（信号与信息处理专业论文）低温靶干涉图像的数字图像处理研究.pdf

摘要 摘要 低温靶干涉图像，是使用干涉法表征在线低温靶获得的干涉图像。是i c f 低 温靶研究的重要内容之一。通过不同时刻的低温靶干涉图像，可以提取出低温靶 靶盒内的燃料层分布，作为衡量低温靶质量以及改进制靶工艺的重要数据资料。 在在线低温靶干涉图像的形成过程中，由于维持低温靶极端的温度、压强环 境，不可避免的导致靶盒的振动，从而导致干涉光光路的改变。由这种原因导致 的干涉图像差异称为干涉图像的抖动。这种抖动与常规图像抖动存在本质差异， 不能用常规图像去抖动算法处理。本文改进了原有的传统干涉图像采集实验环境， 并研究了一种方法，借助靶盒空间位置图像，使用图像匹配等算法，获取靶盒在 相同空间位置形成的干涉图像，即无抖动的低温靶干涉图像。 在获取无抖动低温靶干涉图像的基础上，本文针对实验中采集的干涉图像的 特殊性质，研究了一种在空间域通过直方图修正、滤波、二值化、细化等一系列 图像处理算法，最终求取干涉图像中干涉条纹平均间距的算法。在实验过程中使 用该算法，成功的计算出了干涉图像中条纹的间距。 本文还研究了一种利用无抖动的靶盒注入燃料前后的干涉图像，通过在频率 域滤波等图像处理算法，求取两幅干涉图像相位差，最终计算靶盒内燃料分布的 方法。在实验中应用，得到的低温靶靶盒内燃料层分布函数与理论估计值接近。 最后，本文该课题期间的工作进行了总结，并对下一步需要深入研究的内容 和发展方向进行了探讨与展望。 关键词：干涉测量，无抖动干涉图像，干涉条纹间距，低温靶燃料层分布 a b s t r a c t _ - 一- _ _ _ _ - _ 一 a bs t r a c t t h ei n t e r f e r e n c ep a t t e r nu s e df o ri n s i t uc h a r a c t e r i z a t i o no fc r y o t a r g e ti so n eo ft h e m o s ti m p o r t a n tt o o l so fc r y o t a r g e tr e s e a r c h b a s e do ne r y o t a r g e ti n t e r f e r e n c ep a t t e r n so f d i f f e r e n tt i m e ，t h ef u dd i s t r i b u t i o ni nt h ec r y o t a r g e tc a l lb ed e d u c e d t om a i n t a i nt h ee x t r e m et e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ee n v i r o n m e n to ft h ec r y o t a r g e t ， t h et a r g e tv i b r a t i o ni sn o n a v o i d a b l ew h i c hl e a d st oi n t e r f e r e n c ep a t t e r nd i f f e r e n c e c a l l e di n t e r f e r e n c ep a t t e r nv i b r a t i o n d i f f e r e n tf r o mt r a d i t i o n a li m a g ev i b r a t i o n ，t h i si s c a u s e db yt h ec h a n g eo fo n ei n t e r f e r e n c el i g h t sp a t h t h i sp a p e ri n t r o d u c e sam e t h o d t o g e tn o n v i b r a t i o ni n t e r f e r e n c ep a t t e mb yl o c a t i n gt h et a r g e t ss p m i a lp o s i t i o n t of i n d t h ei n t e r f e r e n c ep a t t e r n so b t a i n e dw h e nt h et a r g e ti sa tt h es a n l es p a t i a lp o s i t i o n ，t h e n o n v i b r a t i o ni n t e r f e r e n c ep a t t e r nc a i lb ep i c k e do u t s o m ei m a g ep r o c e s s i n ga l g o r i t h m s s u c ha si m a g em a t c h i n ga r ei n t r o d u c e dt oa c h i e v et h eg o a l a