Phase shift extracted from interferograms in Mach-Zehnder interferometry based on IDEA
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摘要:
结合Mach−Zehnder干涉技术得到干涉条纹图，详细介绍如何运用干涉数据评估算法(IDEA)软件实现掩膜、二维快速傅里叶变换和相位去包裹等过程，从而获得干涉条纹图对应的相移分布图. 结果表明，基于IDEA软件的干涉图的相移获取只需通过简单的菜单命令即可完成，并可以有效降低噪声、阴影对测量结果的影响. 因此，使用IDEA软件实现干涉图的相位获取对光学干涉测量研究领域具有一定的意义.
Abstract:Using the interferograms obtained by Mach-Zehnder interferometry, it was introduced how to use Interferometrical data evaluation algorithms (IDEA) software to realize processes of Mask, 2D Fast Fourier Transformation and Phase Unwrapping, thus phase shift distribution diagrams corresponding from the interferograms were obtained. The results show that the phase shift of the interferograms can be extracted by simple menu commands in IDEA. Meanwhile the optical noise and shadows in the interferograms can be effectively reduced. Therefore, the phase extraction based on IDEA has certain significance in the application of optical interferometry.
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生活热水能耗在建筑总能耗中是不可忽视的一部分[1]. 目前，太阳能热水系统的甄选通常以满足用户的用热需求为出发点，甚少考虑热水系统的经济性和节能性. 针对市场上种类繁多的太阳能热水系统，国内外众多学者提出很多评价方法并进行对比研究. 陈志光等[2]利用运行费用对比研究燃气热水器和燃气与太阳能集合形式的热水器的经济性. 纪格文[3]运用经济学原理，引用投资收益率对比分析U型太阳能供热系统和传统燃气锅炉供热系统的经济效益. 王璋元等[4]从节能效益出发对新型环路热管太阳能热水系统和传统太阳能热水系统进行对比分析. 黄海耀[5]从环境效益出发，对比研究太阳能热水器和燃气锅炉的环境效益. Li等[6]基于物联网分析太阳能热水系统的能效性. Shafieian等[7]根据节能、太阳能有用焓量、避免CO2排放、节约资金、回收期等参数对热管太阳能热水系统的年性能进行评价. Artur等[8]从能源需求、成本和CO2排放以及对电网的影响等方面对太阳能热水系统进行研究. 刘彦佐等[9]根据日常检测经验对家用太阳能热水系统的性能进行研究. 刘倩等[10]介绍了不同形式太阳能热水工程热性能快速检测的方法及可行性. 殷威强等[11]将太阳能热水系统与燃气热水器串联使用并对系统进行研究，结果表明燃气热水器作为太阳能热水系统的辅助加热设备比电辅助加热热水器具有更高的能源效率. Krarouch等[12]采用一次节能等指标，结合生命周期成本法对摩洛哥地区太阳能加热系统与低排放生物质锅炉联合使用进行研究，结果表明生物质锅炉与太阳能加热系统联合使用具有经济可行性. 本文以上海典型一家三口家庭为实例，引入热水单价，基于TRNSYS软件对比分析电和燃气作为辅助能源的太阳能热水系统的经济性，为用户选择合适的太阳能热水系统提供一定的参考意见.
1. 系统介绍和成本构成
太阳能热水系统是由太阳能集热器、辅助能源设备、混水阀、水泵、集热水箱及管路配件等构成[13]. 系统原理图如图1所示.
当太阳辐照量不足即太阳能集热器出口温度无法满足用户热需求时，辅助能源设备运行将水温加热至需求温度. 而当太阳辐照量充足时，辅助能源设备停止运行，由太阳能集热器出口水直接供给用户使用. 系统在运行时，除却用水费用和水泵或集中加热消耗能源造成的费用，同时还有运行管理和维修保养的成本和设备的折旧费用. 太阳能热水系统成本费的构成见表1[14].
