多尺度多参量大焦深动态数字全息术在复杂管道固液两相流表征中的研究

The solid mineral hydraulic transport is a promising method for a long distance mineral delivering due to its energy-saving and environmental characteristics. However, it is not commonly adopted in the western part of China with a varied topography, for the mature theories describing the dynamic process in the pipe can not be directly used. It hinders the utilizing of the mineral source in those areas, even the local economic development. In this project, the engineering pipe for the experiment is replaced by a cheaper miniature sample. Dynamic digital holographic system with multi-scale and multi-parameter is proposed to detect the solid-liquid two-phase flow in the complex structure pipe, which is the key problem in the hydraulic transport pipe. The experimental results will be ,in turn, to guide the design of the pipe, and complete the kinetics theory of the flow in the complex pipe. To achieve the goal, the followings are included in this research. 1. The movement similarity model of the engineered and miniature pipes will be constructed. 2. A digital holographic recording system with multi-scale and multi-parameter will be built. 3. The nonuniform sampling for holographic tomography is proposed to extend the depth of focus, while the sparse aperture combining with the multiplexing techniques is used to expand the field of view of the recording system. 4. An imaging system immersed in hydrogel is proposed to correct the aberration caused by the curve surface of the pipe. The results achieved will not only provide the theoretical guide for the mineral hydraulic transport with pipeline in the western part of China, but also will be of a reference value for analysis other two-phase flows.

固体矿物利用管道水力输送具有低能耗且环保的优点，现已成为矿物远距离输送的一个主流发展方向。我国矿产资源集中在西部地区，由于地形复杂，输送管道结构多变，超出了已有的管道水力输送理论的适用范围，阻碍了资源开发利用进程。本项目以缩比管道为基本研究对象，利用动态数字全息术对矿物管道水力输送的核心问题，即管道固液两相流，开展多尺度和多参量的表征研究，以完善复杂管道两相流的理论模型，指导管道的设计。主要研究内容包含：1.建立工程管道和微小缩比管道之间的运动相似性模型；2. 构建一套多尺度、多参量、动态数字全息记录系统；3. 提出非均匀采样全息层析方法扩大系统焦深以及将稀疏孔径原理结合平面复用技术扩大系统视场；4. 提出利用高分子聚合物水凝胶固体浸没成像系统，解决管道表面弯曲造成的成像畸变等。该研究成果不仅能为我国西部复杂地形的矿物管道水力输送提供理论支持，也将对两相流其它范畴的研究具有一定参考价值。

显微成像系统的焦深、分辨率都受限于系统的数值孔径，数值孔径越大分辨率越高但焦深越短。由于这个矛盾，使得在研究三维空间运动的微粒物体时，传统的显微系统难以胜任。本项目研究利用数字全息显微术对微管道中的运动物体进行多尺度表征的方法，完成的主要内容包括：1. 通过在SLM上加载不同的相息图，调制入射光波前形成高斯涡旋光、艾里光、艾里涡旋光，并利用暗场聚光镜将它们分别会聚照明物体，实验结果表明它们可以对小于光学衍射极限的物体进行成像。2.提出了双洛埃德镜数字全息显微测量系统，简化了传统双波长数字全息显微光路，增强了光路的稳定性和鲁棒性。3. 利用扭曲二次光栅扩大显微系统焦深，实现了多深度层面物体同时成像，利用偏振复用技术，还可以选择特定的平面成像。4.利用数字全息再现可以一次恢复物体振幅和相位特点，完成光场分数和整数拓扑荷数的表征工作。5.研究了随机相移结构光显微术的记录和合成算法，提成利用AIA迭代算法可以计算得到三幅随机移相图中的相位分布、调制度和背景项，利用这些信息可以得到物体的高、低频信息，从而可以获得高分辨率图像。6. 设计了一种可以实现各向同性和各向异性边缘增强的新型滤波器——Airy螺旋相位滤波器。该滤波器与现有的LG滤波器、类贝塞尔滤波器相比，可以增强图像的对比度和分辨率。基于飞秒激光设计了分数阶和离轴相位型螺旋波带片，并推导了这两种螺旋波带片的衍射光场分布。通过改变滤波器中心位置，可以实现各向异性边缘增强的效果。7. 研究了数字图像变换的Gyrator、奇异值分解、卷积和置乱等算法，并应用它们实现了三种图像非对称加密算法。数值模拟结果验证了这些算法的可行性和有效性。以上七个方面的研究成果，不仅可以直接用于对微小颗粒物体在管道中的力学性质进行表征，并且在该项目在超分辨成像研究基础上，成功获得了一项面上项目的资助。