非聚焦干涉成像技术用于微米级非球形透明颗粒的诊断方法研究

Interferometric out-of-focus imaging technique, due to its inherent selectivity of transparent particles, can provide more information on researches of heterogeneous explosion, laser ablation and nucleation. However, the technique is considered as 2D plan diagnostic method for micrometer spherical particles. The research on three dimensional variation of particle flow and the interaction of no spherical particles necessitate a development of the technique. Thus, the subject focuses on the development of interferometric out-of-focus imaging technique for the characterization of no spherical transparent particles in a 3D volume. The study contains a theoretical modeling of the imaging process, a design of specific optical configuration, a proper image processing method, in order to obtain the 3D locations, sizes and morphologies of no spherical transparent particles. The obtained sizes and the morphologies will be compared with the result obtained by shadowgraph, while the location will be compared with experimental calibration values, and an analysis will be given to estimate the measurement accuracy. The implementation of this study will pave the way to a fine investigation of the evolution of transparent particles in a 3D flow.

非聚焦干涉成像技术因具有仅针对透明颗粒诊断的固有特点，可为爆炸冲击、激光烧蚀和结晶等透明颗粒与非透明颗粒同时存在的颗粒场演变研究提供更多的信息。然长期以来，非聚焦干涉成像技术只作为一种二维平面内微米级透明球形颗粒的尺寸测量方法。三维空间中透明与非透明颗粒间以及颗粒与流场间的相互作用研究迫切需要发展非聚焦干涉技术在非球形透明颗粒上的诊断能力。本课题旨在确立非聚焦干涉成像技术对三维流场中非球形透明颗粒的诊断方法。研究将建立微米级非球形透明颗粒的聚焦干涉成像理论模型，设计特定光路，开发合理的图像处理方法，得出颗粒的三维空间位置、尺寸与形貌信息。得到的尺寸与形貌信息将与阴影照相获得的结果进行比较，三维空间位置将与实验标定位置进行比较，分析测量精度。该课题的研究可以为颗粒场的演变机理研究提供有效的实验测量手段。

针对从透明颗粒与非透明颗粒同时存在的流场中单独提取透明颗粒信息的需求，本项目研究与发展了原本只能诊断透明球形颗粒的非聚焦干涉成像技术。通过该项目的研究，非聚焦干涉成像技术在原来的基础上又具备了测量非球形透明颗粒特征尺寸和反映颗粒二维整体形貌的能力。本项目通过建立单个微米级非球形透明颗粒的非聚焦干涉成像过程的物理模型，理论分析颗粒特征尺寸和形貌的提取方法，并进行聚焦与非聚焦成像技术同步实验检验，确立了二维频谱分析法和Hybrid-Input-Output迭代算法为非球形透明颗粒信息的提取方法。研究表明，非聚焦干涉成像技术获得的SiO2颗粒尺寸误差与成像技术相比小于30%，并且获得的单颗粒整体形貌与颗粒的真实形貌相符。该项目的研究结果将非聚焦干涉成像技术拓展至微米级非球形透明颗粒的诊断上来，进而令从透明颗粒与非透明颗粒同时存在的颗粒流场中区分出非球形透明颗粒的信息成为可能。该研究成果可运用于含有异质颗粒的多相流研究中。