劉西站，薛艷博，何俊華

(中國(guó)科學(xué)院 西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，陜西 西安 710119)

引言

尾流是指艦船在航行中, 由于螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生空化、海面波浪破碎以及吃水線(xiàn)部分大量空氣的卷入在其后一定水域形成的一條具有特殊物理性能的氣泡幕帶。尾流中氣泡的大小、速度以及數(shù)密度分布等參數(shù)的獲取是研究尾流物理特性的基礎(chǔ)，也為進(jìn)一步研究尾流光學(xué)制導(dǎo)提供了一種全新的技術(shù)途徑[1]。

尾流氣泡測(cè)量的光學(xué)方法主要包括干涉測(cè)量、像全息、光學(xué)攝影。其中，光學(xué)攝影方法直觀(guān)、精確，且可采用圖像處理手段來(lái)剔除如藻類(lèi)等其他非氣泡懸浮物的干擾，因此，越來(lái)越受到研究者的關(guān)注[2-4]。

但是尾流氣泡成像仍存在較大困難，主要在于：1) 尾流氣泡幕內(nèi)各個(gè)氣泡的尺寸是大動(dòng)態(tài)范圍(μm級(jí)～mm級(jí))，要對(duì)完整范圍內(nèi)的氣泡成像，光學(xué)系統(tǒng)望遠(yuǎn)能力、CCD分辨能力要求較高；2) 氣泡形變、裂合以及位移的速度快, 每個(gè)氣泡的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和衰減情況大不相同；3) 光學(xué)系統(tǒng)存在景深， 照明光也有厚度，對(duì)氣泡幕成像會(huì)造成不同物距氣泡的圖像層疊；4) 海水對(duì)光線(xiàn)吸收及散射作用強(qiáng)烈，加上海洋中雜光的干擾，使拍攝的圖片對(duì)比度不高[5-6]；5) 海水中非氣泡懸浮物雜質(zhì)的干擾。

受制于測(cè)量技術(shù)和CCD 的發(fā)展，以往報(bào)道中利用光學(xué)攝影所測(cè)量到的尾流氣泡分辨率都不高，但艦船尾流氣泡粒徑卻主要分布在500 μm以下。如張蓉生與R.T.羅德里蓋斯的氣泡拍攝系統(tǒng)[2]均采用多倍組合鏡頭和顯微鏡拍攝，可以拍攝到70 μm以下的小氣泡，但測(cè)量范圍過(guò)小，分別為10 μm～60 μm 和33 μm～37.5 μm，無(wú)法涵蓋尾流氣泡的分布范圍；同時(shí)，由于采用的是鹵光燈照明尾流區(qū)，拍攝到的氣泡圖像層疊會(huì)給后續(xù)處理帶來(lái)困難。Ira Leifer 和B.D.Johnson的拍攝系統(tǒng)較復(fù)雜[2]，且只能拍攝固定的物面，不利于氣泡更多參數(shù)的獲取。鑒于此，根據(jù)某尾流研究項(xiàng)目的技術(shù)要求并針對(duì)以上難點(diǎn)，研制了一套尾流小氣泡參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)。其主要特點(diǎn)是：采用片光源掃描與高速攝影相結(jié)合的技術(shù)手段[5-6]，可有效避免氣泡圖像層疊；設(shè)計(jì)了倍率可切換的水下顯微光學(xué)鏡組，成像范圍涵蓋尾流氣泡的粒徑分布(10 μm～500 μm)；通過(guò)前后組分離，中間以平行光中繼，使前組與片光同步掃描，可采集一定體積內(nèi)氣泡的圖像，并能保證片光掃描時(shí)氣泡切片始終清晰成像。最后對(duì)于所獲得的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、增強(qiáng)，減少雜質(zhì)和噪聲干擾，并采用相關(guān)算法處理圖像數(shù)據(jù)，可以提取出尾流中小氣泡的各項(xiàng)參數(shù)[7]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想與系統(tǒng)組成