p p l y i n gt h i sm e t h o di n e x p e r i m e n t s ，n o n v i b r a t i o ni n t e r f e r e n c ep a t t e r n sa r e o b t a i n e df o rf u r t h e rc a l c u l a t i o n b a s e do nn o n v i b r a t i o ni n t e r f e r e n c ep a t t e r n s ，t h i sp a p e rf u r t h e ri n t r o d u c e sa s e r i e s o fi m a g ep r o c e s s i n ga l g o r i t h m si n c l u d i n gh i s t o g r a ma d j u s t m e n t ，b i n a r i z a t i o n ，t h i n n i n g t oc a l c u l a t et h ea v e r a g ef r i n g ed i s t a n c ei nt h ei n t e r f e r e n c ep a t t e r n f u r t h e rm o r e ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e sam e t h o dt oc a l c u l a t et h ed i s t r i b u t i o no ff u e l t h i c k n e s si nt h ec r y o t a r g e t w i t ht w on o n - v i b r a t i o ni n t e r f e r e n c ep a t t e r n so b t a i n e db e f o r e a n da f t e rt h et a r g e tf i l l e dw i t hf u e l ，t h r e ec o m p o n e n t si ne a c ho ft h e i rf o u r i e rs p e c t r u m s c a nb eo b t a i n e d f i l t e r i n gt w oc o m p o n e n t sa n dk e e p i n gt h e o n ew i t ht h ep h a s e i n f o r m a t i o n ，w et r a n s f o r mt h ef o u r i e rs p e c t r u mb a c kt ot i m ed o m a i n t h ep h a s e s h i f to f t w oi n t e r f e r e n c ep a t t e r nc a nb ed e d u c e db yt h et w of i l t e r e di m a g e sa n dt h ed i s t r i b u t i o n o ff u e lt h i c k n e s sc a l lb ef u r t h e rd e d u c e da c c o r d i n gt ot h ep h a s es h i f t i nt h ee n d ac o n c l u s i o ni sm a d ea n df u t u r ew o r ki sd i s c u s s e d k e yw o r d s ：i n t e r f e r e n c em e a s u r e m e n t ，n o n v i b r a t i o n i n t e r f e r e n c ep a t t e r n ，f r i n g e d i s t a n c e ，c y r o t a r g e tf u e ld i s t r i b u t i o n i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：日期：d 辟歹月日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师硌监 日期：沙年歹月 日 第一章引言 1 1 核能的应用及发展 第一章引言 1 1 1 世界范围的能源匮乏及核能应用的提出 从海湾战争，到伊朗、朝鲜的核危机， 再到当今世界范围内石油价格的全面 上涨，都反映了一个全人类需要共同面临的问题能源危机。人类从1 9 7 3 年以 来，共向地球索取约了5 0 0 0 亿桶( 合2 0 0 亿吨) 石油，剩下的石油储量按现在的生 产水平估算，还可保证继续开采4 4 年，天然气也只能再持续开采5 6 年，一些国 家的煤炭资源已经采掘殆尽。 