基于DSP的光学相干层析系统研究及应用

论文摘要

论文是以国家自然科学基金项目“多层结构蠕变和微裂纹扩展行为的无损检测和定量评价”以及福建省杰出青年基金项目“基于光学相干层析和太赫兹成像的飞机复合材料的无损检测和定量评价”为依托,开展对光学相干层析系统及其应用的研究。光学相干层析（Optical Coherence Tomograpy,简称OCT）是一种新的高分辨率断层成像技术,它利用弱相干光干涉仪的基本原理,可以检测材料不同深度层面对入射弱相干光的散射信号而得到材料的内部特征信息,具有非破坏性、非接触、分辨率高等优点。光学相干层析成像技术最初应用在生物医学领域,比如眼科和心血管成像等,近年来逐渐发展到非医学的无损检测领域。目前频域OCT系统一般是利用从光谱仪获得相干光谱信号后,再将此信号传送至电脑进行后续信号/图像处理得到最后的OCT图像,所以光谱信号采集和传输的速度直接影响到OCT的成像速度。为此,论文采用高速数字信号处理器（DSP）自研制光谱仪并将之应用于频域OCT系统。在分析切尼-特纳（Czerny Turner）系统的光路结构的基础上,论文推导两个关于凹面反射镜成像规律的函数：点光源射在准直凹面反射镜和平行光射在聚焦凹面反射镜的成像规律。以这两个推导的函数论文分别设计了光谱仪光路的准直、色散和成像部分。由这三个部分组成一个基于反射式衍射光栅的切尼-特纳结构的光谱仪光路结构,并用光学仿真软件Zemax仿真,为切尼-特纳光谱仪的设计提供了必要的理论基础。在此Czerny-Turner的光路结构基础上,以TMS320VC5509的DSP作为核心控制器、SONY ILX511的CCD图像传感器作为检测器、CCD专用的AD80066作为AD转换器设计了基于DSP的光谱仪。其上位机系统软件用Visual C++编制,负责对硬件系统的控制、通讯和数据采集,数据通过高速USB 2.0传输协议传输到PC机上。通过光谱采集实验比对分析,结果表明自研制的光谱仪与商业化的HR2000光谱仪具有较好的吻合度,从而验证了自研制的光谱仪的可行性。自研制的光谱仪还被运用到实际的频域光学相干层析系统,实验结果表明系统已经具备对较薄薄膜进行结构分析的能力。针对玻璃纤维复合材料高精度检测的需求,自搭建并优化频域OCT系统,实现了对玻璃纤维复合材料内部结构的检测。该系统的检测分辨率可达到0.7um,这个分辨率在国内外公开文献报道的最高分辨率之一。自搭建的OCT系统为玻璃纤维复合材料的无损检测提供了一种新的方法并为实际应用提供了实验数据支持,频域OCT在玻璃纤维复合材料的缺陷检测方面具有很广泛的应用前景。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 光学相干层析技术原理及其应用
• 1.1.1 光学相干层析技术简介
• 1.1.2 光学相干层析成像技术的主要特点
• 1.1.3 光学相干层析成像技术的主要应用
• 1.1.4 国内外现有OCT现状
• 1.2 复合材料无损检测技术
• 1.3 本课题的研究意义以及主要工作
• 第二章 OCT基本原理
• 2.1 OCT成像系统的基本原理
• 2.1.1 时域OCT系统
• 2.1.2 频域OCT系统
• 2.2 OCT系统的基本结构
• 2.2.1 干涉仪
• 2.2.2 低相干光源
• 2.2.2.1 光的相干时间与相干长度
• 2.2.2.2 光的干涉原理
• 2.2.2.3 低相干干涉
• 2.2.2.4 OCT系统光源的选择
• 2.2.3 光电探测系统
• 2.2.4 扫描机构
• 2.3 OCT主要性能参数
• 2.3.1 分辨率
• 2.3.2 图像获取时间
• 2.4 本章总结
• 第三章 光谱仪光路设计
• 3.1 光谱仪的总体设计方案
• 3.2 光谱仪光路结构设计
• 3.2.1 光纤
• 3.2.2 准直系统
• 3.2.3 色散系统
• 3.2.4 成像系统和检测系统
• 3.3 光谱仪光路分析
• 3.3.1 方案选择
• 3.3.2 切尼-特纳结构分析
• 3.4 两个凹面反射镜成像规律的推导
• 3.4.1 点光源射在准直凹面反射镜
• 3.4.2 平行光射在聚焦凹面反射镜
• 3.5 准直镜和聚焦镜的选择
• 3.5.1 准直镜的选择
• 3.5.2 聚焦镜的选择
• 3.6 光谱仪光路结构设计
• 3.6.1 准直系统的设计
• 3.6.2 色散系统的设计
• 3.6.3 成像系统的设计
• 3.6.4 CCD的位置
• 3.7 本章小结
• 第四章 光谱采集系统
• 4.1 硬件电路设计
• 4.1.1 TMS320VC5509A简介
• 4.1.2 SDRAM电路设计
• 4.1.3 CCD驱动设计
• 4.1.4 CCD信号调理电路
• 4.1.5 AD转换电路设计
• 4.2 DSP控制器程序设计
• 4.2.1 DSP程序开发环境
• 4.2.2 DSP主程序结构
• 4.2.3 USB接口程序设计
• 4.2.4 系统初始化
• 4.2.5 CCD和AD驱动程序
• 4.3 上位机程序
• 4.3.1 人机界面设计
• 4.3.2 USB驱动程序设计
• 4.3.3 数据传输程序
• 4.4 本章小结
• 第五章 实验及结果分析
• 5.1 光谱仪及实验和数据分析
• 5.1.1 自研制的光谱仪系统搭建
• 5.1.1.1 光路的搭建
• 5.1.1.2 硬件电路的搭建
• 5.1.2 商业化HR2000光谱仪简介
• 5.1.3 白光光谱实验
• 5.1.4 红光光谱实验
• 5.2 OCT系统的搭建及薄膜厚度测试实验
• 5.2.1 频域OCT系统的搭建
• 5.2.2 单层薄膜厚度测量实验
• 5.3 多层薄膜材料的测量实验
• 5.4 玻璃纤维复合材料内部结构检测
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文及参与的科研项目
• 致谢
• 附录A
• 附录B
• 附录C
• 附录D
• 附录E
• 附录F
• 附录G
• 附录H
• 个人简历