成像系統(tǒng)是整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的核心，設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮上述尾流氣泡成像所存在的難點(diǎn)問(wèn)題。針對(duì)小氣泡粒徑的大動(dòng)態(tài)范圍(10 μm～500 μm)，采用不同倍率的光學(xué)鏡頭對(duì)目標(biāo)區(qū)內(nèi)不同粒徑的氣泡進(jìn)行分段拍攝。根據(jù)項(xiàng)目要求和實(shí)際情況，設(shè)定放大倍率分別為0.4×、1.0×、2.5×。各倍率的鏡頭通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)更換機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鏡頭倍率間的切換，達(dá)到分段拍攝的目的。并選擇高靈敏、短曝光、高分辨率的CCD[5]。

尾流氣泡形變及位移的速度快，且鏡頭組中還有顯微放大鏡組(2.5×)，在對(duì)氣泡進(jìn)行空間放大的同時(shí)，氣泡的速度也相應(yīng)被放大了。因此，系統(tǒng)采用高速攝影機(jī)對(duì)尾流氣泡采集圖像信息。海水對(duì)光線(xiàn)吸收強(qiáng)烈，僅存在一個(gè)“透射窗口”(0.45 nm～0.55 nm)[8]，所以系統(tǒng)選擇波長(zhǎng)為532 nm的激光器照明。由于仍然會(huì)有一部分日光經(jīng)由海水傳播進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)鏡片鍍膜和在CCD前加濾光片將整個(gè)系統(tǒng)的波長(zhǎng)帶寬控制在±1.5 nm，在光學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)以±5 nm考慮消色差，保證成像質(zhì)量。

針對(duì)氣泡幕圖像層疊，系統(tǒng)特別采用了片光來(lái)進(jìn)行照明。這樣氣泡幕被照亮的僅僅是一個(gè)平面，避免了氣泡圖像層疊，并使片光與系統(tǒng)光軸垂直，形成與周?chē)尘皩?duì)比強(qiáng)烈的氣泡切面[6]，同時(shí)增加了圖像對(duì)比度。

要測(cè)量尾流區(qū)內(nèi)氣泡的更多參數(shù)，僅對(duì)一個(gè)物面采樣無(wú)法得到足夠的信息，所以需要對(duì)一定體積的區(qū)域進(jìn)行拍攝。通過(guò)片光源在水平方向上前后掃描，形成若干不同的切面，就可以對(duì)不同切面內(nèi)的氣泡進(jìn)行拍攝，實(shí)現(xiàn)一定體積尾流區(qū)氣泡圖像的采集[6]。

針對(duì)海水中懸浮物、雜質(zhì)粒子的干擾問(wèn)題，在軟件中采用圖像處理中的濾波、識(shí)別等方法進(jìn)行處理。綜上所述，系統(tǒng)由激光片光源、倍率可切換鏡組、高速攝像機(jī)、片光源掃描運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制器、密封艙、水下光學(xué)窗口、海上控制系統(tǒng)等組成, 如圖1所示。利用激光片光前后掃描尾流區(qū)，根據(jù)氣泡尺寸切換倍率不同的鏡頭，將掃描切片內(nèi)的氣泡成像在高速攝像機(jī)靶面上，得到一定體積采樣區(qū)內(nèi)氣泡的圖像。圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)光電復(fù)合纜傳輸?shù)剿嫔系目刂葡到y(tǒng)，進(jìn)行存儲(chǔ)并顯示給實(shí)驗(yàn)者。最后通過(guò)后續(xù)圖像處理和分析[5-7]，可以得到尾流氣泡的尺寸、位移速度、數(shù)密度和粒徑分布等參數(shù)特性。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System block diagram

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)

