基于片光源照明成像的水中群气泡特性测量

研究了舰船尾流分布特性规律,分析了图像法测量舰船尾流气泡参数的难点,提出了片光源照明、高速摄影技术结合的尾流气泡群测量方法.采用空气泵产生压缩空气,并通过微孔陶瓷管释放的方法建立了水中气泡产生及控制平台,系统通过调节空压泵气压,产生不同大小、密度、运动速度的气泡源,并采用片光源、短曝光时间（最小曝光时间为14μs）高速相机对不同气泡源进行了测量分析.结果表明：采用片光源照明、CCD照相技术可对气泡群进行清晰成像,空压泵压力的调节可获取不同尺寸、密度、运动速度的气泡源.     

用于尾流探测的新型片光源

尾流气泡幕图像的像质取决于水下光电探测系统的效率,而光源是影响整个成像系统品质的重要原因。针对这个问题设计了适用于实际水下复杂工作环境的新型激光片光源系统,分析和验证了该片光源的能量利用率及可行性。试验结果表明,该片光源系统解决了成像系统照明问题的同时,避免了在光学系统景深范围内太多的图像层叠。在实验室条件下可以获得较清晰的图像,为后续的气泡幕物理参数的精确获取创造了重要的条件。这种光源的独特优势使其在水下小视场光学系统中得到很好的应用。     

范数理论在尾流气泡幕参数研究中的应用

针对目前尾流测量中只能获得一个参数的缺点,本 文将范数理论应用于尾流气泡幕参数的计算。 试验中,通过片光源切片成像系统拍摄尾流气泡幕图像,应用范数计算方法结合粒径信息得 到气泡幕图像的 粒密度、粒径分布均匀性和体密度等参数,再通过上述参数判断产生尾流的目标航体的相关 信息。与传统的方法相比,范数计算方法具有所需已知量少、计算方法简单、获取信息量大 和 对舰船尾流的状态判断准确等优点,有望在舰船尾流气泡幕的研究取得重要的应用。     

水中气泡运动特性及测量

舰船尾流气泡特性的研究是研制水下声、光尾流探测装备的基础.从受力分析的角度出发,对水中气泡在上浮过程中的速度方程、径向运动方程进行了理论推导与数值计算,得到了水中气泡上浮过程中的半径、速度以及在水中停留时间的变化规律.采用空气泵产生压缩空气,并通过微孔陶瓷管释放的方法建立了水中气泡产生及控制平台,系统通过调节空压泵气压,产生不同大小、密度、运动速度的气泡源,并采用片光源、短曝光时间相机对不同气泡特性进行了测量分析.实验结果与数值计算、文献报道的结果较好地得到吻合,为舰船尾流气泡特性研究提供理论及实验基础.     

THz波连续波透射式逐点扫描快速成像实验研究

利用CO₂激光抽运太赫兹(THz)激光器,搭建了TH z连续波透射式快速扫描成像系 统。将样品置于平移台上,利用透镜将THz光束聚焦于样品表面,通过计算机控制平台 连续移动与信号实 时采集,大大缩短了成像时间,通过计算机重构获得扫描图像。从扫描速度,成像分辨率的 角度出发,对 连续THz扫描成像系统进行优化研究。实验对1cm×1cm的样品,用0.25mm步 长进行扫描成像,得到 最短成像时间仅需3min,在输出频率为4.3THz时,图像最高分辨率达到0.1mm。对刀片与树叶进行扫描 成像,分析并比较了衍射极限对成像质量的影响。结果表明,在选用高频率输出光源和扫描 平台小步长移动情况下可以获得更好的成像质量。     

应用六阶波像差理论的鱼眼镜头系统设计

鱼眼镜头系统具有平面对称、超大视场、大孔径成像等特点,使得其设计十分复杂。波像差理论是研究光学系统的重要手段,由于鱼眼镜头系统具有平面对称的成像特性,赛德尔初级像差和基于轴对称光学系统发展的高阶像差理论不再适用于鱼眼镜头系统的像差分析和设计。介绍了六阶波像差理论,包括六阶本征波像差、五阶像差、衍生波像差及孔径光线二阶精度对波像差的影响,给出六阶波像差理论设计鱼眼镜头系统的流程图,应用六阶波像差理论设计鱼眼镜头前光组,由其前光组与后光组像差平衡设计了后光组。最后得到一成像质量良好的鱼眼镜头系统,该镜头的焦距为5.989 mm,视场角为180°,相对孔径为1/3.2。设计结果表明,该鱼眼镜头系统的调制传递函数（MTF）数值在空间频率为60 lp/mm时均不低于0.56,具有较好的成像质量。     

基于DSP技术的光尾流实时探测方案

利用尾流的光散射特性对其进行探测 ,光散射谱强度分布的半值宽度随尾流中气泡群的密度而变化。基于成熟的信号处理技术 ,文中提出了对尾流进行实时探测的解决方案。系统采用CCD光采样 ,ADC数据采集及FIFO缓存 ,DSP数据处理三级流水线方式工作。充分发挥DSP处理器片内存储器容量大的特点 ,使用其片内数据缓冲区交替对CCD进行信号采集和数据处理 ;在进行数据处理过程中 ,处理器以中断方式读取FIFO缓存结果。     

舰船尾流光特性分析

在远场尾流区气泡之间是不相关的,气泡光的散射是不相关散射.基于这一认识,利用Mie散射理论初步分析了远场尾流区光的散射特性,发现远场尾流区尾流光的背向散射强度明显增强,不同深度和不同长度光的背向散射强度都有一定的差别.尾流光的背向散射特性是水下航行体跟踪、识别和定位目标的重要参数.     

单透镜高分辨成像系统的研究和设计

单片凸透镜由于存在较大像差，在实际应用中难以单独成像，相对孔径越大，单片凸透镜的成像质量越差，通常使用多片透镜以进行像差校正。针对单凸透镜成像质量差的的问题，提出了采用液晶空间光调制器和微扫描光楔实现单片凸透镜的高分辨成像。采用Zygo干涉仪测量单透镜波前，结合Zemax软件模拟得到经单透镜后的畸变波前，利用泽尼克多项式描述畸变波前，并绘制对应共轭波前的灰度图加载于液晶空间光调制器上，校正波像差；通过旋转楔角为21的光楔进行22微扫描，将四幅低分辨率图像经过Keren配准后以结构适应的归一化卷积法合成为一幅高分辨率图像。实验结果表明，图像分辨率MTF50达到1 348 LW/PH，成像质量明显提高。     

一种基于退偏效应的激光尾流信号检测方法

针对激光探测尾流时尾流信号受水体散射干扰不易 检测的问题,提出利用线偏振激光通过无气泡水 体与其通过尾流气泡群区域退偏特性差异性,区分水体散射光与尾流散射光的信号。采用本 文的退偏探测方 法,对在不同探测位置和不同探测角度下、不同尺度气泡群体散射光信号的尾流进行测量。 实验表明,当尾流中气泡的尺度在10～150μm范围内时,本文方法 对前向或后向探测信号均行 之有效;随着气泡尺度的增大,退偏效应仅在前向散射光信号探测时呈现;水体散射光与 舰船尾流散 射光的信号在本文方法测试下呈现了明显的区别,并具有稳定的信号特征,可大幅度提高激 光探测尾流的能力。