表1 - 1 世界上现已探明的可采能源情况 1 j 能源种类现行消耗( 1 0 1 2 啪可持续时间( y ) 煤 8 0 03 0 0 石油 2 0 05 0 天然气 2 0 08 0 核裂变燃料( 铀) 8 01 0 0 在现有能源已经极度匮乏的同时，人们已经认识到，这些矿物资源虽然为人 类文明的进步做出了巨大的贡献，但是不可避免的二氧化碳排放，已造成了大气 污染、“酸雨”以及“温室效应”等十分严重的环境问题。如果世界能源消费格局 不能发生根本性变化，n - - 十一世纪中叶时，全球平均气温可能上升1 5 甚至4 摄 氏度。 在广泛开发新能源的大背景下，核能成为了被广泛认可的新型能源，一方面， 它对环境的污染远远低于传统矿物能源，同时，核能的原料十分丰富，尤其是核 聚变的原料氘、氚，更是在自然界中广泛存在。人类从“石油文明”走向“核能 文明 的趋势已成为必然。 目前人类能够利用的核能有两种：裂变能与聚变能。发展较成熟并投入使用 电子科技大学硕士学位论文 的基本是裂变核能。但其原料铀2 3 5 只占天然铀的0 7 左右，因而可利用的能量 约为3 1 1 5 1 0 2 1 焦，据估计，至多只能用1 0 0 年左右。同时裂变核能的潜在危险 性也十分巨大。 而聚变能和裂变能相比有很多优势，其一：燃料蕴藏量十分丰富，成本低廉， 1 升海水中所含的氘在发生聚变反应时释放的能量可相当于3 0 0l 汽油完全燃烧所 产生的能量。地球海水中的氘经聚变反应而释放的能量，可供全人类使用千亿年。 对人类的寿命来讲，这种能源是“取之不尽，用之不竭 的了。氘可用普通的电 解方法从海水中提取，方法简单且成本低廉。其二，放射性废物少，不造成环境 污染。目前裂变核电站存在的一个缺点是放射性的产物很难处理，可能造成很严 重的污染。但是聚变的产物是无放射性的，热核反应所造成的污染也比核裂变也 要轻。其三，运行安全可靠。传统裂变核电站，尤其是高温堆和快堆，因为堆芯 温度高，反应进行很快，往往难以控制，一旦出事故就将造成巨大损失，甚至引 起火灾或爆炸。而聚变堆充入的聚变燃料很少，失控也不会造成严重事故，更不 会有放射性物质大量泄漏。其四，不会积累核武级别的燃料，不存在核扩散危险。 其五，废热较少而且可直接转换为电能。因此，受控热核聚变反应能是可以供人 类长期广泛使用的最理想的新型能源。 1 1 2 核聚变能的优点与研究进展 热核聚变的理论依据是，两个轻核在一定条件发生聚合生成一个重核，同时 出现质量亏损，根据爱因斯坦质能方程，该过程损失的质量将转化为巨大的能量。 对于d t ( 氘氚) 聚变反应来说，其反应条件极为苛刻：首先要达到1 亿度左 右的高温；其次参与反应的粒子密度要足够高且可以维持一定反应时间，即m 值 要达1 0 1 4 ( 秒米3 ) 以上( 劳逊l a w s o n 判据) ，才能够发生核聚变反应。这个条 件在实际上是非常苛刻的，目前任何实物容器都无法承受如此高温。因此必须使 用特殊方法将高温等离子体约束住。像太阳等其他恒星是以巨大的引力约束1 0 0 0 万 - - 1 5 0 0 万摄氏度的等离子体从而维持聚变反应，但地球上根本不可能有这么大 的引力，因此有通过把低密度等离子体加热到更高温度，来引起聚变反应。其难 度不亚于当初“两弹。为达到这个条件，人们设计了许多方案，经过五十年的探 索和研究，逐步形成了两类主要试验途径，即磁约束受控核聚变( m a g n e t i c c o n f i n e m e n tf u s i o n ，m c f ) 与惯性约束受控核聚变( i n e r t i a lc o n f i n e m e n tf u s i o n ，i c f ) 。 2 第一章引言 1 2 低温靶的应用及发展 1 2 1m c f 与i c f m c f ，即是磁约束方式。所谓磁约束受控核聚变，是利用一定的强磁场对高 温等离子体进行约束、压缩，使其达到劳森判据，从而实现聚变反应。目前，m c f 研究的主流装置是托卡马克装置，研究所取得的成果能够最接近于聚变的点火条 件。但是，它也存在着许多难以解决的问题，表现在以下几个方面：( 1 ) 托卡马克 装置结构复杂且造价昂贵。由于有各种复杂的磁路系统和苛刻的工作条件，托卡 马克装置的结构庞大，成本极高。例如i t e r 装置，按最初设计方案的造价高达 1 0 0 亿美元以上，即便用后来的改进方案，造价仍然高达5 0 亿美元以上。( 2 ) 由于 在强磁场中的高温等离子体会表现出各种宏观与微观不稳定性，怎样实现稳态运 行仍是托卡马克装置的最大难题。( 3 ) 由于托卡马克装置是一个封闭性的装置，怎 样实现反应堆从加料到加热、反应、传热、除灰等过程的连续运行也是一个极大 困难。 为了克服以上困难，在激光技术的发展的同时，1 9 6 3 年前苏联科学家巴索夫 教授与1 9 6 4 年我国科学家王淦昌教授分别独立提出了利用激光烧蚀聚变燃料靶来 实现受控热核反应的构想【2 1 ，开辟了实现受控热核聚变反应的一个新途径惯性 约束聚变( i c f ) 。该方法的基本原理是利用功率极大的激光照射燃料靶，将燃料向 内压缩，燃料所形成的等离子体由于自身惯性还未来得及向四周飞散就被加热到 很高温度并发生聚变反应【3 - 5 】。