2.1.1 光學(xué)結(jié)構(gòu)形式

為保證氣泡切面在掃描過(guò)程中始終能清晰成像，要求片光源移動(dòng)時(shí)，成像面必須保持在高速相機(jī)靶面上。有兩種方案：第一種是讓整個(gè)高速攝影機(jī)、鏡頭組與片光源固定在同一電控平臺(tái)上， 使它們同步移動(dòng)。這種方案簡(jiǎn)易，但是由于高速相機(jī)的體積和質(zhì)量很大，會(huì)增大電機(jī)負(fù)荷，且移動(dòng)起來(lái)會(huì)引起較大震動(dòng)，不利于清晰成像；第二種是將鏡頭分裂成前后組， 之間以平行光中繼， 讓片光源與前鏡組同步移動(dòng)，后組與高速相機(jī)固定不動(dòng)。由于前后組之間是平行光，當(dāng)片光源與前組同步移動(dòng)掃描時(shí)，對(duì)放大率沒(méi)有影響，成像面也保持在相機(jī)靶面上，對(duì)成像質(zhì)量影響很小。光學(xué)原理圖如圖2所示。

圖2 光學(xué)系統(tǒng)原理圖Fig.2 Sketch of optical system

設(shè)計(jì)中，片光源與前鏡組固定在同一平臺(tái)上同步移動(dòng)，鏡頭組之間還有切換機(jī)構(gòu)，為簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，讓3組鏡頭共用一個(gè)前組，后組分別設(shè)計(jì)以使放大率不同。3組鏡頭各自獨(dú)立，物像距相等，單獨(dú)校正像差。

光學(xué)系統(tǒng)不能過(guò)分接近也不能過(guò)分遠(yuǎn)離尾流氣泡區(qū)，過(guò)近會(huì)對(duì)尾流區(qū)本身性質(zhì)造成影響，使測(cè)量結(jié)果沒(méi)有意義，過(guò)遠(yuǎn)會(huì)由于光線(xiàn)在水中衰減和散射強(qiáng)烈，使成像對(duì)比度下降。同時(shí)由于鏡頭中有2.5×顯微鏡頭，顯微成像一般要求工作距離較短，否則會(huì)加大設(shè)計(jì)難度。綜合考慮，將觀(guān)測(cè)物面與防水窗口的距離設(shè)定為100 mm，光學(xué)鏡頭采用攝遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)，既保證有較長(zhǎng)的物距， 又避免遠(yuǎn)攝比太小引起鏡頭像差難以校正。

2.1.2 初始結(jié)構(gòu)計(jì)算

根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和技術(shù)要求得到光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)，如表1 所示。

表1 系統(tǒng)光學(xué)參數(shù)表

由圖2可知，系統(tǒng)物方的海水和防水窗可以看成平行平板[8-9]，根據(jù)(1)式將其轉(zhuǎn)成等效空氣平板：

d′=d/n

(1)

式中：d′為等效空氣平板的厚度；d為原平行平板的厚度；n為平板材料折射率。于是整個(gè)系統(tǒng)的傳播介質(zhì)都可以等效為空氣，只是系統(tǒng)物像距將由530 mm變短，海水厚度為100 mm，防水窗厚度為15 mm，可計(jì)算出等效空氣物像距約為500 mm。

光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑為

NA=D/F

(2)

式中：D、F分別為視場(chǎng)口徑、物像距。此參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮以下幾點(diǎn)：分辨率、成像質(zhì)量以及項(xiàng)目技術(shù)要求等，鑒于上述幾點(diǎn)考慮，此系統(tǒng)的數(shù)值孔徑為0.072。

光學(xué)系統(tǒng)的放大倍率為

β=-f2/f1

(3)

式中：f1、f2分別為鏡頭前、后組焦距。3組鏡頭共用前鏡組，故只需確定f1即可計(jì)算出各后鏡組f2。根據(jù)幾何關(guān)系， 有f1+f2+Δ=500 mm， 其中Δ為前后組主面的間距。由于3組鏡頭的線(xiàn)視場(chǎng)各不相同，減小光線(xiàn)在后組鏡頭的入射角度就必須提高前組的焦距值，綜合考慮，取f1=230 mm，計(jì)算出f2分別為92 mm(0.4×)、230 mm(1.0×)、575 mm(2.5×)。由于0.4×與2.5×后組鏡頭長(zhǎng)度遠(yuǎn)超或遠(yuǎn)小于其焦距，分別采用反攝遠(yuǎn)、攝遠(yuǎn)鏡頭的設(shè)計(jì)形式[9]。

