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浙江工业大学硕士学位论文 糖液浓度在线测量系统的研究与开发 摘要 在制糖工业生产过程中，如何准确地进行在线测量糖溶液浓度，一直是备受关注并 且期待解决的问题。糖液浓度检测方法以及检测仪器多种多样，折光法是一种较稳妥、 可行的测量方法。在此基础上，将光学与微机技术、电子技术、光电器件技术相结合， 设计了一套高精度的基于c c d 的糖液浓度折光测量系统，并进行了实验验证，本文所 做的主要研究工作如下： 1 、研究了国内外糖液浓度检测的方法，通过对各种方法的分析比较，确定以折光 法测量糖液浓度，并分析了该检测方法的可行性。 2 、在分析了基于折光法测量糖液浓度原理的基础上，搭建了测量装置的光学系统， 并分别对照明光源与各光学元件进行设计。 3 、通过分析c c d 传感器输出图像存在的噪声、畸变等缺陷，提出了基于小波变换 的算法降低图像噪声干扰，并采用基于线性插值的亚像素算法提高c c d 分辨率，从而 提高系统测量精度。 。 4 、应用a r m 7 处理器l p c 2 1 4 8 f b d 完成糖液浓度测量系统的硬件设计，并采用 k e i lu v i s i o n 3 软件，开发了测量系统监控软件。通过温度修正补偿消除温度对测量结果 的影响，实现糖液浓度的准确测量。 总的来说，本文所建立的实验系统基本上达到的测量指标，能够对糖液浓度进行快 速测量，并在允许的误差范围内，同时也达到了测量装置小型化、产品化的目的。 关键词：糖液浓度，c c d ，折射率，小波变换，亚像素 摘要 浙江工业人学硕士学位论文 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fo n l i n e m e a s u r e m e n ts y s t e mo fs u g e rc o n c e n t r a t i o n a b s t r a c t p r o d u c t i o np r o c e s si nt h es u g a ri n d u s t r y , h o wt oa c c u r a t e l ym e a s u r et h es u g a r c o n c e n t r a t i o no n l i n e ，h a sb e e no fc o n c e ma n dl o o kf o r w a r dt os o l v i n gt h ep r o b l e m t h e r ea r e av a r i e t yo f t e s t i n gm e t h o d sa n dt e s t i n ge q u i p m e n t so fs u g a rc o n c e n 打a t i o n ，r e f r a c t o m e t r yi sa r e l a t i v e l ys a f ea n df e a s i b l em e a s u r e m e n tm e t h o d o nt h i sb a s i s ，c o m b i n eo ft h eo p t i c s ， c o m p u t e rt e c h n o l o g y , e l e c t r o n i c st e c h n o l o g y a n do p t o e l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , d e s i g na h i g h - p r e c i s i o n c c d b a s e dr e f r a c t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e mo fs u g a rc o n c e n t r a t i o n ，a n d e x p e r i m e n t a l l yv e r i f i e d ，t h i sm a j o rr e s e a r c hw o r kd o n ea sf o l l o w s ： r e s e a r c ht h ed e t e c t i o nm e t h o do fs u g a rc o n c e n t r a t i o na th o m ea n d a b r o a d t h r o u g ht h e a n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no ft h ev a r i o u sm e t h o d s ，d e t e r m i n et ou s er e f r a c t o m e t r yt od ot h e m e a s u r e m e n to fs u g a rc o n c e n t r a t i o n ，a n da n a l y z et h ef e a s i b i l i t yo ft h ed