光电测量数据可视化理论及应用技术研究

论文摘要

随着现代光电测量技术和计算机技术的飞速发展,光电测量在科学、军事、工业等领域里正在起到越来越重要的作用。特别是随着从计算机图形学当中发展起来的科学可视化技术的逐渐成熟,对光电测量数据进行可视化处理已经成为科学研究的重要依据和手段,而实际应用中越来越大的数据场规模反过来也对可视化技术提出了更高的软硬件需求。本论文详细介绍了光电测量系统中光电探测器的主要技术指标,并对低噪声前置放大器及其频率特性和噪声进行了深入分析;叙述了用于微弱信号检测的锁相放大器的原理以及模拟锁相放大器的设计方法;并且对数字信号处理技术应用于光电测量进行了讨论,着重探讨了非递归型数字滤波方法和递归型数字滤波方法。本论文阐述了基于表面绘制的三维可视化技术,介绍了表面绘制方法中的经典算法——移动立方体（Marching Cubes,MC）算法的原理及实现方法,并分析了其可能存在的二义性问题及其解决方案;同时详细叙述了与硬件、操作系统无关的2D/3D图形库——OpenGL的技术细节,并讨论了基于OpenGL的可视化表面绘制显示方法,包括模型渲染、坐标变换等;提出了一种基于Loop细分网格的几何压缩算法实现3D模型的几何数据压缩,用于降低3D模型数据存储、传输的磁盘容量和网络带宽需求。在深入研究轴系不对中偏差的测量和校准原理后,本论文将激光测量技术和可视化技术相结合,提出了一种新的高精度的激光回转式轴系校准测量方法,并详细描述了激光回转式轴系校准仪样机的的软硬件设计方案和实现。本论文设计了一种具有独特的双PSD结构的接收器,不仅解决了LD激光光束与PSD接收器的对中问题,还提高了系统的测量精度;运用四点测量法计算轴系不对中偏差量和机器支脚的调整量;并对系统测试的实验结果和系统误差进行了分析,验证了测量方法的正确性并且给出了仪器的分辨率、测量不确定度和精度等特性。本论文在研究了光电测量和数据可视化技术的基础上,探讨了一种基于Mirau相移干涉法对微透镜阵列的面形测量方法,使用He-Ne激光器作为光源,由Mirau干涉物镜和其他光学元件组成干涉成像系统,压电陶瓷执行器作为相移器,通过5步相移法计算待测表面形貌。针对微透镜阵列的面形特点,根据Mirau干涉显微镜的测量视场将微透镜阵列划分为若干微小区域,然后辅以精密平移机构进行若干次5步相移法测量局部面形,再利用相位重建所得的数据进行拼接和3D轮廓重建,最终得到整个微透镜阵列的精确的微表面形貌。本论文提出了一种基于伪彩色处理图像增强技术的激光光束斑质量评价的可视化技术方法。针对人眼对彩色的分辨能力远远高于对黑白灰度的分辨能力的特点,利用伪彩色处理将灰度级的黑白图像转化为彩色图像表示,便可以提高对图像细节的辨别力,从而直观清晰地表现出光斑能量的分布信息。本论文在研究伪彩色变换的基本原理和伪彩色的颜色编码方法的基础上,研制了一套基于伪彩色处理的激光光斑质量评价系统。采用CCD作为光探测器,将被测激光束照射在CCD上产生的电子图像信号经图像采集卡后转换成数字图像,然后通过计算机上的基于伪彩色技术的激光光斑分析软件显示激光束横截面光强的二维、三维分布图和光强沿x轴和y轴的一维光强分布曲线等特性参数,在激光光束质量评价中具有重要的实用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 研究背景和目的
• 1.2 光电测量技术概述
• 1.2.1 光电测量技术的概念
• 1.2.2 光电测量技术的发展
• 1.3 数据可视化技术概述
• 1.3.1 数据可视化技术的概念
• 1.3.2 数据可视化的研究对象
• 1.3.3 数据可视化的步骤
• 1.3.4 可视化技术的研究现状及进展
• 1.4 论文主要研究内容及内容安排
• 参考文献
• 2 光电探测系统的关键技术
• 2.1 光电探测系统构成
• 2.2 光电探测器及其前置放大设计
• 2.2.1 PSD的主要技术指标
• 2.2.2 CCD的主要技术指标
• 2.2.3 电流输出型光电探测器前置放大器设计
• 2.3 锁相放大器（LOCK-IN AMPLIFIER）
• 2.3.1 锁相放大器的基本原理
• 2.3.2 锁相放大器的设计
• 2.4 数字滤波器（DIGITAL FILTER）
• 2.4.1 非递归型数字滤波方法
• 2.4.2 递归型数字滤波方法
• 参考文献
• 3 表面重建绘制方法和三维几何压缩算法
• 3.1 MC表面重建算法
• 3.1.1 MC算法原理
• 3.1.2 等值面连接方式上的二义性
• 3.1.3 MC算法的实现
• 3.2 基于OpenGL的表面绘制显示方法
• 3.2.1 OpenGL概述
• 3.2.2 OpenGL工作流程
• 3.2.3 OpenGL图形绘制步骤
• 3.2.4 OpenGL运行方式
• 3.2.5 Windows下的OenGL体系结构
• 3.2.6 OpenGL的曲线绘制方法
• 3.2.7 OpenGL中的坐标变换
• 3.3 三维几何压缩算法
• 3.3.1 几何压缩概述
• 3.3.2 细分方法
• 3.3.3 基于Loop细分网格的几何压缩算法
• 参考文献
• 4 可视化技术应用于回转式轴系校准仪
• 4.1 回转式轴系校准仪工作原理
• 4.1.1 轴系不对中偏差
• 4.1.2 轴系不对中编差的测量方法
• 4.1.3 PSD位置检测原理
• 4.2 回转式轴系校准仪系统设计
• 4.2.1 系统硬件设计
• 4.2.2 系统软件设计
• 4.3 系统测试和误差分析
• 4.3.1 系统分辨率和测量不确定度
• 4.3.2 系统精度测试
• 4.3.3 误差分析
• 参考文献
• 5 可视化技术应用于微透镜阵列面形测量
• 5.1 MIRAU显微干涉仪
• 5.2 相移干涉检测原理
• 5.2.1 干涉原理
• 5.2.2 定量相移分析法
• 5.2.3 相位模糊度（Phase Ambiguity）的消除
• 5.2.4 相移量的设置
• 5.3 系统实现
• 5.3.1 系统架构
• 5.3.2 光学系统
• 5.3.3 PZT相移系统
• 5.3.4 图像采集系统
• 5.3.5 平移扫描拼接系统
• 5.3.6 系统测试分析
• 参考文献
• 6 可视化技术应用于激光光斑质量评价
• 6.1 激光束的能量分布特征
• 6.2 伪彩色处理
• 6.2.1 灰度级—彩色变换的基本原理
• 6.2.2 伪彩色的颜色编码方法
• 6.3 伪彩色增强技术用于激光光斑能量分布测试
• 6.3.1 激光光斑能量分布测试系统
• 6.3.2 二维伪彩处理
• 6.3.3 三维伪彩处理
• 参考文献
• 7 总结
• 7.1 论文工作总结
• 7.1.1 论文主要成果
• 7.1.2 论文主要创新点
• 7.2 未来工作展望
• 攻读博士学位期间发表论文目录
• 攻读博士学位期间所参与的科研项目及获奖情况
• 致谢