尾流區(qū)域是被片光源照明的，所以要求三組鏡頭的景深不能超過(guò)片光源厚度。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的片光源厚度為1.5 mm，由景深公式：

(4)

式中：ΔL為景深；F為鏡頭光圈數(shù)；f為各個(gè)鏡頭的總焦距；L為對(duì)焦距離；δ為容許彌散圓直徑，這里取為CCD像元尺寸10 μm。故可以計(jì)算出每個(gè)鏡頭的F數(shù)，可進(jìn)一步得到其光闌大小[9]。

2.1.3 前組移動(dòng)對(duì)成像質(zhì)量的影響及片光源厚度的選擇

在初始結(jié)構(gòu)計(jì)算中，將海水轉(zhuǎn)化成空氣平板，假設(shè)物面、像面介質(zhì)相同，但物方介質(zhì)實(shí)際為海水。若片光源與前組透鏡以同速移動(dòng)，由于物方光程的變化導(dǎo)致其出射平行光的平行度產(chǎn)生變化，在成像像面不動(dòng)的前提下必然導(dǎo)致成像質(zhì)量惡化的現(xiàn)象發(fā)生。如圖3所示。

圖3 移動(dòng)變化量示意圖Fig.3 Diagram of different variation in movement

根據(jù)幾何光學(xué)的原理，當(dāng)前組透鏡移動(dòng)Δd時(shí),為了保證成像質(zhì)量, 物面需要變動(dòng)ΔL′才能保證清晰成像：

ΔL′=n×Δd

(4)

式中：n為海水折射率，其值約為1.34[8]。一方面，為了減小片光源水下散射和氣泡群成像的層疊效應(yīng)對(duì)成像質(zhì)量的影響，要求片光源的厚度盡可能?。涣硪环矫?，由公式(4)可知，理想物面的運(yùn)動(dòng)速度是前組透鏡運(yùn)動(dòng)速度的1.34倍，但系統(tǒng)中片光源和前組是同步移動(dòng)的，如果片光源太薄，可能出現(xiàn)理想物面移出片光源而無(wú)法被照明的情況，故需要將片光源厚度適當(dāng)加大，保證在平移中物面始終在片光源內(nèi)。技術(shù)要求掃描區(qū)域厚度為6 mm，經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算，片光源厚度取為1.5 mm，既能保證片光源掃描照明的作用，又能保證成像鏡頭在高速攝像機(jī)像面清晰成像。

2.1.4 測(cè)量系統(tǒng)中畸變問(wèn)題的處理

畸變雖然不影響成像質(zhì)量，但是會(huì)造成測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確，故在光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)中必須進(jìn)行有效的校正。該系統(tǒng)采用光學(xué)和圖像處理相結(jié)合的方式來(lái)解決這一問(wèn)題。在光學(xué)設(shè)計(jì)中，將系統(tǒng)畸變量控制在2%以?xún)?nèi)，然后對(duì)每一組鏡頭的畸變進(jìn)行標(biāo)定，通過(guò)圖像處理中的相關(guān)算法來(lái)校正剩余的畸變[10]。

2.1.5 設(shè)計(jì)結(jié)果及評(píng)價(jià)

鏡頭前后組之間要求平行光，由于前組鏡頭是共用的，故對(duì)其在最大的物方視場(chǎng)下進(jìn)行優(yōu)化，使通過(guò)前組的光線(xiàn)平行度對(duì)于各組鏡頭都達(dá)到要求，且設(shè)計(jì)中盡可能將前組鏡頭的像差校正到最小，減小后組鏡頭消像差的難度。0.4×、2.5×后組鏡頭分別采用反攝遠(yuǎn)、攝遠(yuǎn)鏡頭的設(shè)計(jì)形式。由于2.5×后組鏡頭遠(yuǎn)攝比很小，選擇了一組美國(guó)專(zhuān)利作為其初始結(jié)構(gòu)[11]，并在正透鏡組和負(fù)透鏡組增加了鏡頭來(lái)減小光線(xiàn)在后面鏡頭的入射角度。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Configuration of optical system

