湯姆遜散射系統(tǒng)的光路自動(dòng)準(zhǔn)直系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)課件

1、導(dǎo)師：趙君煜學(xué)生：李夢(mèng)婷2011年12月6日EAST湯姆遜散射系統(tǒng)光路自動(dòng)準(zhǔn)直系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)報(bào)告內(nèi)容論文研究目標(biāo)論文研究進(jìn)展情況存在的問(wèn)題及后期改進(jìn)計(jì)劃論文研究目標(biāo)設(shè)計(jì)和搭建準(zhǔn)直系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)研究和實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直系統(tǒng)的軟件功能和相關(guān)算法 1.激光光斑圖像實(shí)時(shí)采集和保存功能 2.光斑圖像預(yù)處理算法 3.光斑圖像中心檢測(cè)算法 4.反饋調(diào)節(jié)二維鏡架控制功能 通過(guò)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在放電過(guò)程中調(diào)節(jié)光路時(shí)，可以通過(guò)CCD進(jìn)行激光光斑圖像實(shí)時(shí)采集和保存顯示，根據(jù)相關(guān)算法計(jì)算光斑數(shù)據(jù)中心的偏移來(lái)達(dá)到實(shí)時(shí)反饋調(diào)整反射鏡的位置的目的。保證激光光路通過(guò)每個(gè)反射鏡的中心位置，完全從EAST下、上窗口中心通過(guò)，達(dá)到準(zhǔn)直光路的

2、目的。在EAST放電實(shí)驗(yàn)中對(duì)光斑數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理和分析。 報(bào)告內(nèi)容論文研究目標(biāo)論文研究進(jìn)展情況存在的問(wèn)題及后期改進(jìn)計(jì)劃激光傳輸光路：準(zhǔn)直系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：LaserLaser Beam7Camera 2TTL PulseXMotor ControllerXMotor ControllerreticleCamera 1CylinderfilterTTL Pulse準(zhǔn)直系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)：光斑圖像采集功能的研究和實(shí)現(xiàn) CCD需記錄下每個(gè)完整激光脈沖圖像。為確保采集到連續(xù)的、完整的脈沖光斑圖像，應(yīng)采用外觸發(fā)的同步控制方式來(lái)控制CCD攝像機(jī)電子快門(mén)的開(kāi)閉，來(lái)獲取激光脈沖的圖像。圖像采集功能流程圖初始化C

3、CD工作參數(shù)設(shè)置等待外部觸發(fā)開(kāi)始采集光斑信息采集時(shí)間信息采集圖像顯示和保存結(jié)束釋放資源1.系統(tǒng)初始化2.開(kāi)始采集數(shù)據(jù)3.保存數(shù)據(jù)并同時(shí)顯示圖像4.雙緩沖方式保存5.釋放資源圖像處理算法的研究和實(shí)現(xiàn) 光斑圖像噪聲分析 由于激光光束傳輸過(guò)程及衰減系統(tǒng)、CCD攝像頭的影響，CCD傳送到計(jì)算機(jī)中的原始激光光斑圖像存在著很多的噪聲，這些噪聲的存在會(huì)影響對(duì)光斑分析的正確性，因而需要對(duì)其進(jìn)行濾波處理，也就是對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理。 外界雜散光噪聲 CCD暗噪聲 CCD光子噪聲 CCD散粒噪聲圖像預(yù)處理采用的濾波去噪算法選擇主要是根據(jù)噪聲的頻率特征。因此以上噪聲據(jù)其頻率特征分為以下2種:(1) 隨機(jī)噪聲：在激光光斑

4、數(shù)據(jù)分析中即為CCD的散粒噪聲。在所有噪聲中，隨機(jī)噪聲所占用的比例最大，而這種噪聲在統(tǒng)計(jì)規(guī)律上服從高斯正態(tài)分布。 其中產(chǎn)，分別是隨機(jī)變量的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。 (2) 加性噪聲 加性噪聲是一種與圖像信號(hào)不相關(guān)的噪聲，在激光光斑圖像中主要 CCD暗噪，假定含有這種噪聲的圖像為g (x ,y)，無(wú)噪聲圖像為f (x ,y) 噪聲為n (x ,y)，則有：預(yù)處理算法設(shè)計(jì) 好的降噪方法應(yīng)該即可以消除圖像中的噪聲同時(shí)又不會(huì)使圖像的有用信號(hào)減弱或去除。因此需根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用結(jié)果進(jìn)行調(diào)試，降噪處理主要有以下幾種方法：均值濾波法，中值濾波法。1）均值濾波 均值濾波法是一種典型的線性平滑濾波?；舅枷胧怯脦讉€(gè)鄰域像素灰

