基于数字全息的水下气泡场探测

摘要

水下气泡场的探测是研究尾流特性的重要手段，通过分析气泡场的分布可以建立尾流的物理模型，进一步分析舰船的形态和运动特征。采用数字全息的手段对水下气泡场进行探测，有着其它探测方式不可比拟的优势。数字全息术结合了图像处理和数字再现技术，将得到的气泡场数字全息图进行数字化重建，可以得到气泡的三维位置信息和半径大小，实现气泡场的三维立体再现。本文基于数字全息的理论对气泡场进行了仿真研究和实验探测。
　　通过建立水下气泡场数字全息的物理模型，基于菲涅尔衍射积分算法和Mie散射理论，分析记录距离和气泡大小对单气泡数字全息图的影响，并对得到的单气泡数字全息图进行再现分析；进一步在不考虑气泡间散射的前提下，对多气泡数字全息图进行仿真与再现分析；最后用Matlab编写用户界面，可以通过设置CCD和气泡的参数得到需求的气泡场数字全息图像。
　　实验光路自行搭建，获取较为理想的气泡场数字全息图像。气泡在水缸中产生，然后通过特制的玻片进行封装存储，分别采用单光路和马赫-增德尔光路对玻片中的气泡进行数字全息图的采集，将两种光路得到的图像进行对比，并做初步分析。
　　对实验采集的数字全息图像进行再现还原，得到气泡的参数并完成气泡场三维再现。对实验采集的多气泡数字全息图像进行频谱分析，通过频域滤波对图像的噪声进行抑制，并通过灰度均衡增强图像的对比度。根据三次快速傅里叶变换算法和聚焦算法筛选出单气泡的聚焦位置，得到单气泡的一个维度信息；然后对聚焦的图像完成单气泡的边缘识别，通过边缘的数据进一步计算得到单气泡的另外两个维度信息和气泡的半径大小，完成单气泡的三维再现。多气泡的三维再现基于单气泡的再现理论，通过矩形模板对图像的截取，来获取每个气泡的三维信息和半径大小，最终通过系统软件实现气泡场的三维再现工作。

目录

第1章 绪 论

1.1课题的研究背景和意义

1.2国内外研究现状及分析

1.3本论文的主要内容

第2章 气泡场的数字全息理论及仿真

2.1 全息术的基本理论

2.1.1 物体光波的记录

2.1.2 物体光波的再现

2.2 数字全息的基本理论

2.2.1 菲涅尔衍射积分

2.2.2单次快速傅里叶变换算法

2.2.3三次快速傅里叶变换算法

2.2.4两次快速傅里叶变换算法

2.3.1 气泡场数字全息模型

2.3.2 基于Mie散射理论的单气泡数字全息图

2.3.3 基于Mie散射理论的多气泡数字全息图

2.4 本章小结

第3章 气泡场数字全息图实验采集

3.1气泡场数字全息实验仪器介绍

3.2 气泡的产生

3.3 气泡场数字全息光路系统

3.3.1 马赫-增德尔光路系统

3.3.2 单光路系统

3.4 本章小结

第4章 气泡场数字全息图三维重建

4.1图像预处理

4.1.1 灰度均衡

4.1.2 频域滤波操作

4.2 聚焦算法

4.2.1 灰度梯度聚焦判据函数

4.2.2 高频聚焦判据函数

4.2.3 单气泡的聚焦位置

4.3 边缘检测

4.3.1 边缘检测理论

4.3.2 边缘检测算子

4.3.3 单气泡的边缘检测

4.4 单气泡数字全息的三维再现

4.4.1 系统的放大倍率

4.4.2 单气泡三维重建

4.4.3 精度分析

4.5 系统软件设计

4.6 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