光學(xué)系統(tǒng)的奈奎斯特頻率N=1/(2×10 μm) =50 lp/mm，在N=50 lp/mm時(shí)，1×和0.4×鏡頭都遠(yuǎn)大于0.3，成像質(zhì)量?jī)?yōu)良；2.5×鏡頭、0.707視場(chǎng)也在0.3左右，滿(mǎn)足系統(tǒng)成像要求，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)MTF圖Fig.5 MTF of optical system

各鏡頭畸變都控制在2%內(nèi)，如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)畸變Fig.6 Field distortion of optical system

各組鏡頭的點(diǎn)列圖如圖7 所示。各個(gè)鏡頭的最大均方根彌散斑半徑分別為3.378 μm、1.716 μm、9.788 μm，均小于10 μm的像元尺寸值，滿(mǎn)足技術(shù)要求。

圖7 系統(tǒng)點(diǎn)列圖Fig.7 Spot diagram of optical system

2.2 成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮以下幾點(diǎn)：

1) 足夠的強(qiáng)度，能夠耐住水下50 m的壓力。

為了減小水壓對(duì)系統(tǒng)的壓力，設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮盡量減少系統(tǒng)外表面積，同時(shí)考慮系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)固性等，因此，將系統(tǒng)外型設(shè)計(jì)成圓柱形，達(dá)到減小水下壓力的目的。

2) 系統(tǒng)工作環(huán)境。

由于系統(tǒng)工作環(huán)境具有悶熱、潮濕、含鹽量大、腐蝕性強(qiáng)、工作在水下一定的深度等特點(diǎn)，所以，設(shè)計(jì)過(guò)程中，系統(tǒng)外殼在選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮采取必要的措施，以保證設(shè)備具有抗壓性和防腐蝕性的功能，在選材上考慮設(shè)備的防腐性選用防腐不銹鋼材料。

3) 總體質(zhì)量輕、便于安裝和拆卸。

合理配置系統(tǒng)中各個(gè)零件結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)輕量化不僅與材料有關(guān)，而且也取決于結(jié)構(gòu)的形式。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，只是單純的憑借經(jīng)驗(yàn)和粗略計(jì)算來(lái)確定尺寸、厚度和加強(qiáng)筋的位置就難以全面挖掘結(jié)構(gòu)輕量化的潛力，因此，需要對(duì)零件進(jìn)行有限元分析和核算，建立零件模型，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。另外，應(yīng)考慮安裝維修方便等特點(diǎn)。由于試驗(yàn)系統(tǒng)在水下工作，無(wú)時(shí)間和場(chǎng)地從容拆卸和維修，所以，設(shè)備要有好的可靠性，并具有快速拆裝和更換的功能。故系統(tǒng)應(yīng)具有可靠耐用和安裝維修方便等特點(diǎn)。

