基于亚像素的干涉条纹精确定位技术的研究

论文摘要

干涉条纹处理方法作为激光干涉系统的核心,一直以来倍受人们的关注。在激光干涉测量中,测量精度在很大程度上取决于条纹信号处理方法。为达到微米甚至纳米级的测量精度,毫无例外的都需要对干涉条纹信号进行细分,细分的精度决定了测量精度。在条纹细分技术中,计算机软件法,是一种非接触的测量方式,它不需要对器件本身做任何的处理,具有测量快速、费用低、测量精度高等优点。而迈克尔逊干涉仪作为许多现代干涉仪的原型,其结构简单、光路直观、精度高,其调整和使用具有典型性。鉴于此,本文提出了一种基于迈克尔逊干涉仪结构获取干涉条纹的激光干涉图像处理系统。利用编写的图像处理算法软件对干涉条纹进行细分,从而提高测量精度。本文重点阐述了干涉条纹数字图像的预处理、旋滤波、条纹中心线提取、亚像素定位。干涉条纹小数部分的实验表明,本方案中的条纹图像处理算法具有去除噪声能力强,定位精度高的优点。本文的主要工作有以下几点:1.对旋滤波算法进行了改进,先对条纹图进行巴特沃斯低通滤波,然后根据滤波后的图像求条纹方位,在条纹切线方向做均值滤波。2.引入边缘检测算子来提取导数符号二值图的条纹边界,避免了采用领域微分法时需对一些双值点单独考虑的情况,同时避免因人为的干预降低算法的自动化程度。利用边缘检测算法改进导数符号二值图法,使整个提取中心线的过程自动的完成,提高了处理速度。3.用三次样条插值法拟合条纹灰度,对条纹中心线进行亚像素精确定位,并在此基础上提出了一种计算干涉条纹小数部分的方法。此外,本文还分析了该系统的软硬件部分可能会给测量结果带来的一些误差,给出了实际测量结果,并提出了一些提高测量精度的方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 选题的意义
• 1.2 干涉条纹图像的国内外研究现状
• 1.3 本文的主要研究内容和工作
• 第2章 激光干涉图像处理系统的方案设计
• 2.1 干涉条纹图的形成原理及性质
• 2.1.1 光学干涉原理及条纹图的形成
• 2.1.2 干涉条纹图的特性
• 2.1.3 迈克尔逊干涉条纹的特点
• 2.2 方案设计
• 2.2.1 系统的组成框图
• 2.2.2 系统的图像处理流程
• 2.2.3 系统设计的主要内容和实现的功能
• 2.3 本章小结
• 第3章 数字干涉图像预处理分析
• 3.1 图像噪声的分类
• 3.2 图像预处理
• 3.2.1 图像的采集、截取与存储
• 3.2.2 图像噪声的消除与增强
• 3.3 旋滤波算法及其改进
• 3.3.1 旋滤波的基本原理
• 3.3.2 常用的几种旋滤波
• 3.3.3 改进的旋滤波算法
• 3.4 各种滤波方法的效果比较
• 3.5 本章小结
• 第4章 干涉条纹的中心线提取处理
• 4.1 灰度阈值法
• 4.2 自动跟踪光强最小值法
• 4.3 二维导数符号二值图法
• 4.4 本章小结
• 第5章 基于亚像素细分的条纹精确定位方法
• 5.1 亚像素基本原理
• 5.2 亚像素定位的可行性
• 5.2.1 CCD像元空间细分的可行性
• 5.2.2 亚像素算法的选用条件
• 5.3 亚像素细分算法
• 5.3.1 矩方法
• 5.3.2 拟合法
• 5.3.3 多项式插值法
• 5.3.4 样条插值法
• 5.4 本章小结
• 第6章 干涉图像处理系统的实现
• 6.1 干涉图像处理系统的硬件部分
• 6.1.1 光源的选择
• 6.1.2 CCD摄像机的主要参数
• 6.1.3 图像采集卡
• 6.2 干涉图像处理系统的软件设计
• 6.2.1 软件开发平台
• 6.2.2 软件主界面外观及其菜单功能
• 6.2.3 实验过程及结果
• 6.3 条纹小数测量实验
• 6.4 误差分析
• 6.4.1 系统内部的误差因素
• 6.4.2 外部环境导致的误差
• 6.4.3 机械结构的安装误差
• 6.4.4 图像处理软件的误差
• 6.5 本章小结
• 第7章 结论和展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录1 源码
• 附录2 实验设备