e t e c t i o nm e t h o d b a s e do i lt h ea n a l y s i so ft h ep r i n c i p l eo fr e f r a c t o m e t r yo fs u g a rc o n c e n t r a t i o n ，s e tu pa l l o p t i c a ls y s t e mo fm e a s u r i n gd e v i c e ，a n dr e s p e c t i v e l yd e s i g nl i g h t i n ga n dt h eo p t i c a l c o m p o n e n t s b ya n a l y z i n gt h ee x i s t e n c en o i s e ，d i s t o r t i o na n do t h e rd e f e c t so ft h eo u t p u ti m a g ec c d s e n s o r , p r e s e n tam e t h o dw h i c hb a s e do nw a v e l e tt r a n s f o r mt or e d u c ei m a g en o i s e ，a n da d o p t l i n e a ri n t e r p o l a t i o n b a s e ds u b - p i x e la l g o r i t h mt oi m p r o v et h ec c dr e s o l u t i o n ，t h e r e b yt o i m p r o v et h es y s t e ma c c u r a c y a d o p ta r m 7p r o c e s s o rl p c 2 1 4 8 f b dt oa c c o m p l i s ht h eh a r d w a r ed e s i g no fs u g a r c o n c e n t r a t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e m ，a n dau s ek e i lu v i s i o n 3t od e v e l o pam e a s u r e m e n t s y s t e mm o n i t o r i n gs o f t w a r e t h r o u g hc o m p e n s a t e db yt h et e m p e r a t u r ec o r r e c t i o nt oe l i m i n a t e t h ee f f e c t so ft e m p e r a t u r eo nt h em e a s u r e m e n tr e s u l t s ，t oa c h i e v ea c c u r a t em e a s u r e m e n to ft h e c o n c e n t r a t i o no fs u g a r o v e r a l l ，t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e me s t a b l i s h e di nt h i sp a p e rb a s i c a l l yr e a c h e st h em e a s u r e s t a n d a r d , i ti sa b l et oq u i c k l ym e a s u r et h e c o n c e n t r a t i o no fs u g a r , a n di nt h ep e r m i s s i b l ee r r o r r a n g e ，b u ta l s ot ot h em e a s u r i n gd e v i c em i n i a t u r i z a t i o n ，p r o d u c t - o r i e n t e dp u r p o s e s k e yw o r d s ：s u g a rc o n c e n t r a t i o n ，c c d ，r e f r a c t o m e t r y , w a v e l e tt r a n s f o r m , s u b p i x e l 1 1 1 a b s t r a c t i v 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究意义 近十几年来，甘蔗糖业的发展取得了飞速发展，随着规模的不断扩大和生产水平的 持续提高，我国已成为世界食糖生产第三大国。在日常生活的各个领域中，都有对糖浓 度进行测量的需求i l 】。 由于发展条件的限制，我国在这个领域的起步较晚，尚处于理论研究与论证阶剐2 1 。 目前，国内测量糖液浓度主要依靠人工现场间隔抽取样品，待手动测定后再把检测结果 送至车间，读数误差大、因人而异。