● 摘要
一直以来非定常（非周期性）复杂三维流动一直是当今流体力学的疑难问题。尤其以隐身、高机动性引起的飞行器（舰艇）的非定常复杂三维空间流场，以微型飞行器（MAV：Micro Aerical Vehicle）和机器鱼为背景的生物和仿生流体力学问题，以跨、超音速混合、燃烧为背景的非定常激波膨胀波存在的可压缩剪切复杂流动，以微机电系统（MEMS：Micro Electromechanical System）为背景的微尺度复杂流动等，都是迫切需要解决的问题。现在还没有一项测试技术能够有效解决上述问题。而基于数字全息特性发展而来的数字全息粒子图像测速技术（DHPIV：digital holography particle image velocimetry）是比较有潜力的技术之一，有可能对上述难题的解决产生突破性的推动作用。实际上，该方法已经实现了对复杂流场三维空间瞬时三维速度场和相应的时间序列的测量。但是，目前该方法主要采用传统同轴全息技术，存在着观测空间小、全息记录和数字重现空间分辨力有限、观测流场结果的校正和验证问题以及实际的应用技术等问题的限制，暂时还无法被推广应用于实际的各种流动中。因此，如何发掘该方法在现有技术条件下的应用潜力并检验其可行性和可靠性就成了当前研究的重点之一。 针对上述问题，基于同轴全息理论，本论文在扩大视场研究和应用方面进行了一些初步的探索性工作： 1.基于同轴全息方法对深度方向粒子重建方法进行改进，以提高其深度定位精度：由于全息记录介质记录的是物光与参考光的干涉条纹，自然无论是记录过程还是物场的重建过程都会受到给定的各项记录参数（如粒子大小、粒子浓度、记录距离、记录光波波长、CCD尺寸、CCD像元尺寸等）的影响。因此，我详细系统地分析了各记录参数对于同轴全息的具体影响，提出了临界记录距离概念，并应用于实际的光路安排中进行相关参数优化，以便达到提高粒子重建精度目的。 2.基于同轴全息方法分析了相机暗电流对全息成像底片以及数值重建的影响：具体分析了暗电流的影响模型，指出均匀暗电流分布本质上类似于直流分量的影响，其会影响全息记录条纹的对比度，但并不影响实际的全息重构效果。但是非均匀分布暗电流随着其强度的加大会逐渐影响全息重构的精度，低水平的暗电流影响比较小，在实际应用中可以忽略不计。 3.发展了一种新的基于相位均方的粒子信息提取方法，提高了大粒子的提取精度：在前期的研究基础上发展了一种新的基于粒子相位分布均匀度的方法来提取相应的粒子信息，数字模拟和试验显示该方法对于相对较大粒子而言具有比较好的效果。 4.分析了扩大视场DHPIV与传统同轴DHPIV在光路安排和数值重建方法方面的异同，提出了并实现了优化的同轴扩大视场数值全息记录方案（凸-凹透镜组合布置）和相应的数字再现技术和算法（准同轴全息再现方法），并通过实验初步分析了现有硬件条件下同轴扩大视场测量方法在深度方向的重构粒子分辨精度。 5.利用所提出的同轴扩大视场全息粒子图像测速技术，对长方体玻璃盒顶部进出口流动进行了测量，得到了低雷诺数下流场三维空间中的三维速度场、三维流线、三维等涡量面结果。在现有光路布置和硬件条件下，相对于以往传统同轴数字全息粒子图像测速技术而言，测试空间扩大为前者的1.616(X方向)×1.616（Y方向）×1.56（Z方向）＝4.07倍，初步验证了该方法的可行性。同时，也验证了最佳临界记录距离在实际应用中的指导作用和优化作用。但是，该方法在扩大测量空间的同时是以牺牲深度分辨率为代价的。