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1、目录1. 前言41.1 海底溢油及观测方法41.1.1 水面溢油41.1.2 水下溢油51.2 海上溢油观测方法研究现状61.2.1 海上溢油演化与归宿分析61.2.2 水面溢油监测技术71.2.3 水下溢油检测方法71.3 研究水下溢油的常用成像仪器9研究内容及结构介绍121.4结构 本章小结13同轴数字全息系统原理与实验系统构建142.2.1 数字全息系统概述142.1.1 全息技术的特点142.1.2 数字全息技术简介142.1.3 数字全息在海洋科学中的应用162.2 数字全息基础理论172.2.1 全息的物理过程描述172.2.2 数字全息再现原理192.3 同轴

2、数字全息系统的建立202.3.1 系统组件选择与仪器基本参数202.3.2 同轴全息的理论范围222.4 同轴数字全息系统分辨率测试232.4.1 描述光波场的数学方法错误!未定义书签。2.4.2 再现计算全息的菲涅尔算法232.4.3 计算全息的分辨率测试242.4.4 真实分辨率测试252.5 实验结果及对比分析252.6 本章小结27数字全息方法研究水下油滴283.3.1 水下油滴的研究现状283.2 同轴数字全息观测水下油滴实验293.2.1 实验目的与实验设计293.2.2 实验步骤303.3 实验数据处理313.3.1 图像预处理313.3.2 焦平面选择343.4 实验结果统计分

3、析353.5 本章小结36水下油滴颗粒聚合物与溢油4. 374.1 水下油滴颗粒聚合物的形成374.2 油滴颗粒聚合物研究现状394.2.1 各项因素对聚合物的影响404.2.2 对聚合物的理论分析与建模研究41基于同轴数字全息的水下油滴颗粒聚合过程研究435.51 基于同轴数字全息的油滴颗粒聚合物实验435.1.1 实验目的435.1.2 实验设计与装置435.1.3 实验步骤445.1.4 实验观测初步结果455.2 数据统计与数量分析465.2.1 二氧化锆颗粒对油的吸附率465.2.2 二氧化硅颗粒对油的吸附率485.3 实验结论495.3.1 定性分析结论495.3.2 定量分析结论

4、495.4 本章小结506. 总结与展望516.1 总结516.2 展望52参考文献531. 前言1.1 海底溢油及观测方法溢油因现代海洋石油工业和运输业的发展而产生和加剧。作为库存和运输通道，海洋在可持续发展和人类的生产生活的愈加重要。首先，全球深海，对海洋经济的着眼点已经从陆地转向海洋甚至极地海洋，从浅海的开发与利用涵盖油气、固体矿产、生物、海水、海洋能源和海洋旅游等。自二十世纪初年海洋石油工业问世，美国以外的数百亿吨可开发的和数千亿吨储量的海洋石油，成为有能源安全之虞的大国的。我国2012 年消耗近 5 亿吨，自产 2 亿吨，其中海洋石油产量占四分之一，相应的海底钻探、油气、输油管线等工

5、程已成为海洋油气开发的重要组成部分。根据最近十几年来全球大型油气田的勘探现状统计，大约 69-70%的新增石油产量均源自海洋，其中在深海发现的储量约占 45%-50%。据全统计，仅在我国渤海，就已经发现 7 个亿吨级油田，建有 200 多座海上钻井和采油平台。而海域石油地质储量初步估计有 230-300 亿吨，约占我国总储存量的 1/3。其次，作为重要运输通道，海洋承担世界原油需求量三分之二的运输任务，在航道上作业的油轮高达 7000 艘2。我国自 1996 年成为石油净进口国之后，2005 年时原油进口量接近 1.4 亿吨，2009 年时我国已成为第二大原油进口国，原油对外依存度超过了 50

6、%，预计到 2020 年我国的原油进口量将升至 2.5 至 4.3 亿吨 3，其中95%漂洋过海而来。当海洋成为和世界经济发展的血库和大动脉之时，其对经济政治意义不可小觑。而全球范围内不断发生的海洋油轮搁浅、平台、管道泄漏事故以及触目惊心的水上、水下溢油等海洋污染、警醒我们，开发并且保护海洋已经成为重要议题，惟其如此，人类对海洋环境依赖才能稳固持久。1.1.1 水面溢油海洋中的溢油包括水面溢油和水下溢油两类情况。水面溢油是指海上运输或开采石油及其过程中发生意外事故在海水表面呈现的形态。由于油品密度与海水密度差异，溢油在事故初期漂浮于海面，绵延游弋。泄漏的石油需要几周、几个月甚至几年的时间去，这

7、不但会带来各种经济损失，还会对海洋环境造成难以消除的损害。水面溢油有不同的起因和来源，包括海运型污染、陆源型污染、大气型污染及近岸化工厂排放造成的污染，但是主要为海洋石油生产运输事故，即海上钻井平台事故、船舶溢油事故和海底管道泄漏4。1979 年 6 月 3 日墨西哥湾发生了最大的海上钻井平台井喷事故，原油以 4080吨/天的流量共计 45.36 万吨，在 296 天中持续向海中和燃烧，使得墨西哥和美国的海岸受到严重污染5。2009 年 11 月 1 日，澳大利亚的金伯利海岸以北约 250 公里的一钻井平台发生爆裂，数百万公升原油流入大海，污染面积 2.5万平方公里，数以千计海鸟和海洋生物受到

