中的布里渊光纤腐蚀传感器的性能进行了实验研究,利用推导的钢筋腐蚀定量评价公式和布里渊分析仪采集到的数据对钢筋腐蚀的程度进行了实时监测。实验研究表明,该传感器能够有效监测钢筋的早期腐蚀,并实现了对腐蚀的准分布式、实时和定量测量。布里渊光纤腐蚀传感器对钢筋质量损失率δ的有效监测范围约为0.0~0.1%,分辨率约为1.1×10-5。     

WDM光网络中基于业务等级的动态RWA算法研究

在WDM光网络中,将波长路由算法(Routing and Wavelength Assignment,RWA)与服务等级约定(Service Level Agreement,SLA)结合在一起研究,以此来确保高等级业务在传输时具有更好的可靠性和低阻塞率,并对实验数据进行仿真分析.