表 1 系统成本费构成Table 1. Composition of system cost成本构成 费用/元 固定成本 初投资Co 维修保养费Cr 设备折旧费Cz 变动成本 运行费用（水费、电费、辅助能源费）Ce 2. 理论计算模型及计算流程
2.1 理论计算模型
太阳能集热器是利用太阳能加热的一种换热器，它吸收的能量等于蓄热水箱中水吸收的热量与系统热损失量的总和，能量平衡方程式[15]为
Qa=Qu+Ql (1) 式中：
Qa 为太阳能集热板吸收到的日平均太阳能辐射能量，kJ；Qu 为蓄热水箱中水吸收的热量，即集热器获得的日平均有用热量，kJ；Ql 为太阳能热水系统的日平均总热损失，kJ. 其中Qa=AcIc(τα)H1000 (2) Qu=˙mcρ(tout−t1)f (3) 式中：
Ac 为太阳能集热器总面积，m2；Ic 为单位时间内投射到太阳能集热器吸热板上单位面积的太阳能辐射总量，W/m2；τα为太阳直射辐射和漫反射的有效透光率与吸收率的乘积，量纲为1；H为平均日照时间，s；˙m 为日平均热水量，L；c 为水的定压比热容，kJ/(kg·℃)；ρ 为水的密度，kg/L；tout 为集热器出口温度，℃；t1 为集热器进水温度，℃；f 为太阳能保证率. 其中Ac=mcρ(td−t1)JTηcd(1−ηl) (4) 式中：
td 为集热器出口设计温度，取50 ℃；JT 为年平均日太阳辐照量，kJ/m2；ηcd 为太阳能集热器集热效率；ηl 为系统热损失率.燃气耗量的计算公式为
Gr=QηrRr (5) 式中：
Gr 为燃气消耗量，m3；Q 为燃气壁挂炉提供的热量，kJ；ηr 为燃气壁挂炉效率；Rr 为燃气热值，取35 588 kJ/m3. 其中，Q=mcρ(tend−tout) .耗电量的计算公式为
Ge=QηeRe (6) 式中：
Ge 为耗电量，kW·h；Q 为电加热提供的热量，kJ；ηe 为电加热效率；Re 为电的热值，取3600 kJ/(kW·h).2.2 计算流程
太阳能集热器出口温度决定了辅助能源设备的运行与否，关系着整个系统运行费用的计算. 热媒在输配过程中热量损失占比较小且受环境、运行工况等多方面因素的影响，为便于理论分析，对模型做出以下假设：1）忽略系统管路热损失，即假定集热器热水出口温度等于蓄热水箱的进水温度；2）蓄热水箱内部水温处处相同；3）蓄热水箱外壁与外界绝热. 理论计算流程图如图2所示. 输入气象参数，根据TRNSYS模拟出的集热器日平均出口温度，判定其出口温度是否满足37 ℃，若温度 > 37 ℃，则无需辅助能源加热；若温度 < 37 ℃，则需要辅助能源加热. 其中，mode1为无需辅助能源加热模式；mode2为需要辅助能源加热模式.
3. 计算条件及计算结果
本文以上海市典型一家三口家庭为实例，对太阳能热水系统全年运行情况进行计算. 设计用水人数为3人，即满足标准全家人的生活热水需求，且热水当天全部放光. 根据国家标准GB 50364—2005《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》[16]取日平均用水定额为60 L/(人·d)，平均日热水量为180 L，洗浴用热水温度为37～42 ℃. 结合目前市场太阳能集热器规格，取太阳能集热效率为48%，热损失率为0.2，查阅中国建筑热环境数据集可知[17]，上海地区年平均日太阳辐照量为12 300 kJ/m2，太阳能保证率为40%～45%，此处计算取42%，太阳能集热器设计温度为50 ℃，计算可得集热总面积为2.68 m2.
3.1 变动成本计算
3.1.1 太阳能热水器出口温度
利用TRNSYS瞬态模拟软件，对上海地区太阳能集热器全年运行工况进行模拟，基于图1系统图搭建TRNSYS系统，系统模拟图如图3所示，主要运用的模块见表2. 考虑到集热器制造工艺问题，模拟时集热器面积采用可行性的3 m2，而不是理论计算2.68 m2.
表 2 主要模块及输入/输出参数Table 2. Main modules and main input / output parameters模块 模块名称 输入/输出参数 
气象参数读取 输出：环境温度、
太阳辐照量等
平板太阳能集热器 输入：集热面积 3 m2、
进口温度 15 ℃
输出：集热器出口
温度、有用能
水箱 输入：水箱体积 0.22 m3、水箱冷侧温度 15 ℃、流量 
水泵 输入：进口温度、流量、
控制信号
开关控制器 — 
水量 输入：日用水量 设置模拟开始时间为0，结束时间为8 760 h，时间步长为1 h. 输出太阳能集热器日平均出口温度，结果如图4所示.
由如图4可知，由于受气候地理位置等诸多因素的影响，上海地区即使在炎热的夏季，太阳能集热器也不能全都满足用热需求，即集热器出口温度在夏季不能全部达到用热水温度37～42 ℃. 但冬季太阳能集热器出口温度在一定期间内能达到20～40 ℃，具有一定的可利用率. 在当前设置用热水温度下，上海地区太阳能热水系统运行mode1的天数为67 d，即有67 d是无需辅助能源加热，其余298 d则需要辅助能源加热.