8、威胁，殃及邻近阿什莫岛海洋生态保护区6。2010 年 4 月 20 日，美国历史上最大的，也是世界第二大的海上石油泄漏，美国墨西哥湾“深水地平线”钻井平台发生，原油以 10 万桶(1.6 万立方米)/日速度泄漏，合计 490 万桶(78 万立方米)，污染面积 9900平方公里，范围包括美国的阿拉巴马、密西西比、路易斯安那和佛罗里达等地区的部分海岸5。而我国也不能幸免，2011 年日山东蓬莱油田发生我国最严重的海底溢油，使得 6200 平方公里海水受到严重污染，直接造成损害 16.83 亿7。除了平台事故，船舶事故也是一个水面溢油的主要类型。造成船舶溢油事故主要原因是触礁和碰撞。1991 年到

9、2009 年期间的全球溢油污染事故中，有 53.7%是由油船等船只事故引起3。比如3 月，美国埃克森公司的油轮尔迪兹号在美国阿拉斯加州的威廉王子湾触礁，泄漏原油 3.6 万吨，污染面积 2.8 万平方公里，污染海岸 2400 公里，鱼类、海鸟和海豹等野生动物大量。据交通部海事局统计，我国在 1976 年至 1999 年期间共发生船舶溢油事故 2257 起，其中 60 吨以上的溢油事故共 46 起，溢油总量 17941 吨8。另料表明 1973年到 2010 年期间，我国沿海共发生大小船舶溢油事故 3 千多起，溢油总量达 4万吨9。1.1.2 水下溢油水下溢油源自铺设在海底的输油管线泄漏，发生频

10、率较高。资料显示，仅墨西哥湾一处的管道事故年平均 4 起。同钻井平台导致的管道泄漏不同，这种由于物理化学原因产生的管道破裂而形成的溢油，因其过程缓慢、地点隐蔽、远离视线，难于识别和控制。为此，国际上已经建立数据库，比如美国的 BSEE（安全环境局）、API(石油学会)、WOAD（世界海洋数据库），英国 PARLOC(健康委员会)。【大学 方娜 海底管道泄漏事故统计分析】目前我国尚未建立完整的数据体系，所以尽管拥有 6000 多公里的海底管道，其中九成的海底管道自投产以来从未进行任何清管维护，另外有大约 1000 公里的海底管道根本无法进行内检，海底油道存在严重隐患，油道安全事故 7 年内累计达

11、 1000多起，油道事故率 3 次/1000 公里.年，远高于美国的 0.5 次和欧洲的 0.25次。比如，2010 年 7 月 16 日，大连输油管起火，根据估计，该事故造成的海岸带环境污染和危害将持续 7 到 8 年。2011 年 10 月 14 日，在辽东湾北部锦州 9-3 油田海底运输管线破损，造成宽约 30 米和长约 80 米的油膜6。这些典型事故使得管道溢油的防控成为当务之急。多年来，溢油问题的严重性催生了相关研究，相应的理论和技术已经发展成熟，不过有关溢油研究的理论和方法完全以事故发生为导向，即重点在与事后应付。不断升级的生产事故和环境的影响，从减少企业利益、危害人身安全扩大到威

12、胁海洋环境，甚至影响经济与政治，使得不得不对其加以关注。1.2 海上溢油监测方法研究现状溢油监测的目的是把事故率在短期内降到零，长期内降到最小值。只有消除溢油事故才能保护海洋环境，这也是海洋石油安全生产和安全运输的目标。实现这个目标可以从两个方面考虑，其一，防止事故为主，保持常态安全；其二，在意外事故出现后尽早发现并加以处理。前者需要有关企业从设备、等方面加强安全管理；后者则需要借助各种现代化分析甄别，根据海上溢油的演化与归宿分析，实现溢油事故的快速发现与判断。1.2.1 海上溢油演化与归宿分析从时间序列看，溢油无论来自管道还是运输油轮，都经历从最初溢油到出现大量海面浮油再到最后消散的演化过程

13、，具体可以划分为五个阶段： 初出，上浮，漂移，破碎、降解。其存在形态可以从最初进入水体的滴状、上浮汇聚为膜状、聚合片状。1，初出阶段：当溢油进入底层海水后，底层海水流将溢油冲散成间距较小的油滴状；2，上浮阶段：间距加大而呈现分散的油滴在整体上呈现羽状油滴集群，溢油在海水浮力的作用下上浮流向海面，而上浮过程又会受到沿途各层海水流速的影响，不同密度的油滴上浮速度和时间也不尽相同；3，漂移阶段：到达海面的油滴汇聚形成油膜。我国锦州油田海底运输管线破损后，造成的油膜宽约 30 米和长约 80 米宽 30 米的油膜；深水地平线事故溢油油带长达 480 公里、宽 40 公里；4，破碎阶段：在海洋破碎波的作

