激光全息在流化床冷態(tài)實(shí)驗(yàn)臺(tái)中的應(yīng)用

1循環(huán)流化床的圖像測量光學(xué)測量技術(shù)在高精度非接觸技術(shù)方面具有良好的優(yōu)勢。因?yàn)樗哂懈呔鹊姆墙佑|能力。由于激光全息技術(shù)可以記錄并重現(xiàn)物體的三維圖像，因而在顆粒兩相流測量領(lǐng)域有其優(yōu)勢，例如可以獲得粒子在三維空間中的分布。但是傳統(tǒng)全息技術(shù)的圖像記錄和重建過程需要進(jìn)行繁復(fù)的化學(xué)處理且耗時(shí)很久，阻礙了全息技術(shù)在測量領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。高分辨率數(shù)碼相機(jī)的問世，為全息圖像的數(shù)字化記錄創(chuàng)造了硬件條件。為了實(shí)現(xiàn)全息圖像的數(shù)碼重建，先后發(fā)展了以菲涅爾積分為基礎(chǔ)的全息圖像重建數(shù)學(xué)模型，以小波變換為基礎(chǔ)的全息圖像重建數(shù)學(xué)模型，以離散傅立葉變換為基礎(chǔ)的全息圖像重建數(shù)學(xué)模型。其中以小波變換為基礎(chǔ)的全息圖像重建模型具有重建圖像清晰，對圖像噪音有較強(qiáng)的過濾作用等優(yōu)點(diǎn)。循環(huán)流化床是一種較先進(jìn)的燃煤鍋爐技術(shù)，它具有污染小、效率高和可燃燒劣質(zhì)煤炭等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于火力發(fā)電領(lǐng)域。循環(huán)流化床內(nèi)部顆粒分布及流場的測量對研究循環(huán)流化床的燃燒及其控制有非常重要的意義。但是由于循環(huán)流化床內(nèi)部高溫、高壓的工況及其較高的顆粒濃度和復(fù)雜的流動(dòng)狀態(tài)都對測量造成了很大難度，而激光全息技術(shù)由于具有非接觸測量、記錄兩相流顆粒瞬間三維分布等優(yōu)點(diǎn)，有利于解決這一測量難題。本文利用激光全息技術(shù)在循環(huán)流化床冷態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行測量，并提取循環(huán)流化床稀相區(qū)顆粒的三維空間分布和粒徑分布。2平面波的衍射激光同軸全息的傳統(tǒng)記錄及其三維圖像重建的物理過程可以圖1和圖2表示。激光源發(fā)射激光束并用透鏡組將光束調(diào)節(jié)為平面波，平面波與顆粒相遇并產(chǎn)生衍射，衍射波由于和平面波光程不同而存在相位差，在全息圖平面形成衍射條紋，衍射條紋被全息圖記錄。用相同激光束照射全息圖，激光束在全息圖上產(chǎn)生衍射，衍射波與平面波干涉并重現(xiàn)物體三維圖像。全息圖像的生成及三維圖像的重現(xiàn)過程可以用小波變換數(shù)學(xué)模型表述。證明如下：當(dāng)衍射符合菲涅耳近似條件z3>>[(x-ζ)2+(y-η)2]2/8λ時(shí),物體的衍射光波可用惠更斯-菲涅爾衍射公式表示為式中λ為激光波長；ξ和η為物平面坐標(biāo)；x和y為全息平面坐標(biāo)；z為同軸坐標(biāo)。物體可以表示為因此光波在物平面的復(fù)振幅可以表示為將式(3)代入式(1)得到平面波與物體發(fā)生衍射后的復(fù)振幅為設(shè)脈沖響應(yīng)函數(shù)zh(x,y)存在以下性質(zhì)：式中K為常數(shù)。其中，σ(x,y)為脈沖函數(shù)。