3.1.2 变动成本计算
根据上海市物价局资料可得，太阳能热水系统采用电、燃气作为辅助能源的初投资额分别为6000元、9000元. 电加热效率为95%，电的热值为3600 kJ/（kW·h）. 而燃气的热值为35588 kJ/m3，燃气壁挂炉的效率为90%. 基于TRNSYS对太阳能热水系统的模拟输出结果，计算出用电和燃气作为辅助能源的耗量，结果如图5和图6所示.
图 5 太阳能热水系统电辅助耗量Figure 5. Electrical auxiliary consumption of solar hot water combination system
图 6 太阳能热水系统燃气辅助耗量Figure 6. Supplementary gas consumption of solar hot water combination system若全年运行用燃气辅助，所需燃气耗量为73.19 m3；若全年运行用电辅助，则耗电量为685.46 kW·h. 若全年采用燃气热水器提供所需生活热水，耗量为189.08 m3；若全年采用电热水器提供生活热水，则耗量为1770.83 kW·h.
上海市2020年电价为0.617元/ kW·h，燃气价格为3元/m3. 上海市水费的单价（供水费和污水处理费的总和）为4.3元/m3.
电费主要由太阳能系统循环水泵和集热泵产生，集热循环泵和冷水水泵的功率分别为200 W、750 W，每日运行时间按4 h计算[14]. 水费则由用户的用水量产生. 同时当用户的用水量和电、燃气的单价发生变化时，辅助能源产生的能源费则相应发生变化. 以上3类属于变动成本，不同辅助能源的太阳能组合系统变动成本的计算结果见表3.
表 3 不同辅助能源系统变动成本Table 3. Variable costs of different auxiliary energy systems项目 燃气 电 水费/元 282.51 282.51 电费/元 855.78 855.78 辅助能源费用/元 219.57 422.93 变动成本总价/元 1 357.86 1 561.22 3.2 固定成本计算
初投资额、维修保养费以及设备折旧费，隶属固定成本. 根据《企业会计准则应用指南》[18]维修保养费用一般占设备总值比列为2%～3%，此处取3%. 以电加热作为辅助能源的太阳能热水系统初投资为6000元；太阳能加燃气壁挂炉辅助加热的热水组合系统固定投资为9000元. 设备折旧费用是根据固定资产在整个使用寿命中的磨损状态而确定的成本分析结构. 根据《企业所得税法实施条例》规定，家用电器设备折旧年限为3年，取残值率为5%. 据此计算出几种典型的太阳能热水系统固定成本的总价，见表4.
表 4 不同辅助能源系统固定成本Table 4. Fixed costs of different auxiliary energy systems项目 燃气 电 初投资额/元 9 000 6 000 维修保养费/元 270 180 设备年折旧费/元 2 850 1 900 固定成本总价/元 12 120 8 080 4. 系统经济性评估与对比
太阳能热水组合的经济性可以用热水单价（单位发热量的价值）来评估，热水单价
C (单位：元/吨)为C=(Co+Cr+Cz+Ce)˙m/1000 不同辅助能源的热水单价见表5. 由表5可知，不同辅助能源类型，太阳能热水系统的热水单价各不相同. 对比电和燃气作为辅助能源的太阳能热水系统可知，电辅助太阳能热水系统的热水单价低于燃气辅助.
表 5 不同辅助能源的热水单价Table 5. Unit price of hot water for different auxiliary energy sources参数 燃气辅助太阳能热水系统 电辅助太阳能热水系统 热水单价/（元·吨−1） 205.14 146.75 5. 结 语
本文以上海典型一家三口家庭为例，基于TRNSYS瞬态模拟太阳能热水系统全年运行工况，对比以电和燃气分别作为辅助能源的太阳能热水系统全年热水单价，在满足37～42 ℃用热需求的条件下，得出以下结论：对比电加热和燃气两种不同形式的辅助热源的太阳能热水系统，全年热水单价费用最少的是电加热，其热水单价为146.75元/吨. 相对燃气辅助的太阳能热水系统，热水单价减少40%.