i c f 的特点是驱动器与反应器是分离的，从而相对 来说结构较简单，不需要庞大的磁路系统，系统工作条件也相对宽松。不过，i c f 也存在一定的困难：i c f 的约束时间仅为1 0 。9 s 左右，因而必须把等离子体加热到 t i 1 0 k e v ，同时离子密度压缩到n i 1 0 3 2 m 3 的高温高密度状态，这个密度相当于 原密度的1 0 0 0 倍，这时等离子体的内部压强为1 0 1 2 个大气压左右，这对驱动器 和靶盒提出了极高要求，目前的激光器还未能达到这个条件，仍需要进一步研究。 到底哪一种方法更优越? 惯性约束聚变的驱动器部分( 如激光和粒子加速器 等) 和靶部分( 即氘氚小球) 完全分开，维修方便；而磁约束聚变的各个部件相 互关联，是一个整体，不能将某一部分称为“靶 ，另一部分称为“驱动器”，维 修相对困难的多，可见后者比前者具有更大优势。 电子科技大学硕士学位论文 1 2 2 低温靶的提出及发展状况 随着i c f 核聚变的方式受到广泛认可，对i c f 目标靶的研究重要性日益凸显 出来。不同靶球以及靶球内部的细微燃料层分布差异，都可能对最终结果的成功 与否造成巨大影响。 1 9 7 7 年k m s 首次进行了低温靶试验，开启研究先河，证实了低温靶在i c f 研究中的优势。1 9 7 2 年j h n u c k o l l s 等首次发表文章提出了激光聚变，之后低温 靶概念被正式提出( 固体层或液体层) 并成为了日后i c f 6 - s 】研究的重要对象。 表1 _ 2 冷冻靶标志性进展 1 9 7 7 k m s 首次进行低温靶试验，开启研究先河，证实低温靶在i c f 研究中的优势 1 9 7 9 k m s 在低温靶研究中采用屏蔽罩伸缩方案 1 9 8 0 i l l i n o i s k m s 采用h e 气进行快速冷冻获得均匀d t 冷冻层 1 9 8 2 全息干涉照相技术用于冷冻层厚度表征 1 9 8 3 认识到均匀辐照对靶性能的重要性 1 9 8 7 在o m e g a - 2 4 上获得1 0 0 - 2 0 0 倍液氘密度，k m s 提出b 分层技术，并由ia m 得到验证，b 分层技术得到广泛理解和应用 1 9 9 2 在g e k k ox i i 上获得6 0 0 倍液氘密度 1 9 9 6 l l n l 证实增强红外分层技术，纯d 2 层也可进行层化 1 9 9 9 o m e g a 6 0 低温靶处理系统( c t h s ) 完成，可进行点火靶尺寸相当的d 2 ，d t 低 温靶试验，l l n l 在l - r a m 的c h 球壳中获得2 - u m i t n s 的d t 冷冻层 2 0 0 1 o m e g a 在d 2 低温靶爆轰试验中采用红外分层及背光阴影成像 2 0 0 4l 蝌l 在b e 靶盒中采用x 射线相衬成像技术 2 0 0 6o m e g a 上进行小于1 - u m 彻sd t 低温靶及2 - u r nr n l sd 2 低温靶爆轰实验 2 0 0 9 采用充气管技术的间接驱动低温靶在n i f 上进行实验 长期的国内外研究实验表明由于低温靶具有较高的初始燃料密度与较低的冲 4 第一章引言 击波预热灵敏特性，减少了高温高密度压缩所需要的能量。同时低温靶还具有另 一个优势：更容易实现等熵压缩。总的说来，在相同激光能量条件下，低温靶更 易达到点火所需要的高密度压缩，即更容易实现点火目标。 1 3 低温靶的图像表征、处理及研究意义 1 3 1 燃料冰层的层化 利用各种手段把聚变燃料如氘、氚等气体在热核聚变靶盒中进行冷冻，在靶 盒内壁形成分布均匀的固体或液体燃料层，这样由低温燃料构成的直接和间接驱 动靶就是低温靶。 氘、氚燃料的均匀层化是目前低温靶靶盒制造的关键步骤之一，低温靶层化 遇到的主要挑战是：如何消除低模数粗糙度，进而形成均匀分布的液体或固体燃 料层。其中克服重力形成均匀的燃料冷冻层又是关键难点【9 】。 现阶段已有的燃料冷冻层化方法主要有：b e t a - 层化法，快速冷却层化法，热 振荡层化法，可调谐红外激光加热层化法，等离子体层化法，热梯度层化法，无 支撑靶分层层化法，弹跳靶分层层化法，零重力自由落体层化法等方法。 1 3 2 燃料层的层化表征 由于燃料层是在低温靶靶盒内形成，不利于直接观测，但又必须精确的了解 其层化的分布情况，因此需要通过各种成像手段对其进行表征，用以衡量冷冻后 的固体或液体氘、氚层是否达到所需要的均匀分布。 精准、正确的表征靶盒内部冰层的分布情况，对于研究燃料层的形成过程， 进而改进冷冻层化的工艺和手段，使燃料层的层化达到符合要求的均匀分布，从 而制各出高质量的低温靶盒，具有重要的意义。 目前已有的靶盒燃料层表征方法主要有：全息测量法，干涉测量法，背光阴 影成像法，x 射线相衬成像法等，各种方法也主要适用于各种不同的靶盒。 1 3 3 燃料层表征图像的数字图像处理 通过各种成像手段获得的燃料层层化图像，由于获取手段和环境的不同，图 像质量难以得到保证，为了正确的提取层化图像所包含的信息，需要使用数字图 5 电子科技大学硕士学位论文 像处理手段对层化图像进行处理。