將式(5)代入式(4)并運(yùn)用卷積公式，則全息平面的復(fù)振幅zA(x,y)可以表示為物函數(shù)與脈沖響應(yīng)函數(shù)之間的卷積由于全息平面的光強(qiáng)分布可以表示為將式(9)代入式(10)得到光強(qiáng)分布與脈沖響應(yīng)函數(shù)之間的關(guān)系式其中當(dāng)滿足夫瑯禾費(fèi)衍射條件z>>(x2+y2)max/2λ時(shí)，b2可以忽略不計(jì)。且存在因此，I(x,y)可以表示為令a=，構(gòu)造小波函數(shù)將式(15)代入式(14)得到由式(15)可見，在滿足菲涅爾近似條件時(shí)，平面波的衍射過程可以用衍射物體的小波變換來表示。設(shè)全息圖與小波函數(shù)的卷積為WT(a,x,y)，則將式(10)～(12)代入式(17)，則WT可以表示為式(18)中第1項(xiàng)的物理意義為入射光的光強(qiáng)，第2項(xiàng)的物理意義為物體實(shí)像，第3項(xiàng)的物理意義為物體虛像在物平面的干涉圖像。第3項(xiàng)是圖像噪音的主要來源，其值遠(yuǎn)小于第1項(xiàng)和第2項(xiàng)，可以忽略不計(jì)。當(dāng)兩相流濃度較高時(shí)則圖像噪音較大，需要進(jìn)行噪音濾波。因此，說明式(18)可以對全息圖進(jìn)行小波變換重建物體三維圖像。3建立粒子同軸旋轉(zhuǎn)定位在數(shù)碼攝像機(jī)拍攝兩相流的全息圖并將其輸入計(jì)算機(jī)后，首先利用小波變換根據(jù)全息圖重建兩相流的三維圖像，圖3是三維圖像重建過程圖，為了提高計(jì)算速度，根據(jù)快速傅立葉變換原則，用函數(shù)的傅立葉變換及其乘積的傅立葉逆變換替代卷積過程。本文所說的三維重建圖像是用一系列等間距的二維重建圖像組合而成的離散三維圖像。定義兩幅相鄰二維重建圖像之間的同軸間距為?z,?z可以在圖像處理軟件中設(shè)定。?z對定位精度及其粒徑測量精度都有重要影響，定位最高精度為?z,且粒徑測量精度會(huì)隨?z增大而減小，但是?z的減小會(huì)增加重建圖像的數(shù)量從而大幅度增加處理時(shí)間。本文將?z設(shè)定為0.5mm，通過對模擬全息圖像的研究發(fā)現(xiàn)，這一同軸間距所造成的粒徑計(jì)算誤差小于5%。當(dāng)測量區(qū)域的顆粒場三維圖像被重建后，將對粒子進(jìn)行三維坐標(biāo)定位。圖4是一顆粒徑為40μm，同軸坐標(biāo)為100mm的粒子的重建圖像，由圖可見粒子在接近其同軸坐標(biāo)的重建圖像中存在殘像，殘像隨與粒子的同軸距離的增加其面積變大，光強(qiáng)變?nèi)?。圖5是圖4所示粒子的重建圖像光強(qiáng)與粒子圖像同軸坐標(biāo)之間的關(guān)系曲線，由圖可見粒子重建圖像在z=100mm處也就是它的同軸坐標(biāo)處得到最大值，因此我們可以根據(jù)粒子重建圖像的最大光強(qiáng)實(shí)現(xiàn)粒子同軸坐標(biāo)定位。在得到粒子的同軸坐標(biāo)后，在該同軸坐標(biāo)處的重建圖像中對粒子進(jìn)行X軸和Y軸坐標(biāo)定位，提取粒子圖像的最大光強(qiáng)處坐標(biāo)作為其X軸和Y軸坐標(biāo)，這是因?yàn)榱Ｗ釉谄渲行奶幍玫街亟▓D像最大光強(qiáng)。在得到粒子的三維空間坐標(biāo)后，粒子的圖像可以用光強(qiáng)閾值It在重建圖像中分離出來，光強(qiáng)閾值用式(19)計(jì)算得到，等式中Ib為背景光強(qiáng)，Imax為粒子圖像最大光強(qiáng)。