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图 1 试验中获得干涉条纹及干涉条纹预处理
Figure 1. Interferograms obtained in experiments and preprocessed interferograms
图 3 IDEA软件对干涉图各个阶段处理结果
Figure 3. Interferogram processing results by using IDEA software
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[1] TAKEDA M, INA H, KOBAYASHI S. Fourier-transform method of fringe-pattern analysis for computer-based topography and interferometry[J] . Optical Society of America,1982,72(1):156 − 160. doi: 10.1364/JOSA.72.000156 [2] MACY W W. Two-dimensional fringe pattern analysis[J] . Applied Optics,1983,22(23):3898 − 3982. doi: 10.1364/AO.22.003898 [3] BONE D J, BACHOR H A, SANDEMAN R J. Fringe-pattern analysis using a 2-D Fourier transform[J] . Applied Optics,1986,25(10):1653 − 1660. doi: 10.1364/AO.25.001653 [4] 王雨雷, 吕志伟, 王岩, 等. 一种基于傅里叶变换的分析载波条纹的新方法[J] . 光学学报,2006,26(8):1167 − 1171. doi: 10.3321/j.issn:0253-2239.2006.08.010 [5] FUNNELL W. Image processing applied to the interactive analysis of interferometric fringes[J] . Applied Optics,1981,20(18):3245 − 3250. doi: 10.1364/AO.20.003245 [6] 杨利红, 施浣芳, 陈智利, 等. 基于 CCD 采集的 Math-Zehnder 干涉条纹图的处理算法[J] . 应用光学,2005,26(2):40 − 42. doi: 10.3969/j.issn.1002-2082.2005.02.012 [7] 郑峰, 张宏超, 陆建, 等. 激光等离子体干涉条纹的图像处理方法研究[J] . 南京理工大学学报(自然科学版),2009,33(5):668 − 671. [8] 尹志武, 程维明, 陈明仪. 条纹图的图像处理方法[J] . 光学精密工程,1999,7(1):51 − 58. doi: 10.3321/j.issn:1004-924X.1999.01.008 [9] HIPP M, WOISETSCHLÄGER J, REITERER P, et al. Digital evaluation of interferograms[J] . Measurement,2004,36(1):53 − 66. doi: 10.1016/j.measurement.2004.04.003 [10] HIPP M, REITERER P. User manual for IDEA 1.7[J] . Institut für Experimental Physik Technische Universitä t Graz,2003:1 − 129. [11] GREGORY C D, LOUPIAS B, WAUGH J, et. al. Astrophysical jet experiments[J] . Plasma Physics Controlled Fusion,2008,50:124039 − 124045. doi: 10.1088/0741-3335/50/12/124039 [12] GUPTA K C, JHA N, DEB P, et al. Determining the mean size and density of clusters, formed in supersonic jets, by Rayleigh scattering and Mach-Zehnder interferometer[J] . Journal of Applied Physics,2015,118(11):114308 − 114317. doi: 10.1063/1.4931374 [13] GOURDAIN P-A, SEYLER C E. Impact of the hall effect on high-energy-density plasma jets[J] . Physical Review Letters,2013,110(1):015002 − 015006. doi: 10.1103/PhysRevLett.110.015002 [14] WANG Q, WEI W F, LI X W, et al. Experimental study of the laser-triggered discharge for the application in a gap switch[J] . IEEE Transactions on components, Packaging and Manufacturing Technology,2015,5(4):460 − 464. doi: 10.1109/TCPMT.2015.2415801 [15] 张凯, 仲佳勇, 裴晓星, 等. 激光驱动磁重联过程中的喷流演化和电子能谱测量[J] . 物理学报,2015,64(16):165201. doi: 10.7498/aps.64.165201 [16] 吴坚, 李兴文, 李阳, 等. 快前沿电流产生气化铝单丝Z箍缩负载的研究[J] . 物理学报,2014,63(12):125206. doi: 10.7498/aps.63.125206 [17] 彭国, 李伟明, 黄扬, 等. 一种改进的最小二乘解包裹算法[J]. 激光与光电子学进展, 2020, 57(18): 181101. [18] GUO Y, CHEN X T, ZHANG T. Robust phase unwrapping algorithm based on least squares[J] . Optics and Lasers in Engineering,2014,63:25 − 29. [19] RIVER M, HERNANDEZ-LOPEZ F J, GONZALEZ A. Phase unwrapping by accumulation of residual maps[J] . Optics and Lasers in Engineering,2015(64):51 − 58. [20] DE SOUZA J C, OLIVEIRA M, DOS SANTOS P. Branch-cut algorithm for optical phase unwrapping[J] . Optics Letters,2015,40(15):3456 − 3459. doi: 10.1364/OL.40.003456 期刊类型引用(2)
1. 杨启安，孙路. 基于TRNSYS探讨合肥地区太阳能热水系统的经济性. 工程与建设. 2024(01): 35-37+62 . 
百度学术2. 张亦罗，汪若凡，杨谋存，陈明，郭铭昊，朱跃钊. 紧凑型槽式太阳能集热器与建筑用能匹配特性分析. 南京工业大学学报(自然科学版). 2024(05): 567-575 . 百度学术其他类型引用(1)
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