4) 根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)布局，避免背景光干擾和光路干涉影響。

成像系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及外形設(shè)計(jì)如圖8所示。成像系統(tǒng)包括片光源系統(tǒng)、3組不同倍率的成像系統(tǒng)(其中成像系統(tǒng)CCD前端的慮光片起到2個(gè)作用：在拍攝過(guò)程中慮除非532 nm的背景光和拍攝停止后保護(hù)CCD芯片)、水平運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、電控系統(tǒng)、密封系統(tǒng)以及支架六部。密封殼體為圓柱結(jié)構(gòu)形式，密封殼內(nèi)所有部件都固定在底部平板上，底部平板固定在有3個(gè)圓環(huán)組成的框架內(nèi)，便于安裝和拆卸。另外，底板上裝有限位塊，當(dāng)各分系統(tǒng)完好裝在平板上時(shí)，將整個(gè)平板推進(jìn)密封殼體內(nèi)，通過(guò)限位塊確定平板的準(zhǔn)確位置。底板上裝有片光源系統(tǒng)、3組不同倍率的成像系統(tǒng)、水平運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及內(nèi)支架和電控系統(tǒng)4部分。3組不同倍率光學(xué)鏡頭切換是通過(guò)電機(jī)旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其中3組鏡頭有公共的一組鏡頭，即前組鏡頭，通過(guò)電機(jī)旋轉(zhuǎn)改變后三組鏡頭即可實(shí)現(xiàn)光學(xué)鏡頭切換。片光源系統(tǒng)和前組鏡頭固定在運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的平臺(tái)上，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為精密導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，能夠在±10 mm范圍內(nèi)來(lái)回快速移動(dòng)。由于前組鏡頭與片光源在同一平臺(tái)上，能夠保證尾流目標(biāo)區(qū)域能被攝像機(jī)清晰拍攝，實(shí)現(xiàn)尾流目標(biāo)區(qū)域不同氣泡切片的成像。所有內(nèi)部系統(tǒng)均固定在內(nèi)支架上，便于拆卸和維修，達(dá)到快速拆裝和更換的目的。在成像CCD和前組鏡頭前加有遮光罩，用以減少背景光與雜散光對(duì)成像質(zhì)量的影響，達(dá)到成像清晰的目的。

圖8 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Configuration of system

系統(tǒng)工作水深要求為50 m，殼體按60 m水深耐壓設(shè)計(jì)。根據(jù)目前設(shè)計(jì)的結(jié)果，像機(jī)殼體外形尺寸約為：Φ406 mm×1 000 mm，包括前后2個(gè)密封殼，通過(guò)法蘭對(duì)接將前后兩殼體連接起來(lái)，后密封殼體壁厚為5 mm，前密封殼體壁厚為3 mm，材料均為1Cr18Ni9Ti不銹鋼，以保證有足夠的強(qiáng)度和耐腐蝕性，殼體質(zhì)量約70 kg，成像系統(tǒng)的總質(zhì)量約90 kg。圖9給出殼體在水下60 m的受力分析圖。后端大殼體能承受最大應(yīng)力為172.4 MPa，實(shí)際最大壓力為100.4 MPa，最大位移變形量0.4 mm；前端小殼體最大應(yīng)力為172.4 MPa，實(shí)際最大應(yīng)力為159.3 MPa，最大位移變形量為0.379 mm。由上述分析可知，此圓柱形結(jié)構(gòu)能夠滿(mǎn)足成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可靠性的要求。

圖9 密封殼體受力分析Fig.9 Analyzsis of sealing shell load condition

3 結(jié)論

此系統(tǒng)針對(duì)尾流氣泡成像的難點(diǎn)，采用高速攝影與激光片光源照明，克服了氣泡運(yùn)動(dòng)速度快及目標(biāo)區(qū)氣泡圖像層疊的問(wèn)題。通過(guò)設(shè)計(jì)放大倍率可切換鏡頭組，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大動(dòng)態(tài)范圍(10 μm～500 μm)粒徑氣泡的成像；通過(guò)片光在尾流區(qū)內(nèi)前后掃描，實(shí)現(xiàn)了一定體積尾流區(qū)小氣泡的圖像采樣。通過(guò)鏡頭組前后分離、平行光中繼、片光源與鏡頭前組同步移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了片光掃描過(guò)程中成像清晰。設(shè)計(jì)表明，整個(gè)系統(tǒng)成像效果良好。該系統(tǒng)已在中船重工某研究所試驗(yàn)海域進(jìn)行了試驗(yàn)，系統(tǒng)放置深度為5 m，氣泡來(lái)源由目標(biāo)船產(chǎn)生，產(chǎn)生氣泡范圍10 μm～2 000 μm,試驗(yàn)中系統(tǒng)拍攝到10 μm、15 μm、40 μm、150 μm等不同大小的尾流氣泡。試驗(yàn)結(jié)果表明，整個(gè)系統(tǒng)成像效果良好，滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。

[1] 張曉暉, 雷選華, 饒炯輝, 等. 艦船尾流激光制導(dǎo)方法的研究[J]. 激光技術(shù), 2005, 29(5): 494-495.