即使一些糖厂购买了国外设备，但由于设备维护困 难、维护成本高，既影响效率又影响制糖企业的积极性e 圳。国外在糖液浓度的实时在线 检测已经有一定的发展，例如美、法、澳大利亚、丹麦等国家在制糖控制方面有较好的 研究成果，基本上实现了大型化和高度自动化，而且被用于实际生产 5 , 6 1 。由于技术落 后、资金短缺及设备供应商的售后服务水平落后等原因，国内还未实现煮糖过程的自动 化控制，检测分析水平低、分析速度慢，严重滞后生产【7 ，引。现代化的制糖工业迫切需要 一种智能型浓度检测仪来提高生产效率，如何改变落后的检测方法、长时间的分析等不 适合现代化制糖生产要求的现状，已成为人们关注和希望解决的问题。 因此，针对传统分析手段存在的弊端，对传统糖液浓度检测仪进行改造，增大制糖 厂实时在线质量监控的力度，提高分析速度及生产效率，实现清洁生产，降低生产成本， 对我国制糖工业的发展水平的提高，迎接国际竞争具有重要的现实意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 糖液浓度检测方法 检测是制糖工艺中非常关键的一环，国内外对自动检测进行了长期的研究，提出了 很多测量方法。最近国内； i - n 用新的技术，创造了一些新的检测方法，使得测量更加准 确、快捷、方便，其中一些方法在国外糖厂已得到推广并应用成熟，但在国内却还不多 见。 第1 章绪论 ( 1 ) 电导率检测法 对于电解质溶液，其电导率随溶液浓度而变化，在特定的区间内是单值对应关系， 且在一定范同内，恒定的糖液浓度的电导率不受温度的影响，同时，电导率是粘度的函 数，电导率越高纯度越低。液体电导率的测量方法有许多，通常采用惠斯顿电桥法，结 构简单且容易实现，但电极材料与糖液直接接触会相互反应，因此王圣来等人提出变压 器型电导检测仪，与被测糖液隔离，避免直接接触的相互影响。电导率检测法简单易行， 已成熟应用于欧洲的制糖工业中【9 ，1 们。 ( 2 ) 射频检测法 射频检测法的测量原理是：基于射频阻抗理论，把糖液作为电介质，通过糖液对射 频信号呈现的阻抗特性即介电常数的变化来确定糖液浓度【1 1 】。上世纪8 0 年代，丹麦d d s 公司的科研人员以性能价格比作为根据，对当时的几种糖液浓度测量方法进行对比，最 终选定射频糖液浓度测量方法，并开发出应用射频糖液浓度测量仪的结晶罐控制系统， 将其商品化推向市场。上世纪8 0 年代后期，南非糖业界对射频糖液浓度测量的机制进 行跟进研究，将其应用于结晶罐的自动煮糖控制中，效果良好。射频检测法适用于现场 的快速测量，分析速度快，但测量结果受温度影响较大，需要用三维补偿校正查表法对 温度进行补偿【1 2 】。 ( 3 ) y 射线检测法 射线检测法的基本原理是基于糖液吸收射线的容量与糖液浓度的线性关系，在煮糖 罐外将y 射线束发射穿过罐内糖液，再用仪表接收并检测剩余y 射线的强度，根据朗伯 定律间接测量出糖液浓度。卢家炯等人对y 射线浓度计在线测量蒸发糖浆浓度进行连续 试验，结果表明，该检测法完全可以用于制糖生产中，传输距离在1 0 0 米以上。y 射线 检测法设备简单，抗干扰能力强，反应时间短，并有较高的精度，被广泛应用于甜菜糖 厂中【1 3 1 。 ( 4 ) 红外线检测法 红外线检测法主要利用它在有机化合物分析检测中的独特性，即糖液在近红外区域 的吸收系数较小。近红外区的波长短，在价格低廉的煮糖罐中不易被吸收，提高分析精 度 1 4 , 1 5 1 。近十几年来，美国、南非、澳大利亚等国将红外线检测法应用于甘蔗制糖行业， 在分析糖液浓度方面取得了较好的研究成果。在2 0 世纪9 0 年代初，我国的秦贯丰等人 采用红外光度法检测糖浆饱和度，试验并通过p c 机实时处理，实现了实验结果的打印、 显示功能，同时对影响测量误差的预结晶等因素进行了研究。红外线检测法具有检测速 浙江工业大学硕士学位论文 度快、过程简单、无污染和多组同时分析等优点 1 6 a 7 】。 1 2 2 糖液浓度检测技术应用现状 糖厂煮糖罐的蔗糖浓度测量以及结晶过程的在线检测，一直是蔗糖生产过程中的一 个关键环节，国内外对蔗糖浓度测量方法的研究从未间断过，其中一些被广泛地应用于 工业生产中。 1 9 5 7 年，丹麦开始采用电导法控制煮糖生产过程。 w a n g 等人用c c d 器件检测溶液中光纤的“泄漏”光强来测溶液的浓度。 1 9 6 7 年，英国糖业公司设计出了制炼车间，该车间能用一台电子计算控制1 3 台煮 糖罐，并利用煮糖罐的压力表与温度计，在车间控制室内就能从煮糖罐正面的副控制屏 遥控手动操作阀门，进行煮糖罐操作。之后，该公司设计出了采用微型电子计算机控制 的真空煮糖罐，并且在每台煮糖罐上安装了微信息处理器，但由于传统的煮糖罐内蔗糖 浓度的测量方法采用常规的单测量点检测技术，其精度并不能达到工业要求。 九十年代初，随着人工智能的发展，煮糖结晶过程的自动控制技术有了很大提高， 例如，将基于规则的专家系统应用到控制煮糖结晶过程的设计思想，以及利用神经元网 络的自学习自适应特点与其他智能控制方法相结合的方法提出，在煮糖结晶过程中的在 线检测中发挥了巨大作用 1 8 , 1 9 1 。1 9 9 2 年，华南理工大学研制的糖膏过饱和度在线测量装 置，在广东东门糖厂甲糖煮糖罐安装并在线运行，该装置利用粘度来反映蔗糖过饱和度、 晶粒状况，通过在线测量空心圆筒的扭矩，推算出过饱和值。 