文 献 综 述
航空工业，能源工程发展的要求，复杂流场的流动显示技术和定量测量技术一直备受关注。例如对高超音速飞行器进入大气层产生的高温流场，火箭发动机产生的高温燃气射流场，风洞中的高超音速流场等的研究。这对我们把握实验装置的发生环境和改进实验装置有着至关重要的影响。计算机层析技术（Computerized Tomography,CT）是一门20世纪70年代以后发展起来的一项综合性技术。它的产生和发展起源于人们对于复杂三维探知和测量的需要。目前已经广泛应用于医学和工业上，然而CT技术尤其是工业CT技术的实用化，面临着理论和实践两方面的困难。其数学模型的不适定性和数值求解的精度和效率都一直是数学界研究的重点[1]。
光学层析技术（OCT），是CT技术的一个分支。光学层析技术具有天生的瞬时性和非接触性，因此在对流场的测量和三维重现具有其他技术无法代替的优势。众所周知，流场中温度、密度等物理量的变化会引起被测场中折射率分布发生相应的变化。光学层析技术就是用光学的手段重建被测场中各部分折射率的变化，再由折射率与被测场中各物理量的关系得出所需要的物理量分布。
目前在流场测试中被广泛应用的定性和定量显示技术，有阴影法，纹影法，莫尔层析以及干涉层析[2]。阴影法记录的是偏折位移量，反应的是折射率的二阶导数。它适合大动态范围的流体场测量，光学装置简单。但是由于各流场成分对光线吸收的不一致，使得测量屏上对比度的测量困难，典型的阴影装置很少用于定量研究中。
而干涉法记录的是光波相位差。干涉层析技术在投影方式上，表现为干涉条纹。反应的是沿射线方向上的相位差的累加，在测量上具有极高的灵敏度和分辨率。并且与经典的Radon变换具有相同的数学形式，即投影为沿射线方向的场函数的积分，与此同时，光学干涉层析系统的重建问题可以借鉴很多其他CT领域成熟的算法，因此光学干涉层析技术是光学层析技术中应用范围最广，研究最多的一种层析方法。但是干涉层析技术在实际应用中也有局限性，如果被测场具有的折射率分布具有较大起伏，则相应的相位差分布具有很大的跨度，往往很难得到完整的干涉条纹。因此光波携带的相位信息作为投影数据显然是不合适的。另一方面，如果实际测量环境较为恶劣，有强震动存在，那么用干涉的方法来获取数据也是不适合的。
纹影法和莫尔层析记录的是出射光线偏折角，反应的是折射率的一阶导数。这三种方法都依赖于光线在流场中的偏折效应。刀口纹影法同样需要获取投影上的对比度，这就遇到了和阴影法同样的问题，很难精确测定系统对比度，所以它也只能用于流场参数的定性测量。因此，莫尔层析技术以偏折角为投影数据，而折射角是折射率的一阶导数沿射线路径上的积分。其测量精度和分辨率要优于阴影法，弱于干涉层析技术，莫尔层析成像技术以其非接触测量、抗干扰能力强、测量范围广等优点，成为定量测量流场三维物理参数的有力工具[3-8]。已广泛应用于火焰场诊断[3，4，8，9]，超声速风洞流场诊断[5]和等离子体场诊断[6，7，10]等领域。现有的光学层析技术是基于二维Randon变换的“切片式”层析方法将流体场切分多个平行的二维切片，对每一个单独的二维切片进行重建，然后将他们的二维重建结果堆积起来，形成一个三维的场，这实际上算作一种伪三维重建。在重建过程中忽略了切片与切片中的相互影响，将探测射线限制在二维平面中传播，与实际的传播不符合，这就会影响重建的精度。
在层析投影中,通过多方向投影重建物理参数,多种研究方法已被研究用于从莫尔条纹图中提取投影信息,包括条纹检测方法、傅里叶变换法和相移法。在条纹探测方法中，只能获得条纹骨架信息，其他点的信息必须插值获得。因此,边缘检测方法不适用于精确地测量流场。相反,傅立叶变换方法具有高的测量精度,但是处理频域中的条纹图案,这需要相当大的计算时间。由于空间相移方法只在提取相位信息的边缘模式中采用简单的算术运算，它被认为是一种简便的相位提取方法。相移法包括时间和空间相移。时间相移的连续记录相移干涉图。因此，它只能测量稳定的流场。相反，空间相移法可以同时获得多幅相移干涉图。因此，这种方法可以用来测量快速变化的流场[13,14]。SMYthe和Moore[15]首先提出了空间相移系统，它测量了表面面型并通过偏振技术处理光学数据。空间相移可以由线和正交光栅产生[16-17]。Kujawinska等人[18]采用了线光栅将探测光分成三个光束；然后应用偏振光学器件以获得合适的相移干涉图。Kwon[12]首先利用了线性光栅的衍射现象产生不同的衍射级,从而产生期望的相移。光栅可用于产生投影信息或者在两个正交方向上对探测光进行分束。Quiroga[11]利用正交光栅在两个方向上产生投影信息，并通过傅里叶变换提取相位信息。Toto-Arellano等[19]为了产生多个模式，在4f系统的光谱中放置一个正交光栅，并利用偏振条件产生相移。因此，采用空间相移法从相移模式中提取相位分布。我们发现双线光栅干涉仪具有空间相移特性[20]。考虑到空间相移的方法需要至少三或四个不同的莫尔相移图来提取相位信息，常见的是采用三个线光栅产生四个空间相移模式来测量火焰领域[21]。
典型的莫尔偏折装置是采用G1和G2为互相有微小夹角的Ronchi线光栅[22]，以激光为光源的条件下，需要考虑相干光通过光栅时的衍射效应，光栅G2应该放置在G1的自成像位置。双直线光栅电路已经被广泛应用于时间相移图像的产生，其原理是固定其中一片光栅，将另一片光栅沿光轴方向移动。在观测平面上可以获得一系列的时间相移图像。该方法是传统的二维“切片式”层析方法，需要通过4f系统来获取所需要的频谱，相对比较复杂，要实现三维场的重建，就必须采用以下三种方式来获得多个方向的投影数据：旋转被测对象、多方向投影采集装置和旋转扫描装置。因此不适合进行多方向的光学体层析。需要一种既保证光路简单，又能同时获得多幅相移图像的莫尔体层析空间相移光路。
所以我们使用正交光栅代替直线光栅，建立双正交光栅莫尔体层析系统，采用空间相移的方法来提取图像的相位信息。
参考文献
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