引言
液體霧化研究中，為了獲得霧化質量評價的直接證據，需要開展大量的實驗測量研究。目前的測量方法主要包括：激光散射、相位多普勒、粒子圖像測速和激光全息等。這些方法中，只有激光全息實現了霧化場的三維記錄，能夠在一次噴射中得到整個測試區域內霧化顆粒的三維空間分布以及大小、形狀等信息，被認為是霧化場的標準測量方法。傳統的光學全息需要經過全息干板的顯影、定影以及再現、圖像采集等過程，僅圖像采集過程就耗時幾十小時甚至幾天，不能實現霧化圖像的在線獲取，影響了霧化實驗的效率。
隨著計算機和圖像傳感器件的發展，數字全息有了很大進步，它的再現過程大大簡化，能夠在較短時間內給出霧化圖像，從而彌補了光學全息中再現和采集過程繁瑣耗時的不足。但是，圖像傳感器件的分辨率和感光面積與全息干板相比還存在較大差距，限制了記錄視場的大小、記錄小粒子的能力以及物參光的夾角。因此，數字全息還不能完全取代傳統的光學全息來進行霧化場測量。
為了在霧化場的全息測量中實現對霧化效果快速評估，提高實驗效率的目的，本文設計并搭建了由同軸光學全息、同軸數字全息以及數字延遲信號發生器組成的測量系統。系統中，數字全息能夠快速給出霧化圖像，以便對實驗總體效果進行評估。當實驗參數確定以后，可以通過光學全息獲取大視場與分辨力較高的圖像數據。為了驗證該方法的可行性，對低噴射壓力下噴嘴的霧化場進行了測量，同時給出了光學全息與數字全息的再現結果。
１聯合測量系統
１．１光路設計
霧化場測量中，霧滴密度的高低決定了所應采用全息記錄光路的結構。密度高時，造成未被霧滴散射的參考光減少，需要采用離軸記錄光路才能得到較好的全息圖；密度低時，可以利用同軸光路記錄，同時也降低了對光源相干長度、記錄介質分辨率以及光路布置的要求。由于ＣＣＤ的分辨率遠不及全息干板，從而將物光路與參考光路的夾角限制在幾度范圍內，給光路布置帶來了困難，所以數字全息一般采用同軸方式記錄，而光學全息則可以根據霧化場密度的實際情況，選擇同軸或者離軸方式記錄。
本文只討論光學同軸全息與數字同軸全息的情況，其光路結構以及控制信號連接如圖１所示，帶箭頭的實線表示光路；虛線表示控制信號。百皮秒脈沖激光器（波長５３２ｎｍ）發出的激光束進入擴束準直鏡，擴束成Φ７０ｍｍ的平行光照明霧化場，一部分光被霧滴衍射形成物光，另一部分未被衍射作為參考光，物光和參考光經過４Ｆ光學系統后，由立方分光棱鏡（邊長５０ｍｍ，分光比１∶１）分成相互垂直的兩路，一路由全息干板（分辨率＞３０００ｌｉｎｅｓ／ｍｍ）記錄物光與參考光形成的全息圖，曝光時間通過干板盒上的機械快門控制。由于分光棱鏡尺寸的限制，光學全息的有效視場為Φ５０ｍｍ；另一路由ＣＣＤ相機記錄全息圖，相機的機械快門需要預先打開等待光脈沖到來，同時利用中性濾光片衰減進入相機的光強，避免ＣＣＤ曝光飽和。由于ＣＣＤ相機靈敏面尺寸 （像素數為４０９６×４０９６，像元尺寸９μｍ）的限制，數字全息的有效視場為Φ３６ｍｍ。全息干板的乳膠面和ＣＣＤ相機的靈敏面均垂直于光軸，并且與分光棱鏡的距離相等。測量系統中的４Ｆ光學系統是將霧化場搬移到記錄介質前方適當位置，使記錄介質避開測試環境和測量對象的影響，同時可以使小尺寸霧滴滿足需要的遠場距離。脈沖激光器的出光時間、干板盒的快門開啟時間、ＣＣＤ相機的機械快門打開時間由數字延遲信號發生器ＢＮＣ５６５進行同步控制，利用輸入到ＢＮＣ５６５的外觸發信號可以實現在不同的霧化階段進行全息記錄。
