数字全息观测溶液浓度的实时系统研究

论文摘要

溶液的浓度是直接或间接反映与其相关的物理或化学变化的重要参数,为观察、分析、控制这些物理或化学的变化提供途径和手段。目前,溶液浓度的检测在生物、化学、材料、医学等领域中成为越来越受关注的研究课题。比如生物体内的溶液浓度变化可以反映生物体自身性质和状态的变化,参考生物体内溶液浓度变化可以观察、分析和了解生物体的性状;医学中,通过对人体内溶液浓度的检测,可以分析身体状况,判断病变,进行诊疗;在啤酒工业生产过程中,啤酒的浓度是重要参数之一,在线检测对提高产品质量、提高劳动生产率以及降低消耗有实际意义;电化学中,通过检测电极反应过程中溶液的离子浓度,可以判断电极反应所处的阶段,分析电极反应机理。本文在深入分析和总结了前人利用全息干涉技术对电极过程中溶液的浓度进行测量的基础上,提出了一种直接针对全息干涉视频进行处理的方法,解决了以往只能针对干涉图像进行离散处理,耗时耗力的问题;并将溶液浓度的动态变化以物光相位差的动态视频形式直观的显示出来,方便了对溶液变化的连续观察和对电极反应机理的分析。实现视频处理的过程中,首先针对傅立叶分析中的自适应滤波问题提出基于灰度直方图和形态学滤波的截止频率获取方法,通过图像处理的方式对有用信号进行识别定位从而确定截止频率,避免了繁杂的数学计算;然后在SIMULINK平台上配合MATLAB强大的数学计算利图形显示功能,搭建了视频处理系统,实现了对全息干涉视频的处理和对溶液浓度动态变化的动态直观显示。本文还针对傅立叶分析中滤波模板的选择以及自适应滤波环节从计算机视觉角度出发依靠图像处理方式确定截止频率时会引入一定误差的问题,分析了理想的矩形滤波模板因“截断”产生的振铃效应,提出使用没有振铃效应的高斯函数在截止频率处进行平滑来消除振铃,同时,对截止频率附近的“模糊频带”进行了加权滤波来降低误差带来的噪声影响。另外,本文还对电极(固相)和溶液(液相)界面的识别和定位进行了探讨。在总结了各种边缘检测算法的基础上,分析了小波变换的多尺度特性,提出了一种基于小波变换的多尺度边缘检测算法,实现了对固/液边界的大致定位,效果良好。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 检测浓度变化的意义
• 1.2 全息干涉技术用于测量溶液浓度变化的研究进展与现状
• 1.3 本文的创新和内容安排
• 1.4 本章小结
• 第二章 全息干涉测量原理
• 2.1 数字全息技术简介
• 2.2 干涉理论和干涉仪
• 2.3 数字全息图记录与再现的数学描述
• 2.4 载波干涉记录和傅立叶分析法
• 2.4.1 全息术测量电化学反应中溶液浓度的实验装置和原理
• 2.4.2 载波干涉记录的数学描述
• 2.4.3 傅立叶分析法获取相位差
• 2.5 本章小结
• 第三章 频率域的带通滤波
• 3.1 自适应带通滤波
• 3.1.1 基于灰度直方图的自适应滤波方法
• 3.1.2 基于灰度直方图和形态学滤波的自适应滤波方法
• 3.2 滤波窗的选择
• 3.2.1 理想滤波的振铃效应
• 3.2.2 高斯窗平滑
• 3.2 本章小结
• 第四章 固液边界定位的探讨
• 4.1 定位固液边界的意义
• 4.2 边缘检测的方法
• 4.3 多尺度小波分析
• 4.4 多尺度方法检测固液边界的实验结果与分析
• 第五章 连续视频处理与结果分析
• 5.1 SIMULINK简介
• 5.2 建立模型的步骤
• 5.3 实验结果分析
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文的研究工作和不足
• 6.2 研究方向展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文
• 学位论文评阅及答辩情况表