14、用下，油膜破碎重新成为油滴，在水中悬浮；5，降解阶段：遇到颗粒物与油膜破裂形成石油悬浮颗粒聚合物，受重力和水流影响沉降或者悬浮并分散到更广大水域，被生物降解10。由于石油是碳氢化合物，含有少量的硫、氟、氧和微量元素，所以被泄漏而进入到海洋环境后，原油或者成品油受到太阳光照产生剧毒的醛酮类11。表1-1 列举了自然条件下石油的污染方式及其影响。表 1-1 海上溢油演化方式与归宿1.2.2 水面溢油监测技术第一，海上平台监测包括：利用可见光-反射红外波段遥感技术数字化电视系统、激光荧光传感器、电磁能量吸收传感器。优点是反应灵敏，可以进行全天候溢油监测，而且还可以自动；缺点：目前所使用的激光荧光传感

15、器和电磁能量吸收传感器，监测范围太小，对于海上溢油的发现贡献不大，溢油信息很难通过仪器自动处理识别，通常依靠肉眼观察识别，因此该方法多用于特殊地点溢油监测。第二，船舶遥感监测包括：浮标跟踪、航海和反射信息处理系统。优点是与、飞机、船、潜水器及声波探测设备一起组成现代海洋环境立可以承担多种监测任务；缺点是小目标不易发现，技体监测系统，对于海岸术复杂，只有美国、英国等有限参与。第三，航空监测包括：机载侧视、红外/紫外扫描仪、微波辐射计、航空摄像机、电视摄影机。优点是具有部署灵活机动和遥感器可自由选择，特别适合指挥清除和治理工作；缺点是相关仪器十分昂贵，而且受到天气因素和环境条件的影响，在有雾等恶劣

16、天气下，通常不能航行。第四，星、遥感监测包括：陆地、法国斯波特、欧空局环境卫、NOAA 系列、美国海洋水色。其优点是监测范围大，全天候，图像资料易于处理和解译；缺点是重复观测周期长，空间分辨率低，因此受到了一定的限制。1.2.3 水下溢油检测方法水下溢油从溢出后因浮力而迅速上浮，同时受水流影响，在水体中横向石油污染方式直接影响间接影响扩散风化石油毒素经由呼吸进入动物和的体内，损害健康藻类和鱼类体内富集毒素，通过食物链影响人类漂浮石油缺氧、吞食石油导致鱼类及其他海洋哺乳动物海洋植物或微生物影响海洋动物能力、植物微生物繁殖滞留、沉积石油海底动物，譬如螃蟹、贝类幼虫及小鱼吞食受害导致上层生物链甚至人

17、类畸形、突变运移扩散到达海面。所以一旦在溢油监测设备发现溢油之后，配合当时的海况及气象条件，就可以反推出溢油点，进而及时封堵溢油点14。但是如果在溢油到达海面之前观测到油滴，就可以根据其空间和的分布，在溢油进一步扩散和漂移之前对其进行处理，这样不但可以减小工作量，还能降低溢油对海上环境的污染程度和范围。所以对于溢油的处理来说，监测与溢油阶段的配合尤为重要。目前的研究有原位观测方法模拟观测方法和数学模型模拟方法。原位检测方法强调在原始位置进行观测。这一方法的优点在于能取得任何模型都无法替代的真实数据，缺点是只能在实际海洋环境中进行观测，研究成本高。除了现场原位实验，类似于深水地平线这样长程事故能

18、提供这样的机会，但是要在事故中心 5 千米以外的海域进行。比如 Fefilatyev S.【, Kramer K., Hall L., goldgof D., et al.,Detection of anomalous particles from Deepwater Horizon Oil spill using SIPPER3 underwater imaging platform, 2011 IEEE 11th International Conference on Data Mining Workshops, 2011, 741-748】 等人借此进行了事故发生地附近海水中与溢油伴生的

19、各种颗粒分类研究，并实验用颗粒影像仪来寻找油滴。OA Mikkelsen 等人【Mikkelsen O A, Hill P S, Milligan T G, et al. In situ particle size distributions and volume concentrations from a LISST-100 laser particle sizer and a digital floc cameraJ. Continental Shelf Research, 2005, 25(16):1959-1978.】运用激光粒度分析仪在美国和意大利两处海域进行原位实验比较仪器的识别性

20、能。过去几十院在北海和挪威海完成一系列各种原油实验性，挪威科技工业研究的全场实验。1994年进行了水面溢油现场实验，用 230 立方米的司徒雷混合北海原油制造两条可回收浮油带。1995 年他们进行了水下无气体溢油实验， 1996 年进行了水下 100 米深、2000 年水下 850 米深油气混合型溢油实验【Daling P S, Moldestad M Ø, Øistein Johansen, et al. Norwegian Testing of Emulsion Properties at SeaThe Importance of Oil Type and Releas

21、e ConditionsJ. Spill Science & TechnologyBulletin, 2003, 8(2):123-136.】模拟检测方法是在键信息来指导实践。比如在中模拟客观条件，并且简化条件参数，得出关条件方面研究溢油的数量、速度，在环境方面研究温度、水流、海况等条件，在理化特性方面研究溢油进入水体形成稳定的油包水形态的倾向性。这一方法被广泛运用与颗粒物、分散剂、悬浮物的研究，而所有仪器的开发都是从但是由于客观条件比如时间短的研究项目。起步。其优点是直观、具体、针对性强、调试方便。体积、微生物、水深等限制，仅适于次数少、体积小、数学模型检测方法建立在对客观数据的统计