5、度的平均值來(lái)代替每個(gè)像素的灰度值。均值濾波方法可以有效地去除高斯型噪聲；但線性方法在濾除噪聲的同時(shí)也破壞圖像中的快變信號(hào)，如邊界及細(xì)節(jié)等，從而使圖像變得模糊。2）中值濾波 中值濾波是非線性濾波法。在數(shù)字圖像中是把以某點(diǎn)(i,j )為中心的小窗口內(nèi)的所有像素的灰度按從大到小的順序排列, 將中間值替代( i, j )處的原灰度值(若窗口中有偶數(shù)個(gè)像素, 則取兩個(gè)中間值的平均). 窗口在圖象上從左到右, 從上到下移動(dòng), 便可對(duì)圖象進(jìn)行平滑處理。 中值濾波的優(yōu)勢(shì)在于它能夠保護(hù)圖像的邊界信息，而且可以除去圖像中含有的無(wú)用的圖像噪聲。因而光斑圖像的預(yù)處理選擇用中值濾波算法。 中值濾波改進(jìn)算法具體步驟二維情

6、況的中值濾波定義：快速算法的基本思想是先統(tǒng)計(jì)窗口內(nèi)象素的直方圖, 由直方圖求得中值。假設(shè)窗口大小為m*n ，從一個(gè)窗口的中值濾波輸出, 到獲得下一個(gè)窗口的中值濾波的輸出,窗口將移過(guò)一列。新窗口內(nèi)的象素是將原窗口象素刪去最左一列(n個(gè)象素), 再在其右邊加進(jìn)一列(n個(gè)象素), 其余的m*n-2n 個(gè)象素保持不變, 然后再對(duì)原窗口直方圖作修正, 利用直方圖求新窗口的中值。1.首先統(tǒng)計(jì)實(shí)線所圍窗口中25個(gè)象素的直方圖(頻數(shù))如表12.然后在圖象最小灰度級(jí)至最大灰度級(jí)范圍內(nèi)統(tǒng)計(jì)累計(jì)頻數(shù)。 3.當(dāng)累計(jì)頻數(shù)大于13 (即(n*m+1)/2 ) 時(shí), 對(duì)應(yīng)的灰度級(jí)60即為輸出圖象相應(yīng)點(diǎn)的灰度值。然后將窗口右

7、移一列（虛線位置）4.實(shí)際處理時(shí), 先將原窗口最左一列象素值（55，60，62）為下標(biāo)的直方圖單元的頻數(shù)分別減去1、3和1, 再將原窗口中各列依次右移一列, 讀入新窗口最右一列位置的圖象數(shù)據(jù), 增加到窗口數(shù)組的右邊。同時(shí), 以新增加列象素值（61,64 ,65 ,66 ,67）為下標(biāo)的直方圖單元值加15.累計(jì)頻數(shù)大于13(此例為16)對(duì)應(yīng)的灰度值64即為輸出圖象對(duì)應(yīng)點(diǎn)的輸出值。原始光斑和處理后光斑比較經(jīng)過(guò)中值濾波后，剖面的灰度曲線尖峰減少、略為平滑，說(shuō)明隨機(jī)噪聲已經(jīng)得到了較好的抑制。二值化處理: 方法：所有灰度大于或等于閥值的像素被判定為屬于特定物體，其灰度值為255表示，否則這些像素點(diǎn)被排除

8、在物體區(qū)域以外，灰度值為0，表示背景或者例外的物體區(qū)域。有兩種方法進(jìn)行二值化處理：手動(dòng)指定一個(gè)閾值，以此閾值來(lái)進(jìn)行二值化處理。自適應(yīng)閾值處理：經(jīng)過(guò)改進(jìn)的閾值技術(shù)，閾值本身是一個(gè)變量。自適應(yīng)迭代閉值分割法是通過(guò)閾值迭代的方式，自動(dòng)搜尋出比較合適的閾值。迭代法在初始條件中假設(shè)一個(gè)閡值，在對(duì)圖像的迭代運(yùn)算中不斷更新這一假設(shè)閾值，以得到最佳閾值。初始閾值一般取灰度平均值，利用這個(gè)初始的開(kāi)關(guān)函數(shù)把圖像分割成為目標(biāo)和背景兩類(lèi)區(qū)域，然后分別對(duì)其進(jìn)行積分并將結(jié)果取平均以獲取一新閾值。將此新閾值控制開(kāi)關(guān)將圖像分成目標(biāo)和背景，并用作新的開(kāi)關(guān)函數(shù)。如此反復(fù)迭代下去，直到開(kāi)關(guān)函數(shù)不再發(fā)生變化，即迭代已經(jīng)收斂于某個(gè)穩(wěn)定