在粒子圖像被提取出來后，根據(jù)粒子圖像面積計(jì)算得到粒子直徑。4數(shù)碼攝像機(jī)圖像建立利用激光數(shù)碼全息技術(shù)對流化床冷態(tài)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的稀相區(qū)進(jìn)行了測量實(shí)驗(yàn)，圖6為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡圖，流化床冷態(tài)實(shí)驗(yàn)臺(tái)高4m，截面為0.2m×0.2m，床料為直徑為20μm～100μm的玻璃珠，玻璃珠在鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)作用下在床內(nèi)成沸騰態(tài)，并經(jīng)過返料系統(tǒng)回到床內(nèi)。透視窗開在實(shí)驗(yàn)臺(tái)高2.5m（稀相區(qū)，15～20顆粒子/cm3）的壁上，并用光學(xué)玻璃封閉。激光源是功率為10mW波長為632.8nm的HE-NE激光器，用透鏡組將激光束調(diào)節(jié)為直徑為2.5cm的準(zhǔn)直光束，激光束通過透視窗照射床內(nèi)兩相流，激光遇粒子相遇產(chǎn)生衍射，衍射光與激光束由于存在相位差在記錄平面相互干涉形成全息圖，全息圖由放置在透視窗后的分辨率為640×480的數(shù)碼攝像機(jī)記錄（激光直接投射在攝像機(jī)的感光元件上，攝像機(jī)前不放置任何透鏡）。全息圖經(jīng)過圖像采集卡輸入計(jì)算機(jī)，并在計(jì)算機(jī)中用本文自行開發(fā)的圖像處理軟件進(jìn)行處理。圖7為數(shù)碼攝像機(jī)拍攝的一張流化床爐膛內(nèi)兩相流的全息圖，圖8是根據(jù)圖7重建的一張兩相流距離攝像機(jī)15cm處的重建圖像，圖中的亮點(diǎn)即是玻璃珠粒子的重建圖像。本文對床內(nèi)距離壁面10cm處到壁面（壁面距離攝像機(jī)感光平面10cm）體積為6cm3的區(qū)域進(jìn)行了分析，提取了這一區(qū)域粒子的三維空間分布及其粒徑。在測量區(qū)域共探測到107顆粒子，圖9為計(jì)算得到的測量區(qū)域粒子的粒徑分布統(tǒng)計(jì)圖，由圖可見粒子的粒徑分布范圍基本符合樣品的粒徑范圍。圖10是根據(jù)計(jì)算得到的粒子空間三維坐標(biāo)及其粒徑重現(xiàn)的測量區(qū)域粒子空間分布圖，圖中粒子圖像的灰度代表粒子的直徑。圖10非常直觀的表現(xiàn)了粒子在測量區(qū)域的分布情況，對于深入研究流化床技術(shù)有著重要意義。同時(shí)實(shí)驗(yàn)也揭示了一些有待解決的問題。存在的問題是透視窗的粘污對測量精度有著較大影響，在測量過程中無任何保護(hù)措施的透視窗上不可避免的會(huì)被粒子或者灰塵粘污，這增加了圖像噪音降低了測量精度，需要研究透視窗的防粘污方法。5流化床冷態(tài)實(shí)驗(yàn)臺(tái)稀相區(qū)檢測激光全息技術(shù)具有不干擾流場、記錄并重現(xiàn)所測物體三維圖像等測量優(yōu)勢，但它需要復(fù)雜的化學(xué)處理過程并耗時(shí)很長，這阻礙了該技術(shù)的廣泛應(yīng)用。利用小波變換為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的激光數(shù)碼全息技術(shù)使全息圖的記錄