华侨大学机械工程系利用光电检测法在线测控糖液的过饱和度，将光电逻辑处理技 术与单片机相结合，实现对糖液的在线测控功能【2 0 1 。 华南理工大学自动化系研究人员设计甘蔗制糖结晶过程中的多层前馈神经网络模 型，该模型的输入变量为温度、蔗糖浓度与纯度等参数，输出是煮糖的结晶速度，通过 网络的学习训练，测量蔗糖结晶速度，实现制糖之间的控制与制糖自动化的操作【2 1 1 。 2 0 0 3 年，为了适应国内制糖企业生产现状的需求，复旦大学研究人员在综合考虑理 论上缺乏煮糖过程的精确机理模型的前提下，提出了采用人工神经网络建立控制模型， 与昆明冶研新材料股份有限公司、云南勐海县的景真糖厂合作，并开发设计出了一套计 算机自动控制煮糖系统【2 2 】。 2 0 0 7 年，广西大学的黎庆涛、白燕等人采用近红外光谱分析方法，对甘蔗制糖中的 清糖浆以及成品进行在线实时监控分析研究，并建立了数学预测模型。实验结果表明， 第1 章绪论 该方法有很好的相关性，并且预测标准差小，具有广阔的发展前景 2 3 】。 同年，黑龙江大学的叶红安、章博等人开发了基于旋光效应的糖浓度检测系统，该 测试系统分别对蔗糖、葡萄糖与果糖三种糖溶液进行实验测量，根据糖溶液浓度与计算 机得出的旋光角度之间的唯一函数关系，做出标准曲线，从而测得其浓度。总的来说， 该装置小型化、仪器化的同时，能够实现糖浓度的快速测量并在允许的误差范围内【2 4 1 。 2 0 1 0 年，广西大学的蒙艳政、黄莲花等人设计出了射频法糖液浓度在线检测传感器， 建立了b p 神经网络补偿模型，利用m a t l a b 进行数据融合，解决了传感器受温度影 响的问题，有效地提高了测量精度与抗干扰能力 2 5 , 2 6 1 。 1 3 问题的提出 如上所述，在线测量糖液浓度的方法和检测仪器很多，但却各有优劣。电导率检测 法虽然能测量糖液浓度，但是测量结果容易受糖液纯度、传感器电极质量和积垢影响， 与被测糖液长时间的接触会产生腐蚀等现象，并且价格偏高而未能普及；射频和y 射线 检测法属于非接触式测量，射频检测法通过覆盖绝缘材料在测量电极上，用射频信号的 方法测量糖液浓度，克服了上述缺点，但对温度反应较大，需要用三维补偿校正查表法 对温度进行补偿；y 射线检测法受管道积垢、安装位置和介质流动情况的影响，测量结 果会存在一定的误差，而且必须有严格的防护措施，避免射线对人体造成的伤害；而红 外线检测法的不足处是需要一个精确的校正模型，且不适用于少量样品分析 2 7 - 2 9 】。 为了快速准确地在线测量糖液浓度，满足不断进步的工业生产和实验室需求，是极 其重要的。因此，综合考虑各检测方法的弊端，本课题从糖液折射率入手，设计了一套 基于c c d 的快速且高精度糖液浓度检测系统。 1 4 折光法测量糖液浓度的可行性分析 折射率是液体的一个重要物理量，液体的很多物理量( 如温度和浓度) 的变化会伴 随折射率变化，所以很多情况下，通过测量液体的折射率达到测量其浓度、温度的目的 3 0 1 。折射率与入射光的波长、温度密切相关，溶液的折射率还与其浓度呈线性关系。因 此，溶液折射率可表示为： 甩= f ( 2 ，t ，c ) ( 1 - 1 ) 其中a 为射到被测溶液的入射光波长，r 是测量时温度，c 为被测溶液浓度。从上 述函数可以看出，当温度r 和入射光波长五确定时，溶液浓度c 与折射率n 存在对应关 4 浙江工业人学硕士学位论文 系：c = 厂- 1 ( 聆) 。因此，把测量糖液的浓度转化为测量糖液的折射率，通过折光法测量 浓度也成为测量糖液浓度的常用方法之一 3 1 , 3 2 1 。 常用的测量液体折射率的主要方法有测角法、干涉法和y 棱镜法【3 3 】。测角法通常利 用不用折射率的液体其折射角或者全反射角不同这一光学现象，测量出射光线的位置而 换算出折射率；矿棱镜法利用光线在通过相同材料胶合而成的一大一小两个直角棱镜和 待测液体后产生偏向角，从而计算出折射率；干涉法则通过测量变化的单色光干涉条纹 来计算折射率，该方法理论上精度高( 相较于前两种测量方法) 。不过，近年来半导体 以及计算机技术的迅速发展，更多精密的电子器件和光学元件被应用于测量技术，使得 测量精度大大提高【3 4 1 。本课题采用小功率激光半导体作为光源，配上一维线阵c c d 传 感器作为接收器，实现糖液浓度的准确测量。 1 5 本课题主要研究内容 本文通过前期大量文献的调研，结合折光法糖液浓度检测系统实际，选择小波滤波 和线性插值的亚像素边缘检测算法提高系统精度，在适当温度下，通过测量标准配制糖 溶液作标定和查询温度补偿表计算出修正后的糖液浓度。本文的主要研究内容安排如 下： 第一章介绍了课题的研究背景及研究意义，归纳、分析了国内外关于糖溶液浓度的 检测方法现状。针对各检测方法的弊端，提出了基于折光法的糖液浓度检测系统的研究 课题，并论述了该方法的可行性。 第二章阐述了采用折光法测量糖液浓度的原理和光路系统，进而提出了本研究课题 所要达到的具体测量指标。根据测量指标与产品的实际需要，提出了具体的光学系统设 计。 第三章分析c c d 输出图像存在的噪声、畸变等缺陷，提出了基于小波变换的算法 降低图像噪声干扰，并采用基于线性插值的亚像素算法提高系统的测量精度。 