激光锁定成像技术在复杂工业环境检测中的应用

论文摘要

当所感兴趣的目标和强背景光或复杂背景处于同一成像系统视场时,目标图像被湮没,使成像系统失去成像能力。一直以来,复杂背景下的目标图像获取是一项技术难题,是图像信号处理相关领域关于强光下微弱图像信号获取和目标图像跟踪与瞄准的主要关键技术。在复杂工业背景环境下,比如强光、高温和强电磁等因素的存在,目标及图像的检测定位都受到了很大的影响,影响了工业生产质量和生产进度。常用的检测系统如机器视觉因背景光线的不断变化而导致目标背景区域的像素点灰度值产生变化而难以检测出背景光线,影响目标的检测。为了不受背景光的影响进行实时的目标检测,我们提出了利用激光锁定成像获取复杂工业背景下的目标图像。激光锁定成像可视为一种超视觉（Super Vision）,能够从不能看见的背景光环境中获取目标图像,是一种新的机器视觉成像技术。与传统的形态学方法、混沌理论等获取微弱目标图像方法相比,激光锁定成像具有不受目标温度对比度影响、识别能力强、成像对比度高,并且对高温、强光要求低等特点,克服传统的被动成像和接触式检测的众多缺点和不足。本文以复杂工业背景下的钢坯表面缺陷的检测为研究背景,首先进行了不同光源、不同背景光的实验论证,并对CCD图像传感器的动态范围扩展做了一定的研究。通过对不同的主动光源照明进行了锁定成像的实验结果分析,验证了锁定成像的背景抑制能力,并模拟表面有裂纹缺陷的钢坯进行了实验研究,实验结果显示激光锁定成像技术能成功提取目标缺陷。本文还完成了激光锁定成像应用到接触网导线磨耗测量、抑制天空太阳背景光的影响的实验室模拟测量实验。文章基于激光主动成像技术建立了光学系统架构,提出锁定成像基本思路（lock-in imaging）。系统结合了光学滤波技术、弱信号检测技术和数字图像信号处理技术。系统采用经调制的激光照明所感兴趣的目标区域,对图像进行同步采集和处理,在CCD图像传感器前利用衰减器和光学滤波的方法以降低进入CCD的强背景光,对锁定成像获取到的图像进行实时同步的图像处理技术,最后经显示部分获取最终的目标图像。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 主动成像技术的发展
• 1.2 激光主动成像国内外研究现状
• 1.3 主要研究内容与论文工作安排
• 1.3.1 主要研究工作
• 1.3.2 论文的结构安排
• 第二章 复杂工业环境下的检测技术
• 2.1 引言
• 2.2 复杂工业环境下的目标检测技术的发展
• 2.2.1 复杂工业背景环境下目标检测的国内外研究现状
• 2.2.2 国内外接触线的研究现状
• 2.3 目前常用的复杂工业环境下的目标检测方法
• 2.3.1 基于机器视觉技术的表面检测技术
• 2.3.2 图像表面分析方法
• 2.3.3 红外热成像无损在线检测方法
• 2.3.4 基于激光照射的表面裂纹在线检测技术
• 2.4 本文在复杂工业环境下的系统应用设计方案
• 2.5 本章小结
• 第三章 激光锁定成像的基本原理及系统组成
• 3.1 引言
• 3.2 激光锁定成像基本原理
• 3.3 激光锁定成像系统组成
• 3.3.1 光学系统
• 3.3.2 板卡控制
• 3.3.3 图像传感器
• 3.3.4 激光器
• 3.4 本章小结
• 第四章 CCD 图像传感器动态范围的改善
• 4.1 引言
• 4.2 CCD/CMOS图像传感器
• 4.2.1 CCD和CMOS结构简介
• 4.3 CCD 动态范围的扩展
• 4.3.1 CCD 动态范围的定义
• 4.3.2 目前常用的CCD 动态范围扩展方法
• 4.3.2.1 利用多次曝光法的图像合成技术
• 4.3.2.2 自适应像素曝光
• 4.3.2.3 单像素多感光单元集成技术
• 4.3.2.4 光学衰减法
• 4.3.3 本文提出的CCD 动态范围扩展方法
• 4.4 本章小结
• 第五章 锁定成像系统的软件设计
• 5.1 引言
• 5.2 软件应用分析
• 5.2.1 软件程序框架
• 5.2.2 软件框架及工作流程设计
• 5.3 系统软件开发工具的选择
• 5.3.1 面向对象框架MFC 简介
• 5.3.2 MFC 的突出特点
• 5.3.3 多线程的应用
• 5.4 软件主要功能及算法实现
• 5.4.1 图像的采集与封装
• 5.4.1.1 图像采集
• 5.4.1.2 图像的封装
• 5.4.2 图像处理相关算法研究
• 5.4.2.1 图像的滤波去噪处理
• 5.4.2.2 图像的灰度变换
• 5.5 小结
• 第六章 激光锁定检测系统实验与分析研究
• 6.1 引言
• 6.2 汽车夜间交会
• 6.2.1 防炫目实验研究
• 6.2.1.1 实验方案
• 6.2.1.2 目标图像获取实验
• 6.2.1.3 实验结果及光源分析
• 6.2.2 LED 灯作光源实验研究
• 6.2.2.1 实验方案
• 6.2.2.2 目标图像获取实验
• 6.2.2.3 实验结果分析
• 6.3 激光锁定成像实验研究及进展
• 6.3.1 激光锁定成像的实验方案
• 6.3.1.1 图像传感器
• 6.3.1.2 激光器
• 6.3.2 检测实验研究及结果分析
• 6.3.3 激光锁定成像技术对接触线的磨耗检测实验
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 本文工作总结
• 7.2 创新点及未来工作展望
• 7.2.1 创新点
• 7.2.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果