22、基础之上，而且具有广泛应用。Gopalan B 等人【Gopalan B, Malkiel E, Katz J. Measurements and Modeling of Size Distributions, Settling and Dispersion Rates of Oil Droplets in Turbulent FlowsJ. C.】对湍流中的油滴分布沉降速度进行数学模拟，为分散剂的使用提供依据。这样高度复杂的湍流现象就可以通过数学模型以及相关参数来模拟和调整。挪威的风化模型 (OWM, e.g. Daling et al., 1997; Daling &

23、amp; Strøm, 1999)科技工业和溢油应急响应模型已经得到广泛应用 (Oil Spill Contingency and Response)(Aamo et al., 1996, 1997a,b; Reed et al., 1995 1997, 2001)上述三种方法在海洋溢油监测方法可以用于监测海洋中与溢油有关的气泡、液滴、海洋雪、水包油团块、浮游生物、悬浮颗粒物等，从颗粒、沉降速度、吸附量、体积、形态、轨迹等角度进行全面研究。而且，这些方法可以相互验证。为了验证研究和模型研究的结果，挪威科技工业在过去几十年间进行一系列海上实验。2000 年 6 月他们进行的深水实验是从

24、 850 米深的水下油气混合物，其目的是验证模拟深水溢油的数学模型。在完成的三项实验中，包括模拟单独天然气泄漏、非乳化形态的柴油、天然气混合泄漏、天然气原油混合泄漏分别持续一小时的状况。1.3 研究水下溢油的常用仪器1.3.1. 究水下溢油的常用非成像仪器目前溢油事故动态跟踪监测技术已经日渐成熟，针对油滴溢出现之后产生包括含有声波、超声波、放射性、光谱、和等信息的物理变化，现已开发研究的信号仪器主要有：管道梯度检测仪、超声波检测仪、噪声监测、负压波检测、热红外检测、放射性示踪剂检测、分布式光纤温度传感技术等，加之前述的部分海上溢油监测如航海、潜水器及声波探测设备，都可以在无论管道溢油还是运输油

25、轮溢油的五个阶段中，即初出，上浮，漂移，破碎、降解过程的监测中发挥一定作用。这些1 仪器敏感性高，因为借助物理传感器，可以信号，便于在溢油事故初期发现征兆；的优点是：到微小的波动、亮度、声音等2 数值化描述能力强，仪器仪表的测量结果能够直接以数字化形式呈现出来，便于判断溢油的数量与严重程度，因而决定应急响应的级别；3 能实现常规化网络化监测，这些仪器可以部署在海底管线附近，在复杂海底条件下和近岸地区可以加大密度，由这些检测网络汇聚的数据除了日常分析评价之外，还可以用于分析研究；4 成本较低，由于指标单一、设备简单，所以溢油监测的投入较少。同样由于指标单一，这些设备的不足在于：1 不能形成综合的

26、溢油状态描述，仿佛在描述黑箱问题，要借助检测的经验对累计数据进行判断，因素影响大；2 没有图像信息的盲判会浪费人力物力，以逐步缩小搜索范围的方式接近事故原点，会错过控制事故的最佳时间。1.3.2 研究水下溢油的常用成像仪器显而易见，成像设备会为水下溢油监测、判断和决策提供充分的信息。在深水地平线溢油事故中，Sergiy Fefilatyev 等人搭建的监测异常颗粒物的水下成像平台【Fefilatyev S, Kramer K, Hall L, et al. Detection of Anomalous Particles from the Deepwater Horizon Oil Spill

27、 Using the SIPPER3 Underwater ImagingPlatformC/ IEEE, International Conference on Data Mining Workshops. IEEE Computer Society, 2011:741-748.】，在事故海域得到 5 万张图像，对所观察到的水下 13678 个颗粒中的8536 个颗粒聚合物和 1072 个油滴进行了详细分类。【插图：油滴的。】目前采用的水下成像设备主要有显微类的透射光显微镜、共焦激光扫描显微镜、环境扫描电子显微镜；。透射光显微镜从样品对面发光照到物镜,通过它的光到达相机或目镜进行图像放大。对

28、于紫外线荧光显微法,紫外线传输通过样品。样品的荧光团激发出比紫外线波长更长的光,荧光是选择性地通过光谱发射过滤器,然后观察和荧光图像。因为芳烃被强紫外线激发时出自然荧光，紫外线荧光显微镜对油组分很敏感。此外,通过过滤长波长发射光消除不利的短波背景16。成本相对便宜,样品和分析过程简单。Lee 等人使用紫外线荧光和亮场透射光显微镜观察化学分散的油滴颗粒物17。Khelifa 等人使用紫外线荧光显微法描述矿物粒子,稳定的油滴,发现油滴浓度随油的粘度、温度和沥青质含量降低,而油液滴的形状和大小和滑油粘度没有18。共焦激光扫描显微镜可以产生光学图像与样本深度选择性和观察粒子的内部结构,而且通过总厚度