第四章根据糖液浓度测量系统的原理，完成主要模块的硬件设计电路，采用p r o t e l 9 9 s e 完成p c b 板设计。 第五章主要分析了糖液浓度测量系统的软件设计方法，对其功能进行划分，并详细 讲解了系统各子模块任务的软件实现流程。 第六章通过实验获得标定曲线，提出了具有温度补偿的检定方法，并对糖液浓度系 统的调试以及试验结果进行重点分析。 第1 章绪论 第七章总结了论文所完成的工作及取得的成果，并提出了一些尚待解决的问题，为 下一步研究提供了方向。 6 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章测量原理及光学系统设计 2 1 测量原理 根据光的折射定律，当入射光线从光密介质( 折射率为甩。) 以入射角谚入射到光疏 介质( 折射率，l ，) 时，光的传播方向会发生改变，如图2 1 所示，在两介质的分界面( 刎) 会发生折射和反射现象，并遵循以下关系： 刀ls i n 6 f = 聆2s i i l 幺 ( 2 1 ) 式中，谚为入射角，只为折射角，且谚 警 ( 2 - 3 ) nd 。 眠 石面a：-a,n ：一 ， 即： 一 一：! 竺l ：二! 型 ( 2 4 ) d1 2 2 a1 2 2 五 取d = 1 5 m m ，2 = 6 5 0 n m ，n 2 = 1 5 1 7 9 ， 1 1 = 1 4 2 0 0 ，选用b a f 8 光学玻璃：n = 1 6 2 5 9 0 ， 那么n 0 2 弋7 e 卜一一。 图2 3 棱镜几何尺寸 c 2 3 1 2 聚光透镜设计 聚光透镜在光学系统的作用是将入射光线形成测量所需要的光锥。对于聚光透镜的 设计包括透镜焦距和通光孔径参数1 4 5 】。 ( 1 ) 透镜焦距 当棱镜的材料与糖液浓度测量范围确定后，光线在检测棱镜中的光锥角a 8 也随之 确定。当光从空气进入棱镜后，光锥角发生变化，如图2 - 4 所示，根据光的折射定律有： ( 2 1 0 ) 其中，a o 为光线在空气中的光锥角，n 。为空气的折射率( n i = 1 ) ，n 为检测棱镜的 折射率。由( 2 1 0 ) 式推导得： a t 1 1 上 吃一疗 i | 、i。，一一、-、 、的一2一彬一2 ，。一一厂 秒= 8 1 4 7 4 。 因此，本课题选用东芝t o l d 9 4 2 1 激光二极管作为光源，发射点直径为2 4 m m ( 取 d = 3 m m ) ，光波长五= 6 5 0 n m ，发光功率为5 m w ，纵向发散角3 5 。，横向发散角1 1 。， 完全满足设计要求。 本课题研究的糖液浓度测量系统，其主要设计的技术指标如下：( 1 ) 测量范围： 5 0 - 9 0 b r i x ；( 2 ) 测量精度0 i b r i x ；( 3 ) 自动温度补偿范围2 0 9 0 。根据上述技术指 标设计以下光学元件。 ，一 、 ， t - 2 戎 ， 、 、 、 、 、 、 、 、 、 w a v el e n g t h 】( n m ) 图2 5c c d 光谱响应曲线 2 4 本章小结 当光线从光密介质照射到光疏介质时，会出现折射与全反射现象，通过该测量原理， 设计了糖液浓度测量系统的光学部分，将整个光学系统分成照明光源的选择与光学元件 1 4 望d”_e u _ l土5 mi 浙江工业人学硕士学位论文 的设计，并给出了具体的设计参数。 1 5 第3 章图像边缘检测算法 第3 章图像边缘检测算法 3 1 图像预处理 科学研究与统计表明，人类从外界获取信号中约有7 5 来自视觉系统，所以人类的 大部分信息是从图像中获得的。可是，在图像的采集与处理的过程中，受图像处理工具 和手段的影响，往往在获得的图像中存在噪声、畸变等等缺陷。因此，在获取图像前对 图像进行预处理是至关重要的。 图像的预处理主要通过对图像像素的运算，从而提高图像质量，包括图像滤波、校 正以及锐化等。在此过程中，虽然预处理的算法简单，但参与运算的数据量较大，并且 会被重复使用。因此，图像预处理过程往往是整个图像处理系统中最为耗时耗力的部分， 却对系统的速度影响较大【4 6 1 。 3 2c c d 的噪声分析 3 2 1 散粒噪声 在均匀光照射下，c c d 器件的各个像元具有非均匀响应性，而且每个c c d 的响应 性都不同，没有一定规律，存在很大的随机性。 光注入光敏区产生信号电荷是随机过程，单位时间产生的光生电荷数目在平均值上 作微小波动，即形成散粒噪声。散粒噪声在所有频率范围内有均匀的功率分布( 白噪声 的特性) ，显然与频率无关【4 7 1 。在低照明度、低反差情况下，当图像信号的其他噪声被 抑制后，散粒噪声成为c c d 器件的主要噪声，决定了器件的极限噪声水平。 3 2 2 暗电流噪声 由于热运动，半导体内部会产生载流子填充势阱，在驱动脉冲作用下被一个个转移， 并且在输出端形成电流，即便是在完全无关的情况下会有暗电流。由热运动产生的暗电 流噪声大小与温度密切相关，一般温度每增加5 6 ，暗电流将增加到原来的两倍；它 还与电荷包在势阱中存储时间长短有关，存储时间越长，暗电流噪声越大；同时，暗电 流的存在也限制了器件的灵敏度和动态范围。