同轴数字显微全息粒子探测及识别算法研究

摘要

气溶胶和云的相互作用对地球的辐射平衡和水循环有着重要影响，是未来气候变化研究领域的重点。机载粒子测量系统是研究气溶胶和云粒子相互作用效应的重要观测手段。相比现有云粒子测量技术，数字显微全息粒子场测量技术具有装置结构简单稳定，且能三维成像、区分层叠粒子等优点。本文就云粒子显微全息测量技术展开相关实验研究，主要工作内容如下:
　　搭建一套同轴显微全息粒子场测量系统，结合硬件光路系统分析，对装置的极限分辨率、再现距离、放大倍率进行了标定。针对同轴显微全息记录距离和再现距离不一致的情况，提出一种同轴显微全息再现距离标定方法。
　　研究改善全息图再现质量的方法，探讨影响全息图再现像质量的外部噪声和内部噪声的抑制方法，发展一种非周期条纹噪声抑制方法，研究同轴全息零级衍射项和共轭像抑制方法，进行算法有效性测试。
　　研究粒子自动识别与提取算法，比较分析多种粒子自动提取算法的优劣性，针对全息图再现的特点，实现一种基于灰度和梯度的自适应阈值选取算法。研究灰度梯度自动聚焦算法和小波变换自动聚焦算法，通过对分辨率板和标准粒子的再现实验，对两种自动聚焦算法的有效性、抗噪性进行分析。
　　利用雾化器雾化蒸馏水，模拟云粒子测量环境，利用系统对雾化液滴进行测量。得到雾化液滴的粒径分布和三维空间分布。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 机载云粒子测量系统国内外研究现状

1．3 粒子场数字全息技术研究现状

1．4 论文研究内容及主要工作

第二章 数字全息技术基础理论

2．1 引言

2．2 标量衍射理论

2．2．1 单色光波场的复振幅表示

2．2．2 平面波的复振幅

2．2．3 复振幅分布的空间频谱

2．2．4 角谱衍射理论

2．3 数字全息图记录

2．3．1 全息图的离散化表示

2．3．2 同轴全息的参数分析

2．4 数字全息图再现

2．4．1 菲涅耳傅里叶变换法

2．4．3 角谱法

2．4．4 实验验证分析

2．4．5 再现算法的优劣性分析

2．5 采样条件讨论

2．6 本章小结

第三章 数字同轴显微全息测量系统

3．1 引言

3．2 同轴显微全息光路设计

3．2．1 单透镜显微全息

3．2．2 双透镜显微全息

3．3 同轴显微全息测量系统

3．3．1 激光器

3．3．2 光纤准直镜

3．3．3 显微镜头

3．3．4 工业相机

3．3．5 精密平移台

3．4 分辨力标定

3．5 记录距离和再现距离标定

3．6 放大倍率与再现距离标定

3．7 本章小结

第四章 全息图滤波去噪算法

4．1 引言

4．2 背景噪声抑制

4．3 条纹噪声抑制

4．3．1 Radon变换斜条纹噪声定位

4．3．2 频域滤波函数

4．4 零级衍射项消除

4．5 共轭像抑制

4．6 本章小结

第五章 粒子自动识别与聚焦算法

5．1 引言

5．2 粒子识别与提取算法

5．2．1 全局阈值法

5．2．2 灰度残差阈值法

5．2．3 灰度梯度自适应阈值法

5．3 粒子自动聚焦算法

5．3．1 灰度梯度自动聚焦算法

5．3．2 小波变换自动聚焦算法

5．3．3 算法性能分析

5．4 标准粒子模拟实验

5．5 雾化液滴粒子场实验

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况