29、50 微米以上的荧光图像样本它得到很薄的(0.5-1.5 微米)区域图像。该仪器对石油组分敏感,因其独特的共焦显微镜的结构，它能生成比荧光显微镜更清晰的图像。然而,这种显微镜有通过点扫描样品的限制,这不仅耗费时间,由于延长在共焦激光下，还可能改变样本的属性,导致图像偏离其真实形态。Wang 等采用共焦激光扫描显微镜生成油和颗粒聚合物的图像，发现与改性高岭土颗粒相比原来的高岭土颗粒(高疏水性)吸附的油滴19。Stoffyn-Egli 和 Lee 采用这种技术研究油和颗粒聚合物,发现矿物细颗粒可能出现在油滴或聚合物表面20。环境扫描电子显微镜从高真空枪进入样品室,通过电磁透镜使光束集中,定于样品表

30、面。当聚焦的电子小点(光束)扫描光栅形成的小样本区域时,光束之间的交互电子和样品生产各种信号被探测器收集,然后转换成图像21。环境扫描电子显微镜有更大的放大比(100000 倍),它可以研究温度范围从-200°C 到 1000°C 的样品,并提供目标物表面详细的三维形状22。传统的扫描电子显微镜只能观察干燥和电绝缘材料23,而环境扫描电子显微镜采用微分抽水系统,可以真空高压把从枪区域转移到样品室,对自然状态(较湿的样品)成像快得多,也更容易24。Stoffyn-Egli 和 Lee 使用环境扫描电子显微镜观察涂油矿物、矿物质和油滴干燥样品之间的关系20。简而言之，常用水下研

31、究的仪器种类繁多，但由于水介质具有散射效应和快速吸收能力导致激光衰减，使得水下探测设备成像噪声高、距离短。从仪器的应用比较看，每一种显微镜都有其适用范围，加之客观条件限制，用拟方法研究水下溢油过程中的油滴与悬浮颗粒聚合物，需要斟酌使用：模表 1-5 水下溢油的常用仪器比较15通过以上比较和综合考虑，为了更好地进行模拟观测，需要设计一套针对油滴和悬浮颗粒聚合物的数字全息成像系统。首先，全息图通过按时间序列三维图像，提供符合人眼观测视差关系的油滴、颗粒物或者颗粒聚合物的的图，具有高分辨率、大景深，便于识别空间信息，并进行动态比较；其次，系统可以通过移动焦面获得系列全息图像，能在不同景深对观测到对像

32、进行多焦面多达百次聚焦，而普通二维图像只能一个焦平面地拍摄；此外，全息图像单次观测的空间范围较大，足以观测悬浮在水中小到微型油滴、颗粒，大到团块聚合物等对象的状态、运动、变化，为研究水下溢油相关课题提供了一种、无干扰、非接触、真实可靠的先进观测。1.4研究内容及结构介绍1.4.1 研究方法通过收集整理国内外相关研究文献了解到，目前对溢油污染沉积物的观测实验都是基于光学透射、反射及两维成像等方法，这些方法的不足之处是不能提供所观测空间内目标物的空间位置变化信息；另一方面，通过研读相关发现，在近岸溢油事故处理过程中，溢油的化学方法不利于环保，生物方法时间过长。相对而言，能迅速处理残留油膜又对友好的

33、方法是抛洒矿物颗粒。在颗粒物的、种类、与不同油类在微观尺度下的相互影响方面的研究不足，这制类型优点局限性紫外荧光显微镜对油滴敏感，简单，快速焦点之外图像模糊，不适合定量研究共焦激光扫描显微镜图像清晰，对油滴敏感， 具有光学分层能力成像时间长，成本高，弱化荧光信号环境扫描电子显微镜放大倍数高费用昂贵，操作复杂，产生荷电效应颗粒影像评估仪为详细检测、分类提供可视化界面不对无法鉴定的颗粒进行识别同步扫描成像技术激光功率低对要求高条纹管水下激光三维成像技术采用扇形光束，视场扩大，三维成像国内发展不外相对成熟偏振光水下成像技术对比度大，图像清晰由于偏振导致信息减少，反射光能量小等特点。约了对污染悬浮物运

34、理的深入研究。在国内外的研究工作基础上，从数字全息成像及全息图像处理方法等方面开展探索研究，以数字同轴全息，建立平台，模拟溢油状态，研究喷口附近油滴的空间密度分布，检测小尺度颗粒与油膜相互作用，形成聚合物的过程、微观形态、性质，确定粒径与吸附能力的关系，在信息获取、测量研究领域，为油滴与油和颗粒聚合物关键参数测量的技术拓展提供支撑，进一步提高我国在海洋溢油观测研究的国际地位。1.4.2结构第一章主要介绍研究背景。通过分析海洋污染与溢油产生的原因，归纳整理现有的污染防治方法、理论、工具，本文的选题为运用无透镜数字同轴全息成像技术，研究水下油滴与悬浮颗粒物聚合体。第二章以数字激光全息理论为基础，设