在光弱的条件下，c c d 器件长时间积分 1 6 浙江工业大学硕士学位论文 的观测，暗电流将是主要的影响因素。 另外，c c d 器件中心非均匀分布，特别是某些单元位置上的缺陷或杂质的存在可 形成暗电流峰。随着半导体掺杂浓度增大，离表面越近，电场强度也越大，暗电流峰就 越容易出现，因而会给图像背景形成很大的起伏【4 8 】。 3 2 3 转移噪声 转移噪声是电荷在c c d 阵列的势阱间转移过程中形成的，前一个电荷包的电荷未 完全被转移，有一部分电荷残存在势阱中，为后来电荷包造成噪声干扰。转移噪声引起 的根本原因是转移损失、体态俘获和界面态俘获。 3 2 4 输出噪声 c c d 的信号是通过浮置电容将阵列中的电荷转换成电压，并且采用浮置扩散型电 容输出，其输出原理如图3 1 所示。o g 是c c d 末端的输出栅，乃是复位场效应管，乃 是放大场效应管，g 是浮置扩散电容，用来存储电荷。 浮置扩散层 图3 - 1c c d 典型输出电路 疋 i 圪 在像元的输出过程中，复位脉冲九先将g 置为高电平坛，输出脉冲丸驱动下，输 出电荷转移到输出端，对。进行充电，使其两端电压下降，下降幅度与输出电荷量成 正比，通过乃输出。当输出信号圪被后端电路采集后，浮置扩散电容g 被放电，为下 一个像元电荷的转移做好准备。浮置扩散电容的放电通常是通过一个快速开关进行，开 关启动时会有随机温度噪声加在电容上，产生k t c 噪声( k 为波尔兹曼常量，丁为绝对 1 7 第3 章图像边缘检测算法 温度，c 是浮置扩散电容值) 。另外，当c c d 阵列像元输出速度较高时，电容没有足够 的时间放电，每次都会存有剩余电荷，从而使c c d 输出信号发生畸变，称为复位噪声。 3 3 信号采集系统的噪声 由于光电等多种因素的作用，使得采集到的c c d 图像信号中有很多噪声，如加性 噪声、乘性噪声、热噪声和量化噪声等，这些噪声往往与信号交织在一起，如果处理不 得当，就会破坏图像质量。因此，为了选择适当的信号处理方法，首先要了解信号噪声 的特性，我们来分析下信号采集系统的噪声。 3 3 1 高斯噪声 高斯噪声在无线电子学中具有非常重要的意义，噪声电压是大量微小的独立扰动叠 加的结果，因此，噪声电压服从高斯分布，并称为高斯噪声。许多电路元器件加电子管、 电阻等会产生高斯噪声，另外，一些具有其他分布的噪声在通过如放大器这样的窄带线 性电路后会变成高斯噪声。 3 3 2 热噪声 处于热力学零度以上的导体中，由于自由电子的随机热运动并不断与振动的离子随 机碰撞，形成能量的变化，从而产生导体的电阻性。它是温度变化的结构，但是步骤频 率变化的影响，这种由于导体载流子随机热运动而产生的起伏噪声为热噪声。 3 3 3 限带白噪声 理想的白噪声具有无线带宽，因而其能量无限大，其功率谱密度在整个品育内均匀 分布。如果将白噪声通过限宽的滤波器，则输出功率谱具有有限带宽特性，这种具有限 带功率谱的噪声称为限带白噪声。 3 3 4 杂波噪声 它主要产生于传输通道及各种器件，多为无规则的随机信号，其频谱较宽、幅度不 等。图像信号相邻像元、相邻行与帧有较大的相关性，从而杂波噪声具有随机性。 目前，降低噪声而提高信噪比的方法主要有：第一，从芯片的工艺结构考虑，采用 埋沟工艺、磷转移注入存储区的工艺、m p p 技术等，通过改进芯片内部结构来提高信噪 浙汀工业人学硕士学位论文 比；第二，从电路与软件设计考虑，通过抑制各种噪声和剔除电路以及各种c c d 图像 噪声处理算法来寻求更有效的噪声抑制方法。从实际应用角度看，对第二种方法的探索 和研究更具有重要的现实意义，通过对c c d 噪声分析，采用噪声处理算法达到对图像 噪声的最大剔除，为后续的c c d 图像的边缘处理做好准备 4 9 , 5 0 】。 3 4 基于小波变换的去噪算法 由于光电等多种因素的作用，图像在生成和传输过程中易受各种噪声影响与干扰而 破坏图像质量，具体反映在灰度图像上，噪声会使原本平滑且连续变化的灰度突变，即 通常所说的信号发生奇异变化，而噪声和有效边缘均属于高频信号，很容易混淆，导致 要处理的图像变得复杂【5 1 1 。因此，能否有效地消除或抑制噪声将直接影响精度。 传统的去噪方法是将带噪声的信号通过一个滤波器，剔除噪声频率成分，然而这种 方法对于短时瞬态信号、含带宽噪声信号、非平稳过程信号的处理有着明显的局限性 5 2 , 5 3 】。而小波变换具有可进行时频局部分析的特性，并且具有传统方法无法比拟的、非 常灵活的对奇异特征提取及其时变滤波等功能，可在低信噪比的条件下进行有效去噪， 并检测信号的波形特征。 3 4 1 小波去噪的原理 设有如下图观测信号：其中，f ( t ) 为含噪声的信号，s ( f ) 为原始信号，p ( f ) 为方差 为盯2 的高斯白噪声信号，服从n ( o ，盯2 ) 。 ( f ) = s ( t ) + p ( f ) ( 3 1 ) 直接从观测信号f ( t ) 中把有用信号s ( f ) 提取出来是十分困难的，必须借助于小波变 换的方法作为工具。实际工程中，有用信号通常表现为低频信号或者是一些较平稳的信 号，而噪声信号通常为高频信号。由于小波变换在有用信号和噪声中有着不同的传播特 性，通过去噪算法抑制信号中的噪声部分，从而再恢复出原始信号s ( f ) 。 