处理的目标主要是摒除干扰和提取层化信息。 1 3 3 1 干扰摒除 由于低温靶的制备是在温度、气压都比较极端的情况下完成，同时靶盒的尺 寸通常较小，这就使得上文研究的表征方法所获取的表征图像受到了极限温度、 极限压强、弱光照、甚至在线工作环境的振动等多重影响因素的干扰，如果使用 这些附加了多重不稳定干扰因素的图像来分析燃料的层化过程、分布情况等信息， 必然导致较大偏差，这就需要应用数字图像处理技术对获取到的层化表征图像， 进行去噪去干扰处理，以使表征图像能够最真实的反映燃料的层化信息。 1 3 3 2 信息提取 表征图像包含了丰富的燃料层化信息，其中很多不能够通过直接的测量获取， 同时，大量冗余无用的信息也给分析带来了难度和误导，因此需要对图像进行各 种处理，抑制无用信息，增强有用信息，并把图像中的信息结合实际的靶盒相关 参数，最终从图像中提取出研究所需要的燃料层化分布等信息。这就是数字图像 处理在燃料层表征过程中发挥的重要作用，是必须而不可代替的。强针对性、高 效性的数字图像处理算法，对表征燃料层化具有极其重要的意义。 同时，在表征图像获取方法的设计过程中，充分应用数字图像处理技术的思 想，尽可能减少环境造成的干扰，或者选取容易去除的干扰，避免难以去除的干 扰，提高表征图像的信噪比，这些手段都可以提高层化表征的质量，更真实的反 映层化的情况，为制备高质量的低温靶盒提供可靠的数据保障。 1 4 国内外研究现状分析 目前低温靶的研究尚处于起始阶段，国内外的研究也偏向于国防应用，数字 图像处理技术在这方面的应用也在逐步探索当中。 1 4 1 全息层化表征法 利用全息照相方法，获得物体变形前后的光波波阵面相互干涉所产生的干涉 条纹图，从而分析物体变形的一种干涉量度方法，是低温靶表征实验应用分析方 法的种。 借助全息照相术，可以将沿同一光路而时间不同的两个光波波阵面间的相互 6 第一章引言 干涉显示出来。物体变形前，记录第一个波阵面；变形后再记录第二个波阵面。 它们重叠在全息图上。这样，变形前后由物体散射的物光信息都贮存在此全息 图中。将全息图用激光再现时，能同时将物体变形前后的两个波阵面再现出来 由于这两个波阵面都是用相干光记录的，它们几乎在同一空间位置出现，具有完 全确定的振幅和相位分布，所以能够相干而形成明瞎相间的干涉条纹图。对于具 有漫反射表面的不透明物体，条纹图表示物体沿观察方向的等位移线：对于透明 的光弹性模型，例如有机玻璃模型，则表示模型中主应力和等于常数的等和线。 全息干涉法的主要内容是研究条纹图的形成、条纹的定位，以及对条纹图的解释。 l4 2 干涉测量层化表征法 通过分光镜的两束相干氨氖激光，一束穿过靶盒中的燃料冷冻层，与另一束 发生干涉，成像在c c d 上。获取到的如图1 - 1 的干涉图像【1 q 。 虽然获取到的图像( 图1 1 ) 并不是冷冻燃料层的真实空间分布，但是它包含 了燃料层真是空间分稚的大量信息，通过计算条纹间距等一系列方法，就可以真 实还原燃料冷冻后层化的空间分布从而研究冷冻工艺对层化的影响以及验证燃 料的层化是否达到了所需的均匀分布。 ，1 一一i ，瓣神j 隧 鼻。惭睁蜘m ”冀- 。1 p ，礴d 砖- - _ 晦砷滞凰譬矗孵j 隧脚嘲獬? 嗍墨，；瓣铴j 牡静晦却嘲啤溶觯! ! 譬；辩矿”j 瑟净轴瞄渤酾睁嘤矍茹弘。i j 铡诤帕j - 萄- 群一i 篓譬砖，j 麓麓誊纂蒸；：蠲 图1 - 1 全息干涉法获取的液体d 2 层化圈像 全系干涉法主要适用与透明的燃料冷冻层层化表征。可以较为的反映出层化 的分郴情况，但相对不够直观。 电于科技大学硕士学位论文 14 3 背光阴影成像表征法 与全息成像不同，背光阴影成像法是通过光源直接照射靶盒进而在c c d 上 成像的表征方法，其获得的图像不是干涉图像，而是直观反映真实的燃料层化情 况。圈】- 2 是一副背景阴影成像法获取的靶盒图像其中靶盎周边的明暗环纹表征 丁靶盒内部的层化分布情况。l l e 实验室曾采用两组互相垂直的背景阴影成像设 备检测靶盒内部的燃料层化分布。 】0 0 0 8 0 0 点6 0 0 芒 4 0 0 ：0 0 0-i b r i e h l r m # i n n e r r m g s s p i d e r s n k o2 0 04 0 06 0 08 0 0 1 0 0 0 p i x e l s 图l - 2 背景阴影成像获取的靶盒层化图像 背景明影成像洼主要适用与透明材料靶盒，如c h 材料，其优点是图像直观 14 4 x 射线相衬成像法 当靶盒材料是透明的情况下，上述方法都可以较好的表征靶盒内部的层化分 布情况，但是在靶盒不透明的情况下这些方法便不再具有可行性。因此x 射线 相衬成像法被提出并发挥了重要作用。 该方法通过在靶盒周围形成x 射线背光从而反映出靶盒内部的燃料层化情 况。 第一章引言 图1 - 3 x 射线相村成像法表征的b e ( c u ) 低温靶内部详细结构 x 射线相衬成像法主要适用于靶盒材料不透明的情况，同样可较精确的表 征出靶盘内部的详细情况。 