35、计并搭建了无透镜同轴数字全息系统，使用数字全息，通过数字全息系统分辨率测试，确定系统观测范围颗粒尺度等参数，并实验结果进行对比分析。第三章运用所搭建的模拟水下溢油的实验装置，对实验用油进行模拟实验，用 CCD全息图像，经过重构、预处理、参数提取，得到油滴空间位置密度数据分析资料。运用数理统计方法得出溢油初始状态微观尺度下油滴的分布规律第四章分析国内外溢油的理论实践资料，通过对当前应用颗粒物分类比较，对两种颗粒样品按不同粒径与实验用油形成聚合物，再用搭建的同轴全息系统观测，得到原始全息资料，并经过预处理之后，提取了图像信息，第五章 运用统计方法，计算出同等质量下颗粒物的种类、粒径与所形成的聚合物

36、的平均直径、石油吸附量的数量，分析粒径与悬浮颗粒聚合体平均直径的关系。第六章对本文进行总结，展望相关研究前景。1.5 本章小结在简要介绍了研究背景、相关发展和研究方向之后，本章对现有溢油处理方法和相关技术进行了比较，论述了本课题的选题的依据，简要介绍本文的后续内容，并且强调了本文的特色与创新之处。2. 同轴数字全息系统原理与实验系统构建2.1 数字全息系统概述2.1.1 全息技术的特点全息（Holography）本意为全部的图像信息。全息技术是对光场的，而不是单纯图像的成像技术。与传统光学成像借助透镜物体光场强度信号不同，全息图可以物体发射的衍射信息，并且使衍射光能够被重现，其位置和大小与之前

37、相同，即不仅了物体的振幅信息，而且了物体的位相信息，从而更加真实地反映了原物体,并通过全息图储存、重现、处理光学信息。全息技术是英国物理学家 Denise Gabor（1900-1979）在 1947 年对电子显微镜进行改进时意外发现并申请专利25。直到 1960 年激光技术出现，光学全息才显示出优越性。跟普通光学成像技术相比，全息技术能够和再现观测目标的三维信息，且具有较高的分辨率。非接触式的观测方式，可在不破坏样本原始结构的条件下进行26。全息系统因为操作简单，费用低廉以及对环境要求低而得到广泛应用。2.1.2 数字全息技术简介数字全息技术是现代计算机技术与光学相结合的产物。1967 年，

38、Goodman 和Lawrence 使用光敏电子成像器件全息图，并把全息图存入计算机，之后用计算机进行模拟再现，从此全息技术进入数字化发展阶段27。数字全息技术大大简化了复杂的传统的光学全息方法。数字全息技术直接采用电耦合器件作为记录材料接收全息图像，能够实现图像的实时获取和处理。再用数字化的方法模拟光衍射过程对全息图像进行重建，实现了全息技术从到重建全过程的数字化，在数值重建过程中能同时得到光波场的强度和相位信息，数值重建还可以方便地进行数字聚焦，容易实现三维观测。另外，当系统采用脉冲激光作为光源时，时间很短，可以有效避免图像模糊。由于其避免了传统全息中干板的湿处理，并且不需要物理再现过程，

39、具有实验过程简单方便、噪声小、实验结果直观、实时处理等优点。数字全息技术在近几年来有了快速发展，光电图像处理器、全息技术、计算机图像处理、光敏材料和超短脉冲激光等技术使图像的处理过程更加简洁迅速，甚至实现了实时的、再现和信息提取，对应力、密度、质量密度、温度、振幅、弯矩、应变、位移或转动等物理量能精确测量，从而可以对冲击场、流场、应力场及生物过程等超快现象的无接触无损伤确切诊断。随着成像器件分辨率的提高和计算机技术的快速发展，全息技术被应用在各种领域，已经在形貌测量、显微、检测等多个领域得到了应用28，对医学、生物学、海洋学影响也越来越突出，体现了它的广阔的应用前景。计算全息（Computer

40、 Generated Holography，CGH）产生于二十世纪中后期。激光全息需要对真实存在的物体，利用光的衍射原理，借助参考光将物光波在感光材料上或者 CCD 内，其前提是物体必须真实地物理地存在，能在激光照射下不同面产生不同的光强和相位。但是一些“理想”“概念化”的设计可能难以制作出来，但又必须以视觉形式呈现出来，如用于检测的标准件或用于特殊光学信息处理的空间滤波器等，或者精微电子现这些功能。它将计算机技术和光全息结合，的设计。借助计算全息可以实光学全息。计算全息图把与物光波有关的数学描述输入计算机处理后，系统经过运算，再通过适当方式再现全息图。计算全息实现过程不需要真实物体的存在，可

41、以根据需要，设计物光波的具体数学表达式，所以其功能灵活，不仅可以描述不存在的物体，还可以对数字全息进行校正，或者实现多激光同步高速扫描。能力强，噪音小，且易于，可获得很高的衍射效率。该技术已经成功运用在三维显示、空间滤波器、光学信息储存、激光扫描等领域。图 2-5 计算全息流程的逻辑框图上图为计算全息模拟的流程，具体环节包括：从内存中观测目标的图像，计算物面抽样数量，输入波长、物面和物距等参数，计算光场分布，通过傅里叶变换进行衍射计算，计算像面，计算并显示全息图像，计算并再现图像。在上述环节中，计算光场分布和计算再现是计算全息的两个关键。2.1.3 数字全息在海洋科学中的应用近年来全息技术在海