ZHANG Xiao-hui, LEI Xuan-hua, RAO Jiong-hui, et al. Study of homing means for laser wake homing torpedoes [J]. Laser Technology, 2005, 29(5): 494-495. (in Chinese with an English abstract)

[2] 王慧麗, 張毓芬, 王運(yùn)鷹, 等. 利用光學(xué)攝影術(shù)研究尾流氣泡規(guī)律進(jìn)展[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展, 2007, 44(8): 68-69.

WANG Hui-li, ZHANG Yu-fen, WANG Yun-ying, et al. Progress on discipline research of wake bubble by optical photography[J].Laser & Optoelectronics Progress, 2007, 44 (8): 68-69. (in Chinese with an English abstract)

[3] 賈輝, 張世強(qiáng), 陳晨, 等. 像全息的水下應(yīng)用[J]. 紅外與激光工程, 2005, 34(1): 118-121.

JIA Hui, ZHANG Shi-qiang, CHEN Chen, et al. Underwater application of image holography [J]. Infrared and Laser Engineering, 2005, 34(1): 118-121. (in Chinese with an English abstract)

[4] 張毅, 柏連發(fā), 陳錢(qián), 等. 布里淵散射在水下激光成像探測(cè)中的應(yīng)用[J]. 紅外與激光工程, 2009, 38(4): 666-668.

ZHANG Yi, BAI Lian-fa, CHEN Qian, et al. Application of brillouin scattering on underwater laser imaging detection [J]. Infrared and Laser Engineering, 2009, 38(4): 666-668. (in Chinese with an English abstract)

[5] 張建生, 呂青, 孫傳東, 等. 高速攝影技術(shù)對(duì)水中氣泡運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究[J]. 光子學(xué)報(bào), 2000, 29(10): 952-953.

ZHANG Jian-sheng, Lü Qing, SUN Chuan-dong, et al. The moment of air bubbles in water by use of high speed photography[J]. Acta Photonica Sinica, 2000, 29(10): 952-953. (in Chinese with an English abstract)

[6] 張建偉, 楊坤濤, 王江安, 等. 基于片光源照明成像的水中群氣泡特性測(cè)量[J]. 光電技術(shù)應(yīng)用, 2010, 25(4): 35-38.

ZHANG Jian-wei, YANG Kun-tao, WANG Jiang-an, et al. Study of bubble characteristic in water by use of high speed photographybased line lighting lamp-house[J]. Electro-Optic Technology Application, 2010, 25(4): 35-38. (in Chinese with an English abstract)

[7] 陳敏. 氣泡幕物理特性參數(shù)的光學(xué)處理算法研究[D]. 西安: 中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所, 2006.

CHEN Min. Optical measurement algorithm of bubble curtains physical parameters [D]. Xi’ an: Xi’ an Insititute of Optics and Precision Mechanics, Chinese Academy of Sciences,2006. (in Chinese)

[8] 孫傳東, 陳良益, 高立民, 等. 水的光學(xué)特性及其對(duì)水下成像的影響[J]. 應(yīng)用光學(xué), 2000, 21(4): 39-45.

SUN Chuan-dong, CHEN Liang-yi, GAO Li-min, et al. Water optical properties and their effect on underwater imaging [J].Journal of Applied Optics, 2000, 21(4): 39-45. (in Chinese with an English abstract)

[9] 郁道銀, 談恒英. 工程光學(xué)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2007.

YU Dao-yin, TAN Heng-ying. Engineering optical[M]. Beijing:Mechanical Industry Press, 2007. (in Chinese)

[10] 蘇成志, 王恩國(guó), 郝江濤, 等. 平面幾何測(cè)量中的圖像畸變校正[J]. 光學(xué)精密工程, 2011, 19(1): 161-166.

SU Cheng-zhi, WANG En-guo, HAO Jiang-tao, et al. Distortion correction for images in planar metrology [J]. Optics and Precision Engineering, 2011, 19(1): 161-166. (in Chinese with an English abstract)

[11] OKUDAIRA S. Ultra compact telephoto lens,US:4556395[P]. 1983-05-27.