以上几种是目前主要使用的低温靶表征方法，对于不同的靶盒表征方法，由 于其使用手段不同所处的环境不同，对这些图像应用的数字图像处理算法都有 极强韵针对性，本文主要针对干涉表征的图像进行数字图像处理研究。 1 5 本文安排 在低温靶数字图像处理研究课题中，笔者的主要工作是搭建实验环境，采集 满足要求的低温靶燃料层干涉图像，并对这些图像进行处理，提取其包含的燃料 层层化分布等相关信息。本文后续内容安排如表1 - 3 ： 表1 - 3 本文内容安排 童节 内容 第一章课题背景及研究意义 第二章 使用三种不同算法实现无抖动干涉图像的获取，井进行实验、比较 第三章在空间域对低温靶干涉图像进行处理井求取干涉条纹间距 第四章 在频率域对低温靶干涉图像进处理井求取靶盒内燃料层分布 第五章结论与工作总结 电子科技大学硕士学位论文 第二章无抖动低温靶干涉图像的获取 2 1 实验环境设计及原理 巴寸氍 p “l ：苛茹谐。 。踏ta r g e t s p l i t t e r v 。c ，l a r f 、。e r i + k u y o c l l 口引 曙吉f 刁 虫s p a t i a lf i l t e ? ” 口t 一a n a e r 罔 如图2 - 1 所示，本课题采用m a c h - z c h n d e r 干涉法【o - il 获取低温靶干涉图像， 通过一个分光镜，将氮氖激光器产生的一束激光分成两柬相千光a 、& 其中b 穿 过靶盒，然后再次与a 相遇，形成干涉圈像，使用一个连接至电脑的c c d 来采集 a 、b 干涉所成的图像“。 实验过程中所有光学器件、包括c c d 都固定于光学工作台上。由于靶盒内 需要达到1 9 k 左右的极端温度，因此靶盒独立安置于真空球( c r y o c h m - n b e r ) 中，并 由匀速制冷机持续制冷，同时真空盒由真空泵持续工作以保持靶盒始终处于接近 真空的环境中减少热量传递，维持靶盒内温度的稳定。 第二章无抖动低温靶干涉图像的获取 2 1 2 实验原理 设图2 - 1 中激光束a 、b 分别为： e = e oc o s ( 鲥+ t p , 4 2 m a ) 九 e a = e oc o s ( o l + g o b 2 m b ) i , 它们发生干涉产生的干涉图像i 可表示为： ( 2 1 ) ，= 2 磊2 + 2 e 0 2 c o s 一仍2 彳x ( 饧一幺) 】 ( 2 2 ) 当靶盒内环境发生改变，即盒内由真空环境转化为充满液体或固体燃料并发 生层化后，光束b 的路径因此发生改变，进而得到不同的干涉图像i 。 基于这样的实验环境，当其他环境参数固定时，靶盒内燃料层的改变将直接 反应在干涉图像的改变上，对比靶盒内为真空时形成的干涉图像k 一和充满液体 ( 或固体) 燃料后的干涉图像i i i q u i d ( 或i s o l i d ) ，即可从两幅干涉图像的差异中提取 出靶盒内燃料的层化分布情况。具体的层化分布信息提取方法将在本文的第三和 第四章叙述。 2 2 抖动的产生及其影响 2 2 1 抖动的产生 在前文的叙述中提到，由于本实验过程中，靶盒内需要达到1 9 k 左右的极端 温度，因此需要使用匀速制冷机在整个过程持续制冷。同时，为了抑制热传递导 致的靶盒温度波动，还要将靶盒置于接近真空的真空盒中，由真空泵持续工作以 保证真空盒内的真空环境。 电子科技大学硕士学位论文 国2 - 2 实验环境中的制冷机、真空泵 由于目前的机械工艺导致制冷机、真空泵的工作过程不可避免的产生振动， 而制冷机和真空泵叉直接、间接的连接于靶盒，振动因此传递到靶盒，导致了靶 盒的振动，同刚需注意到这些机械振动是随机且难以抑制的。由于靶盒的尺寸在 毫米级，这些细微的振动也将导致靶盒产生无规则的随机抖动。 2 2 2 抖动的影响 本课题中，测量靶盒内部燃料层的分布，需要用到两次或多次的干涉图片作 对比。以求取靶盒内为液体燃料的分布情况为例，需要将靶盒内为真空时的干涉 图像i 叽和充满液体h 2 时的干涉图像b 舢，d 进行对l d 。具体流程如下： 在时刻t i ，靶盒内的环境为真空。形成干涉的光线为参考光a 与穿过靶盒的 物光b ，通过实验装置获得靶盒的干涉图像i 。，根掘式( 2 - 2 ) ，a 、b 、i 岣分 别表示为： 只：e oc o s ( 耐+ 吼一季) 岛：毛c o s ( “+ 一孕) l u m = 2 。：2 e 0 2 + 2 e 0 2 c o s , p b 一仍一车( 一_ ) 。4 ) 在时刻t 2 ，经过制冷机一段时间的工作和不断充入h 2 ，靶盒内已经完全充满 液体状态的h 2 。假设不存在靶盒抖动，靶盒的空间位置与t 1 时刻相同，设形成干 第二章无抖动低温靶干涉图像的获取 涉的光线为参考光c 与穿过靶盒的物光d ，通过实验装置获得靶盒的干涉图像为 i i i q u i d ，根据式( 2 2 ) ，c 、d 、i l i q u i d 表示为： e c = e oc o s ( c a + 一2 n f r c ) 以 e o = e o c o s ( c a + 一2 , 7 f y d ) 几 ( 2 5 ) 厶删= e 2 伽甜= 2 e 0 2 + 2 e 0 2c o s 一一三；( 七一饧) 】 ( 2 6 ) 。 