42、洋科学的理论实践中得到了较大发展，尤其是在对水下环境研究。George 应用全息技术分析悬浮颗粒聚合物的大小和沉降速度29； 徐元强、吴学成、Pu 等人分别用同轴全息技术研究颗粒识别30，31,32； Dominguez-Caballero 研究水生物的数字全息成像33；Owen 和 Zozulya 用同轴数字全息传感器检测和确定海中颗粒物34；Kuhn 等人用马赫曾德尔数字全息显微镜描绘追海洋踪微生物35；Satake 等用数字全息校准板进行粒子跟踪与测速36；Ryle 等人通过对数字同轴全息显微镜系统的校准景深分析生物过程37； Graham 等人使用数字全息粒度分析仪测量具有复杂形状的粒

43、子38；当溢油问题出现在海洋科学尤其海洋地质科学的课题之中，同轴数字全息技术成为研究水下粒子的最佳。近年来，研究成果不计其数。例如 Lanadie等用同轴数字全息研究两相流中颗粒速度39，Chen 等人用压缩数字全息对油滴进行量化研究40；凡此种种，不胜枚举，足以证明数字全息技术尤其是同轴数字全息技术对于相关研究意义。虽然目前同轴数字全息系统已广泛应用于水下汽泡、悬浮颗粒、浮游生物、溢油油滴等观测中，但是对同轴全息成像系统的在观测溢油初期油滴的空间分布密度以及石油悬浮颗粒聚合物的等研究较少。2.2 数字全息基础理论数字全息技术提供了测量物体光学相位数据的，以振幅、相位和偏振状态给出物体三维表面

44、或者厚度信息，成为测量技术领域的强大工具。数字全息技术主要步骤：（1）全息图像。通过 CCD 相机的全息图信息包括光场的相位和振幅即光强等，把物理信息适当编码为数字信息便于和运算。传统光学只能振幅信息，全息技术能够同时物体表面反射的振幅和相位信息，离轴数字全息全息参考光与物光的条纹，即光场内的光强分布，而同轴数字全息光栅衍射信息。（2）数字全息图像的重构或再现。按照衍光强和相位信息，使用计算机来模拟光波场过程 ，用卷积算法、角谱算法和菲涅尔算法可以得到不同焦平面上的再现图像。图像处理和结果分析。对重构后的再现图像进行降噪、滤波、二值化等预处理，提高图像质量和实验结果准确性，以便对实验结果进行进

45、一步分析。（3）2.2.1全息的物理过程描述图 2-1 全息图像光路图设目标物所在平面为（x0，y0）平面，介质的位置为（x，y）平面，物光波和参考光波前在介质上的复振幅分布为（2-1）（2-2）介质上的总光场为（2-3）全息图的光强分布为（2-4）式（2-4）中第一部分为物光波的光强，第二部分为参考光的光强，第三部分为项，包含了物光波的振幅和位相信息，而振幅和位相分别受到参考光的振幅和位相的调制41。设 CCD 靶面为 Lx×Ly，数字化离散采样点为 Nx×Ny，则 x 和 y 方向的采样间隔分别为x=Lx/Nx，y=Ly/Ny，CCD到的光强分布为（2-5）其中，u，v

46、=-N/2，-N/2+1，N/2-1，二维脉冲函数，rect 为代表 CCD 有效感光面积的矩形函数。2.2.2 数字全息再现原理数字全息再现过程是通过全息系统过得数字全息图像后，使用计算机模拟光波场过程，根据衍射后的复振幅得到光强和相位信息，这一过程决定了再现图像的质量，因此再现过程是数字全息技术中关键的一部分42。常用的字全息再现算法包括卷积算法、角谱算法和菲涅尔算法。卷积算法基于瑞利-索末菲衍射衍射公式线性系统原理，其再现像的像素大小与再现距离无关，由 CCD 的靶面傅里叶变换，重建速度较慢。决定。但计算过程复杂需要进行三次角谱算法通过对频域进行描述，把光波场转化为频域信息，经过，再转化

47、为空域而得到衍射后的光场。其重构过程需要经过傅里叶变换和傅里叶逆变换28，在计算息系统。过程中不存在近似，因此减少了误差，但该算法不适合同轴全菲涅尔算法在基尔霍夫-索末菲衍射基础上根据麦克斯韦理论出发建立的标量衍射公式，只需一次傅里叶变换就可得到光场分布，这在很大程度上简化了计算的难度。这里着重介绍菲涅尔算法。定义一束相干光照射下，接收屏上的复振幅为 C(x，y)，则全息光波场可以表达为（2-6）其中 tb 为均匀偏振透过率。U1 和 U2 为衍射场的 0 级项，强度不均匀，U3 为衍射场的+1 级项，包含物光信息的原始像，U4 为衍射场的-1 级项，也称为共轭像。O* 代表目标物的共轭光波。