3 4 2 小波去噪步骤的基本思路 一般来说，小波去噪的过程可以分为以下三个步骤： ( 1 ) 先对含噪声信号f ( t ) 作小波变换。选择一个小波并确定分解层次，对信号 厂( f ) 进行层小波变换，得到一组小波系数j 。 1 9 第3 章图像边缘检测算法 ( 2 ) 对小波系数进行处理。选择一个阈值对第一层到第n 层的系数进行量化 处理，得出估计小波系数彬，。 ( 3 ) 利用估计小波系数彬，。进行小波重构，得到估计信号夕( f ) ( 去噪之后的信号) 。 在以上三个步骤中，第二步非常重要，从某种程度上说，如何有效选取阈值与如何 进行阈值的量化，直接关系到信号去噪后的图像质量。 3 4 3 小波基函数 3 4 3 1 几种常见的小波基函数 在小波分析中，因为小波基妨，。( f ) l j 。z 构成r ( r ) ( 表示尺上的平方可积函数空间) 的规范正交基，则任一厂l 2 ( r ) 都可以用小波基来展开成小波级数。 邝) = 竹，。( f ) ( 3 2 ) j ，k = - - 。 其中，d j ，i 为小波系数，c , o j ，t ( f ) 为小波基，且竹，。( f ) = 2 j 2 y ( 2 。t - k ) 。显然，小波 函数有无穷多个，那么小波基也有无穷多组 5 4 1 。 ( 1 ) h a a r 小波 图3 - 2h a a r 小波的尺度函数和小波函数 h a a r 小波是小波分析发展过程中使用的最早的小波，也是最简单的小波，本身就是 一个阶跃函数，解析表达式如式3 3 ，其小波函数与尺度函数如图3 2 所示。 浙江工业人学硕士学位论文 ( 2 ) d a u h e c h i e s 小波 f 1 ， l 伊( x ) = 一1 ， 【0 ， o x 1 2 1 2 石l e l s e w i s e ( 3 3 ) d a u h e c h i e s 系列的小波简写为d b n ，其中n 表示阶数，d b 是小波名字的前缀，她 是由著名小波学者i n g r i dd a u h e c h i e s 创造的。除d b l ( 等同于h a a r 小波外) ，其余的d b 小波函数都没有解析表达式。图3 3 、图3 - 4 分别是d b 3 、d b 7 的尺度函数和小波函数图 形。 图3 3d b 3 小波的尺度函数与小波函数 图3 - 4d b 7 小波的尺度函数与小波函数 ( 3 ) s y m l e t s a ( s y m n ) 小波 s y m 小波的构造类似于d b 小波，两者的差别在于s y m 小波有更好的对称性，更适 合于图像处理，减少重构时的相移。通常表示为s y m n ，n = 2 ，3 ，8 。 图3 5 显示n = 4 时的尺度函数与小波函数。 2 1 第3 章图像边缘检测算法 图3 - 5s y m 2 小波的尺度函数与小波函数 ( 4 ) c o i f l e t ( c o i f n ) d 、波 c o i f l e t 小波也是由d a u h e c h i e s 构造出来的( n - l ，2 ，3 ，4 ，5 ) ，其数学表达式如 式( 3 - 4 ) ，假设s ( x ) 是一个光滑的连续时间函数，对较大的系数_ 有： ( s ，纺。) 2 叫2 s ( 2 7 尼) ( 3 - 4 ) 图3 - 6 为n = 3 时c o i f 3 小波的尺度函数与小波函数。 图3 - 6c o i l 3 小波的尺度函数与小波函数 ( 5 ) m o r l e t 小波 m o r l e t 小波是一个具有解释表达式的小波，但不具备正交性，只能满足连续小波的 可允许条件，其定义为式3 5 ，图形见图3 7 。 伊( 工) = c e l 吖2c o s ( s x ) ( 3 5 ) 浙江工业人学硕士学位论文 图3 7m o r l e t 小波函数 ( 6 ) m e x i c a nh a t 小波 类似于m o r l e t 小波，m e x i c a nh a t 小波同样有解析的小波函数，同样不存在尺度函 数，所以不具有正交性。其解析形式如式3 - 6 ，是g a u s s 函数的二次导数，所有在时域 和频域都有很好的局部化性质，其小波函数图形如图3 - 8 所示。 一 妒( x ) = 万- 1 h ( 1 一x 2 ) p 。- 2 ( 3 - 6 ) 图3 8m e x i c a nh a t 小波函数 3 4 3 2 小波基函数的选取 因为不同的小波基具有不同的时频特性，产生的结果也不同，所以在小波分析中如 何选择小波基至关重要【5 引。合适的小波基选取要考虑小波基的连续性、正交性、对称性、 线性相位、消失矩、时频窗口的中心和半径以及时频窗的面积等特征。m a t l a b 工具 2 3 第3 章图像边缘检测算法 箱中的八个小波函数主要特征见表3 1 。 ( 1 ) 紧支性与衰减性 紧支性与衰减性是小波的重要特性，如果小波妒( f ) 有紧支集，那么称它是紧支的； 如果当tj0 0 时，小波伊( f ) 快速衰减或者具有指数规律衰减，那么称它是急降或急衰5 6 1 。 紧支宽度越窄或者衰减越快，小波的局部化特性越好：紧支小波不需人为地截断，应用 精度很高，但一个函数不可能同时在时域和频域上都是紧支的，顶多在一个域是紧支的， 另一个域是急衰的，但一般希望小波基能在时域上具有紧支性。 ( 2 ) 正则性 正则性实际表现为小波基的可微性，在数学上，通常用l i p s c h i t z 指数k 来表征函 数的正则性。l i p s c h i t z 指数刻画了函数f ( x ) 与局部多项式的逼近程度，而函数与 局部多项式的逼近程度又与函数的可微性相联系。通常对小波要求一定的正则性 ( 光滑性) 是为了获得更好的重构信号，小波函数与尺度函数具有相同的正则性， 此外，消失矩和正则性之间还有很大关系，随着消失矩的增加，小波的正则性变 大，但是，并必能说随着小波消失矩的增加，小波的正则性一定增加，有的反而 变小。 ( 3 ) 消失矩 如果0 m m ( m ，m z ) ，有： ir t m 矿( f ) 以= 0 ( 3 7 ) 则称v ( t ) 有m 阶消失矩。小波消失矩越大，光滑函数在利用小波展开后的零点越 多，它的支撑长度就越大，通常是支撑长度不少于2 n 1 。在分析突变信号时，为了能够 有效地检测出奇异点，选取的小波基必须有足够大的消失矩。 ( 4 ) 对称性 对称或者反对称的小波函数和尺度函数是非常重要的，因为能够构造紧支的 正则小波基，并且具有线性相位。d a u b e c h i e s 已证明，除h a r t 小波基，没有正交 小波满足对称性条件。 ( 5 ) 小波基的时频窗面积 在信号去噪过程中往往需要了解窗函数的时、频窗的中心位置，小波函数的 的时域窗中心与半径为： f = 仁枇) 1 2d t l l 孕 l l i ( 3 8 ) 浙江工业大学硕士学位论文 ( 3 9 ) 频域窗的中心g o + 及半径a c o 也可以按同样的方法计算出来，小波函数的时间一 频率窗口为： b + a t * - a & ，b + a t * + a 垃】【尘一一a t ，尘+ 竺 ( 3 1 0 ) 口口口口 窗面积为4 a t a m ，小的时频窗口面积具有较好的时频局部化能力，窗大小随着 参数a 的变化而改变，参数a 越大，时域窗越宽，频域窗越窄，适合于分析低频信 号，反之，则适用于检测高频信号。 ( 6 ) 线性相位 具有线性相位的小波函数可以避免在对信号进行分析。重构时的相位失真， 令缈( f ) r ( r ) ，如果它的傅立叶变换满足： 伊( 国) = 忉( 缈) k 一4 。 ( 3 1 1 ) a 为实常数，与0 9 无关，类似地： q ( c o ) = 矽( 缈) p 一”+ 6 ( 3 1 2 ) 其中，烈缈) 为实值函数，a ，b 为常数，则称其有广义线性相位。 表3 - 1m a t l a bt 具箱的八个小波函数特征比较 小波函数支撑长度 滤波器长度消失矩阶数对称性 第3 章图像边缘检测算法 h a a r d a u b e c h i e s b i o r t h g o n a l s y m l e t s c o i f l e t s m o r l e t m e x i c a nh a t m e y r l 2 n - 1 重构：2 n 什1 分解：2 n d + l 2 n 1 6 n 1 有限长度 有限长度 有限长度 2 2 n m a x ( 2 n r ，2 n d ) + 2 6 n 2 n 【- 4 ，4 】 【一5 ，5 】 【一8 ，8 】 对称 近似对称 不对称 近似对称 近似对称 对称 对称 对称 3 4 4 小波去噪的模型设计 小波变换就是对信号厂( f ) 进行多尺度数学逼近，可以等效于采用多采样滤波器组将 信号f ( t ) 滤波，由尺度函数沙( r ) 和小波函数妒( f ) 相关的低通滤波器( 缈) 与高通滤波器 g ( 缈) 组成。在小波分解条件下，滤波器间没有重叠的通带部分，并且共同组成了整个 输入信号的频带【5 7 1 。 由于分形噪声( 电子器件噪声、电磁散射、通信上的猝发误差等) 在小波变换域具 有特殊性质，采用小波分析方法处理分形噪声主要包括分形噪声在小波变换域的参数估 计、软阈值滤波。从上述理论出发，本文采用以h a a r 小波小波基函数的阈值去噪方法， 先采用小波分解将带噪声的信号分解为一系列的低频分量和高频分量，然后取一定的阈 值处理细节分量，再通过小波重构，取得去噪后平滑的信号，如图3 - 9 所示。 带噪声信号 输出信号 撇分解卜一软阈 值操 小波重构卜一 作 图3 - 9 基于小波变换的滤波模型 设含噪信号f ( t ) 在尺度l 堋( 1 1 ，由于有用信号在此时的能量较大，占主要部分，闽值的选取不能太大， 以免丢失过多有用信号的细节部分，故： = 仃。1 2 l o g 肛i l n ( j + 1 ) ( 3 2 1 ) 当一1 s n r 】1 ，这个时候，有用信号能量与噪声信号的能量相当，阈值的选取应 该相对高一些，则： 如= m a x ( o r ，) 1 2 l o g ，z l 歹2 ( 3 2 2 ) 当 s n r 】 - 1 ，噪声信号能量较大，此时的阈值选取应该如式( 3 1 9 ) ，系数a 用以 调整以变化快慢，通过实验确定其大小约在0 3 至0 6 之间。因此，阈值选取的流 程图如图3 1 0 所示。 乃= e x p ( a ( 盯。吼) ) 1 2 1