以 但是由于靶盒存在抖动，t 2 时刻靶盒的空间位置发生了改变，实际形成干涉 图像的光线是参考光c 和穿过位置改变后的靶盒的物光d 。因此，在实际实验过 程中获得的t 2 时刻靶盒的干涉图像l l i q l i i d 应表示为： ，锄谢= e v 细。讨2 2 & 2 + 2 e 0 2c o s 一一竿( 七一饧，) ( 2 7 ) 九 显然，在绝大多数情况下： i 哪证1 1 吼试 ( 2 8 ) 我们称这种情况为干涉图像存在抖动。 当且仅当t 2 时刻与t 1 时刻靶盒的空间位置一致时： 1 脚删= ，l i q u 甜 ( 2 - 9 ) 我们称之为干涉图像无抖动。 这正是靶盒抖动给本课题带来的最大干扰，如果不能保证t 2 时刻与t 1 时刻 靶盒的空间位置一致，就将导致得到的干涉图像无法用于后续计算。因此，获取 靶盒在不同时刻、同一位置的前后两幅干涉图像( 即无抖动的干涉图像) ，对本课 题具有重要意义。 1 3 电子科技大学硕士学位论文 2 3 无抖动干涉图像的获取 2 3 1 改进后的实验环境及无抖动干涉图像获取方法及原理 如图2 3 所示，在原设计实验环境基础上，增加一部c c d 2 用于单独捕获靶 盒图像。需要注意的是由于靶盒位置图像必须准确反映干涉发生时刻靶盒的位置， 因此要求两幅图像的采集具有高度的同步性，即c c d 1 和c c d 2 具有相同的响应 延迟。因此c c d 1 和c c d 2 选取同一款c c d 摄像机，将所有参数设定一致，包 括连接到计算机的数据线也保证长度、材质相同，这样才能最高程度的保证靶盒 位置图像和靶盒干涉图像采集时刻的一致性，使靶盒位置图像最准确地反映干涉 发生时刻靶盒的位置，保证后续处理工作的质量。通过该方法即可获得靶盒在 c c d 2 光路垂直平面内的位置图像，即在干涉图像采集时刻靶盒的位置图像。以 此位置图像为依据，即可判别出在不同时刻由c c d 1 获取的干涉图像是否由靶盒 在同一位置所形成。 m i c r o s c o p e 图2 - 3 本实验所使用的实验环境 在一次实验中，通过c c d 一2 观测到靶盒存在抖动。图2 - 4 中( a ) 、( b ) 分别是在 该次实验中，靶盒内为真空和充满液体h 2 时随机采集的两幅干涉图像：图中靠近 中央的黑白条纹为靶盒干涉条纹。图中十字为坐标不变的参考点，观察两幅图像 1 4 第二章无抖动低温靶干涉图像的获取 可发现：靶盒干涉条纹的位置和方向发生了变化从而可以证明前文叙述的干涉 图像抖动存在。如果使用这样的干涉图像进行计算，将导致实验结果出现偏差。 ( 丑) 充满液体h 2 的靶盒干涉圈像彻同一时刻的靶盒位置图像 酗2 - 5 同步采集的靶盒图像与干涉图像 由于干靶盒涉图像和靶盒位置图像是同步采集的，靶盒位置图像就标定了在 干涉图像采集时刻靶盒所处的位置( 这个位置是在垂直c c d - 2 光路平面内的位 置) 。由于c c i ) - 和c c d - 2 的固定在光学工作台上可以认为位置不变靶盒由 电子科技大学硕士学位论文 于振动产生的位移可以直接的反应在靶盒的位置图像中。将同步捕获的靶盒干涉 图像与靶盒位置图像一一对应，比较多幅干涉图像对应的靶盒位置图像，就能够 以靶盒的位置是否偏移来判断干涉图像是否受到靶盒振动的影响，从而判定靶盒 干涉图像之间是否存在抖动。 基于这样的实验环境设计，为准确地通过干涉图像获得靶盒内燃料h 2 的空间 分布，本文研究了如下的无抖动干涉图像获取方法： 1 、同步采集靶盒内为真空环境时的干涉图像及靶盒位置图像口1 。 2 、同步采集一系列靶盒充满液体h 2 时的干涉图像及靶盒位置图像口一2 l ，口2 2 ， p 一2 3 ，i p - 2 n 。 3 、通过靶盒位置图像匹配算法，寻找在d 2 系列图像中与p 1 具有相同靶 盒空间位置的口2 x 。 4 、获得p 2 x 对应的靶盒干涉图像，用于后续工作计算。 具体流程图如下： i 同步采集真空靶盒干涉图像、位置图像i p 1 上 同步采集多对充满燃料的靶盒干涉图像、位置图 像d 2j ，i p 2 2 ，口2 3 ，p 一2 。 上 i 寻找与i p 1 具有相同靶盒位置的i p 2 x j i 获得口2 、中的干涉图像部分，用于后续计算 图2 - 6 无抖动靶盒干涉图像获取流程图 通过以上方法选出的靶盒内为真空时的干涉图像口1 和靶盒内充满液体( 或 固体) h 2 时的干涉图像口2 x ，是靶盒位于同一空间位置发生干涉形成的( 即无抖 动的) ，用他们作为燃料层表征的数据，大大提高了精确度。 另一方面需要注意，根据c c d 2 的摄像角度可知，它捕获的靶盒位置图像体 现的是靶盒在垂直于c c d 2 光路的平面内的位置。在这些位置图像中靶盒位置相 同仅能说明：干涉发生时，靶盒在垂直c c d 2 光路平面内的位置相同，即本方法 只能去除靶盒在与c c d 2 光路垂直的平面空间内的抖动。 