48、当 C(x，y)=R(x，y)时，光源与参考光相同，代入公式（2-6），（2-7）（2-8）当 C(x，y)=R*(x，y)时（2-9）（2-10）由于采用同轴数字全息光路，参考光与物光难在拍摄过程中同时获取，但物光强度远小于参考光强度，直接将参考光强度看作数字全息图中的零级项。2.3 同轴数字全息系统的建立为了研究模拟条件下油滴和相关聚合物，根据观测对象和特性的特殊要求，需要设计并搭建高精度的数字全息成像系统。并对该系统进行校准实验，对成像空间的不同位置的重构图像进行评估，确定最佳观测尺度和范围。图 2-2 同轴数字全息成像实验系统结构示意图从系统结构示意图可以看到，基本要素如下。光源部分：

49、激光器准直部分：显微物镜，针孔，平凸透镜部分：滤波器，CCD 相机软件部分：Streampix5，ImageJ2.3.1 系统组件选择与仪器基本参数（1）激光器：在分析目前可选的水下全息成像主要采用的激光光源并进行对比，譬如 Q 开关激光器、二极管激光器以及国内的 He-Ne 激光器的优缺点(体积、复杂性、功率、开关调制性能等)等综合原因决定本实验所采用激光器参数。表 2-3 激光器参数项目参数型号IQ1H70(660-100)G36海水在波长为 350-500nm 区间内存在着一个透明窗口（即较低的吸收系数），从 500-700nm 的吸收系数之间增加，700-800nm 的吸收系数达到最高

50、值。由于浮游生物对红光及红外光谱不敏感，有利于进行无干扰观测。另外，为避免过强的激光带来的成像靶面饱和现象，在激光外部布置一个偏振器或衰减器来减弱光 强。（2）CCD 相机通过对目前水下全息成像可以选用的 CCD 相机进行对比，在帧速(Frame PerSecond， FPS)，像素分辨率、像素、功耗、灵敏度、动态范围等方面详细推敲，综合考虑 CCD 与 CMOS 技术以后，确定实验所采用相机参数如下。表 2-4相机参数（3）准直系统准直系统是使激光变为平行光的装置，包括显微物镜，针孔和平凸透镜。为了确保系统每一个部分中心位置相同，用笼式框架装置来固定各个组件。激光从激光器发射出来后首先通过十

51、倍显微物镜进行汇聚，再经过固定在自定心装置上的直径 5m 的针孔过形成点光源，再由焦距 150mm 的凸透镜改变光路，使球面项目参数型号Genie TS-M4096像素分辨率4096´3072像素6.0mm最大帧速12fps动态范围60dB输出格式8 位或 10 位增益控制自动、手动及模式靶面24.6´18.4 mm触发模式自动、编程以及外部触发功耗4.5 5.5 W生产厂家TELEDYNE DALSA波长660 nm功率100mW调制速率连续-100MHz上升沿时间2 ns延迟10 ns光束扩散角< 1 弧度波拓展和准直为平面波。显微物镜的位置可以通过螺旋千分尺在

52、X，Y，Z 轴位置进行微调。2.3.2同轴全息的理论范围图 2-3 全息系统光路示意图以及观测物体的大小等共同决定了观测区域的范围。激光波长、CCD 靶面，当物体被一组相干平面波照射，并且在参考光束平行于光轴时被投影到 CCD 目标表面上时，空间频率。条纹之间的距离被称为条纹空间周期x 的倒数称为（2-11）其中角度是衍射光和 Z 轴的角度。 CCD 光电检测器阵列可以区分的最大空间频率由 CCD（即 CCD 的像素）决定。根据 Shannon 采样原理，1 条纹周期记录需要至少 2 像素，即 2N =x，N 是 CCD 表面元素的边长。（2-12）因为接近 0 和N =6.0m，所以（2-1

53、3）物体和 CCD 之间的距离（Dmin）也可以由物体（L0）和 CCD（LCCD）的长度来描述。（2-14）由于 LCCDx= 24.6mm，LCCDy=18.4mm，可以得到 L0 和 Dmin 之间的线性关系：L0x=0.11Dmin-24.6（2-15）L0y=0.11Dmin-18.4（2-16）图 2-4L0 和 Dmin 之间的线性关系在一定范围内，观测窗口随 D 的增加而变大，但当物体和 CCD 之间的距离过大时激光会严重衰减，也会导致分辨率下降。此外，由于采用的是无透镜成像，因此不必透镜带来的像差影响。2.4 同轴数字全息系统分辨率测试数字全息系统搭建之后，需要对其性能进试并

54、按照实验要求进行调整。测试的过程首先进行计算全息模拟与实际测量的分辨率进行比对。其次，以标准颗粒为观测对象，通过重构图像获得的颗粒参数与实物信息对比，最终确定系统的最佳观测范围。2.4.1 再现计算全息的菲涅尔算法菲涅尔变换算法是基于菲涅尔衍射理论，需要满足菲涅尔近似条件。首先，假设目标物与光源距离较远；其次，为简便计算，在傍轴条件下光场可近似表示为（2-30）上式即为菲尼尔衍射公式，其中 U0 为光场在衍射面上的复振幅，d 是观察面到衍射屏的距离，FFT 为快速傅里叶变换。2.4.2 计算全息的分辨率测试首先，输入原始二维图像和其他必要参数。用均匀一致的 660 纳米平面波，CCD 观测屏幕接受垂