全息記錄的是霧滴衍射光與未被衍射的直透光之間形成的干涉條紋，要實現直徑為ｄ的霧滴的全息圖記錄，要求記錄介質的最低分辨率為式中：θ為物光路與參考光路的夾角，θ＝０°時表示同軸情況；λ為光源波長；γ為松弛因子，這里?。?；μ（１）ｍ＋１為一階貝塞爾函數的第ｍ＋１個零值點；ｍ表示全息圖中旁瓣的級次，記錄級次的增加會要求記錄介質的Ｖｍｉｎ增大。高級次的旁瓣表示霧滴衍射模式的高頻分量，它與再現像的邊緣陡度有關，嚴重丟失高頻衍射分量時，會使得再現像模糊。
相關研究表明，只記錄全息圖的主瓣就可以分辨出粒子，多記錄幾個旁瓣可以增加粒子再現像邊緣的銳度。根據測量系統中光源的波長以及記錄介質的分辨率，由（１）式得到在只考慮霧滴全息圖主瓣情況下，同軸數字全息和同軸光學全息分別能夠實現直徑２１．９５μｍ和０．８１μｍ霧滴的全息記錄。但是，由于４Ｆ光學系統分辨率的限制（Φ５７ｍｍ的視場內，分辨力為４５．３ｌｐ／ｍｍ～１４４ｌｐ／ｍｍ），使得光學全息一路的記錄能力下降，只能實現直徑８．４７μｍ霧滴的全息記錄。
１．３再現圖像的獲取方法
測量獲得全息圖以后，使用不同方式再現處理。對于數字全息圖，利用文獻［１０］中的基于快速傅里葉變換的角譜算法ＦＦＴ－ＡＳ（ｆａｓｔｆｏｕｒｉｅｒｔｒａｎｓｆｏｒｍｂａｓｅｄｏｎａｎｇｕｌａｒｓｐｅｃｔｒｕｍ）進行再現計算，得到光軸方向上不同層面的噴霧圖像；對于光學全息圖，將全息干板顯影、定影處理后置于再現系統中，再現出記錄時刻的霧化場，再將各個層面的圖像分幅采集，然后對同層的各幅圖像進行拼接，從而得到每個層面的噴霧圖像。
２霧化場測量
２．１標定測量
為了獲得測量系統對霧滴記錄能力的量化數據，使用標準粒子板模擬記錄對象進行標定。標準粒子板是在透明玻璃基板上刻劃著標準大小的不透明圓形粒子點陣，粒子直徑為５μｍ、１０μｍ、２０μｍ、５０μｍ和１００μｍ幾種不同尺寸。將其置于４Ｆ光學系統前端，經過４Ｆ光學系統成像后，粒子板的像位于記錄介質前方且與記錄介質間距為３０ｍｍ。同時記錄粒子的光學與數字全息圖，然后再現處理，得到相同粒子區域的再現圖像，如圖２所示。
５μｍ粒子不滿足測量系統記錄能力的要求，所以光學與數字結果中均沒有５μｍ的粒子像。
１０μｍ粒子在光學一路記錄能力范圍之內，所以光學結果中能夠識別１０μｍ粒子，但是再現圖像中存在較多的背景噪聲，對識別造成一定影響。
數字一路記錄能力的理論值雖然是２１．９５μｍ，但是結果中還是能夠識別出２０μｍ的粒子像，其邊緣比較模糊，銳度差于光學結果中２０μｍ的粒子像的邊緣。
２．２低噴射壓力的霧化場測
采用現有的雙孔直射式噴嘴（噴孔直徑\ue788０．８ｍｍ，間距６ｍｍ），使壓縮空氣將腔體中的水從噴嘴壓出，在腔體中的水快要噴射結束時，形成了密度較低的霧化場，然后給ＢＮＣ５６５外觸發信號，使測量系統對噴霧記錄。