1 6 第二章无抖动低温靶干涉图像的获取 若要考虑靶盒在平行于c c d 2 光路平面空间上抖动造成的影响，只需在本设 计的基础上，增加一个摄像角度垂直于c c d 2 光路的c c d 3 ，与c c d - 1 、c c d - 2 同步工作，即可得到从两个空间角度捕获的靶盒位置图像，他们可以共同表征靶 盒在三维空间的振动情况，使用c c d 2 、c c d 3 获得的两幅靶盒空间位置图像来 判定不同时刻干涉发生时，靶盒是否位于同一空间位置，从而彻底的去除靶盒抖 动带来的干涉图像抖动。 经过实验验证，本实验中，靶盒的振动方向主要集中在垂直于c c d 2 光路的 平面内，而在平行于c c d 2 光路的平面内靶盒几乎没有振动位移。因此，本文仅 研究了使用一幅靶盒空间位置图像获取无抖动干涉图像的方法。此方法也可以很 简便的引申出使用两幅靶盒空间位置图像获取无抖动干涉图像的方法，本文不做 赘述。 2 3 2 靶盒位置图像的匹配算法 前文叙述了通过本文的实验设计，可以将干涉图像与干涉发生时靶盒的位置 图像一一对应，寻找靶盒位置图像相同的干涉图像，得到相互间无抖动的干涉图 像。此处对于如何判定多幅干涉图像对应的靶盒位置是否相同，研究了以下几种 方法：投影标定法、h a r r i s 特征匹配法以及基于h a r r i s 特征的金字塔匹配法。 2 3 2 1 投影标定法 在本课题中，目前实验的环境是在光学暗室中进行，且现阶段研究主要针对 靶盒，因此获取到的靶盒位置图像都是纯黑色背景。针对这样的靶盒位置图像特 点，本文研究了投影标定法。流程如下： 1 7 电子科技大学硕士学位论文 图2 - 7 无抖动靶盒干涉图像获取流程图 1 、平滑滤波 通过c c d 采集到的图像，由于各面的干扰，会在图像上形成一些毛刺、亮点 等干扰信息，这些噪声对标定靶盒的位置将产生影响。由于采集背景是光学暗示 环境，在获得的图像中，应当只存在靶盒主体这一高亮度区域，而其他可能出现 的亮点、亮线等，都是干扰信息，需要进行滤除或抑制，以保证在后续水平、垂 直方向投影时，不会影响对靶盒主体高亮度区域的判别，提高判别精度。 常用的平滑滤波有中值滤波、均值滤波等。这里做简单介绍： 中值滤波思想是，在一个n * n 的模板内，对所有像素值进行排序，最终以排 序中间的像素值作为该点的滤波结果。这样的滤波方式，比小尺寸的线性平滑滤 第二章无抖动低温靶干涉图像的获取 波器模糊程度要低，对椒盐噪声有很好的抑制效果。 图2 - 83 事3 的中值滤波模板 如图2 8 中，3 * 3 的中值滤波模板对应9 个像素值分别如图，经过排序后顺序 依次为 o ，5 ，1 0 ，1 0 ，1 0 ，1 5 ，2 0 ，2 5 ，9 0 ) 。因此该点的滤波结果为1 0 。 均值滤波的思想是，将模板内所有像素点的值求平均，后演化为求加权平均， 这样一方面是图像产生了模糊效果，去除了尖锐的噪声信号，同时通过选择合适、 具有针对性的加权值，能够达到不同的效果，满足具有针对性的滤波需求。 图2 - 93 奎3 的均值滤波模板 均值滤波的计算公式为： 尺：可l nr 肌( 2 - 1 0 ) 刁，1 其中刁为模板内各像素点的加权值。选择合适的加权值能有针对性的抑制需要 抑制的噪声。 分析了几种滤波方式，本文选择了均值滤波。同时针对后续工作是水平和垂 直投影，亮线可能给投影边界的标定带来影响，设计如下滤波模板： 1 9 电子科技大学硕士学位论文 图2 - 1 0 本文使用的3 3 的均值滤波模板 改模板通过在二邻域设置大于一领域的加权值，达到较多抑制水平、垂直方 向亮线的目的。 如图2 1 1 中m ) 图所示，经过滤波的靶盒图像，变得比较模糊，同时原图像中 的一些噪点也消失了。 2 、水平、垂直投影【1 3 - 1 4 】 对均值滤波后的图像，在水平、垂直方向上进行投影，得到的投影图如2 1 0 中c 、d 图。 3 、标定边界 在头像图像中，水平、垂直4 个方向检索，当总灰度大于一定值，即判定为 靶盒的边界。这样，即可从投影图像中得到靶盒位置图像中靶盒的上下左右边界 坐标( y t ，y b , x l ，x r ，) 。图2 1 1 中c 、d 两图为分别对滤波后的靶盒位置图像进行水 平、垂直投影的效果，可以明显的看到高亮度的靶盒象素分布情况，从而得到靶 盒的上下左右边界坐标。 4 、计算靶盒中心坐标 通过水平和垂直投影，可以得到y t ，y b ，x l ，x r ，据此计算靶盒的中心坐标 ( x i p 2 i ，y 伊2 i ) ： x m 秘：xl + 堕掣 二 ( 2 1 1 1 y 叭i - yt + 堕掣 第二章无抖动低温靶干涉图像的获取 ( 8 ) 一幅靶盒位置图像嘞原图经过中值滤波的图像 图像滤波后水平投影结果 ( d ) 图像滤波后垂直投影结果 图2 1 1 投影标定盼图像处理过程 5 、计算中心点距离，获得无抖动干涉图像 通过前面四个步骤，可以计算出i p 1 与i t 2 系列中每幅图像中靶盒的中心坐 标，现计算口2 系列中每幅图像靶盒中心坐标与口- 1 中靶盒中心坐标的欧氏距离 d i ： d = ( j 口一i xp 一2 ，) 2 + ( y 州一y p 2 i ) 2