9、的閾值時(shí)，迭代停止。此刻的閾值即作為最終的結(jié)果并用于圖像的分割。以T0作為初始閾值的估計(jì)，則迭代中閾值的第k次估計(jì)為： 式中L為灰度級(jí)的個(gè)數(shù)，hk為灰度值為k的象素點(diǎn)的個(gè)數(shù)，Tk就是得到的最佳閾值。針對(duì)激光光斑圖像的特點(diǎn)，預(yù)處理流程為：打開(kāi)激光光斑圖像中值濾波自適應(yīng)閾值選擇圖像分割是背景圖像取均值否開(kāi)始（a）（b） 光斑中心檢測(cè)算法的研究和實(shí)現(xiàn)重心法 先對(duì) CCD輸出的每個(gè)離散信號(hào)求出其相對(duì)起始點(diǎn)的面矩 ,將每個(gè)離散信號(hào)的面矩累加起來(lái)。再求出整個(gè) CCD 上所有信號(hào)的積分。前者與后者的商就是要求的光斑信號(hào)的重心位置。 假設(shè)采集圖像的大小為 XY像素，并設(shè) Bi,j代表第 i 行第j列的像素灰度

10、值， 則重心計(jì)算公式為： 0 （光斑） B（i,j）= 1 （背景） 該算法簡(jiǎn)單明了，對(duì)于光斑形狀比較規(guī)則的情況，是一種好的算法。 2.圓擬合法 擬合法是一種基于最小二乘準(zhǔn)則的數(shù)學(xué)方法，通過(guò)對(duì)目標(biāo)的坐標(biāo)或灰度進(jìn)擬合，可以得到目標(biāo)的連續(xù)函數(shù)形式，從而可以確定描述物體的各個(gè)參數(shù)值。 圓的方程為： 在此取殘差為： 式中： ， 表示所有邊界的集合，（xi,yi）表示圖像邊界點(diǎn)的坐標(biāo) 殘差平方和函數(shù)為： （1） 根據(jù)最小二乘原理，應(yīng)有 （2） 將（1）式代入（2）式，簡(jiǎn)化后得到方程組： 解方程組，最后可得出參數(shù)表達(dá)式為 根據(jù)最小二乘原理的圓擬合推斷出的光斑中心檢測(cè)算法雖然形式復(fù)雜，但僅對(duì)邊界點(diǎn)循環(huán)一次就

11、可計(jì)算出各參數(shù)，時(shí)間復(fù)雜度為O ( n ) ，較為復(fù)雜的根方運(yùn)算只是在計(jì)算出中心參數(shù)a,b后求半徑時(shí)計(jì)算一次，因此整個(gè)算法的計(jì)算速度會(huì)很快。 相比較后，我們選擇用圓擬合算法進(jìn)行光斑中心的檢測(cè)計(jì)算二維調(diào)整鏡架控制功能的設(shè)計(jì)和研究伺服電機(jī)：伺服主要靠脈沖來(lái)定位，伺服電機(jī)接收到1個(gè)脈沖，就會(huì)旋轉(zhuǎn)1個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的角度，從而實(shí)現(xiàn)位移，因?yàn)?，伺服電機(jī)本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，都會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)數(shù)量的脈沖，和伺服電機(jī)接受的脈沖形成了呼應(yīng)，或者叫閉環(huán)，這樣，系統(tǒng)就會(huì)知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機(jī)，同時(shí)又收了多少脈沖回來(lái)，這樣，就能夠很精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)精確的定位，可以達(dá)到0.001mm。步進(jìn)電機(jī)的控制為開(kāi)環(huán)控制，啟動(dòng)頻率過(guò)高或負(fù)載過(guò)大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過(guò)高易出現(xiàn)過(guò)沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，選擇交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它的驅(qū)動(dòng)器可直接對(duì)電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會(huì)出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過(guò)沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。反射鏡架控制算法研究 BM1,BM2 為伺服電機(jī)x方向和y方向關(guān)聯(lián)系數(shù)。通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng) BM1 一定脈沖數(shù) n，CCD 測(cè)量光斑圖像中心的 x 軸偏移量(像素)x，即可得 BM1 方向系數(shù) a=x/n。同樣按此方法可標(biāo)定y方向關(guān)聯(lián)系數(shù)b=y/m。 準(zhǔn)直系統(tǒng)的軟件