應用于水下能分辨粒徑10 μm～500 μm尾流氣泡的成像系統

劉西站，薛艷博，何俊華

(中國科學院 西安光學精密機械研究所，陜西 西安 710119)

引言

尾流是指艦船在航行中, 由于螺旋槳旋轉產生空化、海面波浪破碎以及吃水線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、速度以及數密度分布等參數的獲取是研究尾流物理特性的基礎，也為進一步研究尾流光學制導提供了一種全新的技術途徑[1]。

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

但是尾流氣泡成像仍存在較大困難，主要在于：1) 尾流氣泡幕內各個氣泡的尺寸是大動態范圍(μm級～mm級)，要對完整范圍內的氣泡成像，光學系統望遠能力、CCD分辨能力要求較高；2) 氣泡形變、裂合以及位移的速度快, 每個氣泡的運動規律和衰減情況大不相同；3) 光學系統存在景深， 照明光也有厚度，對氣泡幕成像會造成不同物距氣泡的圖像層疊；4) 海水對光線吸收及散射作用強烈，加上海洋中雜光的干擾，使拍攝的圖片對比度不高[5-6]；5) 海水中非氣泡懸浮物雜質的干擾。

受制于測量技術和CCD 的發展，以往報道中利用光學攝影所測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[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，但測量范圍過小，分別為10 μm～60 μm 和33 μm～37.5 μm，無法涵蓋尾流氣泡的分布范圍；……