在記錄到的數字全息圖中截取尺寸為３０６６ｐｉｘｅｌｓ×７４１ｐｉｘｅｌｓ（像元大小為９μｍ）的有效部分，扣除背景后再現計算，得到３０個不同層面且層間隔為０．５ｍｍ的再現像，耗時２３５．８ｓ，平均單層計算 時 間 為７．９ｓ（硬 件 環 境：ＣＰＵ為Ｐ４３．０ＧＨｚ，內 存 為ＤＤＲ１２ ＧＢ；軟 件 環 境：ＭａｔｌａｂＲ２００９ａ語言，ｗｉｎｄｏｗｓＸＰ３２位操作系統）。由于腔體中水量較少，只有一個噴口有射流噴出，所以圖３（ａ）給出該噴口截面上的一幅再現像；圖３（ｂ）和圖３（ｃ）分別是圖３（ａ）中噴口處和射流中部的放大結果，能夠清楚地觀察到噴口處液柱破碎的情況以及中部的霧化顆粒，可以對霧化情況有所評估。
為了獲得噴口軸線層面上的光學全息再現圖像，需要在Ｘ和Ｙ方向上分別采集１７幅和１１幅圖像，采集過程耗時５７ｍｉｎ，然后將有效的６４幅圖像拼接，得到尺寸為１０５８５像素×１８１２像素（像元大小為７．９μｍ）的整幅圖像，如圖４（ａ）所示。需要指出的是，全息再現系統中使用了３倍成像透鏡對再現像放大。這里也給出了圖４（ａ）中兩個區域的放大結果，以便與數字全息的再現圖像比對。
２．３再現結果比對
與光學和數字再現圖像（圖３ａ和圖４ａ）相對應的視場范圍分別為２７．８７ ｍｍ×４．７７ ｍｍ和２７．５９ｍｍ×６．６７ｍｍ，數字方式獲得視場范圍內單一層面再現像的時間僅為８ｓ，而光學方式將近１個小時，可見數字方式具有很好的實時性。
全息干板上的干涉條紋與ＣＣＤ相機記錄的干涉條紋明暗相反，再現以后，光學全息的再現結果為暗背景中的亮粒子，數字全息的再現結果為亮背景中的暗粒子。從射流宏觀圖像結構來看，它們具有很好的一致性，但是各自也存在以下優缺點：
１）光學再現結果（圖４（ａ））由若干圖像拼接而成，拼接縫會對粒子的識別產生一定影響，而數字再現結果（圖３（ａ））是由完整的全息圖再現得到，不存在拼接縫，將會減少對粒子漏判或誤判的概率；２）光學再現圖像中存在較多的背景噪聲，這有可能是記錄過程中的背景噪聲，或者是干板沖洗過程以及再現光學系統中再次引入了噪聲。而數字全息圖再現計算之前，先進行了背景扣除，從而削弱了噪聲的影響，提高再現像的質量；３）光學方式對小粒子記錄能力高于數字方式，因此再現結果中，光學再現圖像中能夠識別出１０μｍ～２０μｍ范圍內的粒子，而數字再現圖像中只能給出２０μｍ以上的粒子。
３結論
應用同軸數字全息與同軸光學全息建立的聯合測量系統中，數字全息的有效視場為Φ３６ｍｍ，識別能力為２０μｍ以上的粒子；光學全息的有效視場為Φ５０ｍｍ，識別能力為１０μｍ以上的粒子。
利用該測量系統對低噴射壓力下的直噴式噴嘴的霧化場進行了測量，數字全息獲得一幅再現像的時間僅為幾秒鐘，具有較好的實時性，并且數字再現圖像與光學再現圖像具有很好的一致性，可以對霧化效果評估，然后再對光學全息再現圖像進行離線數據處理和分析，這對工程實驗中提高霧化場的全息測量實驗效率具有重要意義。
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