«Цифрова обробка інтерферограм»

1 2 3

Ім'я файлу: Повна робота.docx
Розширення: docx
Розмір: 2047кб.
Дата: 28.02.2023
скачати
Пов'язані файли:
ІНДЗ Спортивні споруди.docx
Біографія Роджерса.odt
Приймання товарів у відділ.docx
методична доповідь.doc
Захід Дружба.docx
Реферат ТОХТ.docx
Лабораторна робота №2.doc
33205.doc
Lab№2 ЧМІ.docx
рф1.doc
Гроші і кредит. ДЗ 15.docx

Міністерство освіти і науки України

Харківський національний університет радіоелектроніки

Кафедра Фізичних основ електронної техніки

Курсовий проект

ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА

тема: «Цифрова обробка інтерферограм»

з дисципліни «Оптика»

Керівник: ____________________________________________________

(підпис, дата, посада, прізвище, ініціали)

Студент: _____________________________________________________

(група, підпис, дата, прізвище, ініціали)

Харків 2022

Харківський національний університет радіоелектроніки

Кафедра ________________Фізичних основ електронної техніки________________

Дисципліна Оптика

Напрям ___________________________Оптотехніка

____________________

Курс___________ Група___________________ Семестр___________________

ЗАВДАННЯ

на курсовий проект

Студента: _________________________________________________________ (П.І.Б.)

1. Тема проекту ____________________________________________________

__________________________________________________________________

2. Строк подачі студентом завершеної роботи «_____»______________20__ р.

3. Вихідні дані до роботи ____________________________________________

__________________________________________________________________

4. Зміст розрахунково-пояснювальної записки __________________________

____________________________________________________________________________________________________________________________________

5. Перелік графічного матеріалу (з точною вказівкою обов'язкових креслень)__ __________________________________________________________________

Дата видачі завдання: «____»__________________20__ р.

Керівник проекту: ___________________ ( П.І.Б. )

Завдання прийняв(ла) для виконання: _____________________

КАЛЕНДАРНИЙ ПЛАН

№ п/п	Найменування етапів курсового проекту	Строки виконання етапів проекту	Примітки
1.	Отримання завдання на курсовий проект
2.	Огляд літературних джерел
3.	Постановка завдання
4.	Виконання розрахункового завдання
5.	Оформлення пояснювальної записки та графічної частини проекту
6.	Захист курсового проекту

Студент ______________________

(підпис)

Керівник ______________________ _______________________________

(підпис) (П.І.Б.)

«____»_____________________20__ р.

РЕФЕРАТ

Курсовий проект містить: 35 сторінок, 12 формул, 7 рисунків, 57 літературних джерел.

Дисципліна «Оптика» входить до циклу дисциплін професійної та практичної підготовки за напрямом «Оптотехніка». Однією з найважливіших складових цієї дисципліни є курсовий проект. Курсове проектування є одним із видів індивідуальних завдань навчально-дослідницького характеру, що має на меті не лише поглиблення, узагальнення і закріплення знань студентів з дисципліни, а й застосування їх при вирішенні конкретного фахового завдання і вироблення вміння самостійно працювати з навчальною літературою.

Метою курсового проектування дисципліни «Оптика» є закріплення теоретичних знань студентів про основні фізичні процеси, що мають місце в оптичних приладах, про їх будову, принцип дії, основні параметри та характеристики; набуття практичних навичок самостійного розрахунку реальних пристроїв та засвоєння методів їх проектування (в тому числі автоматизованого).

В даній курсовій роботі буде розглянуто отримання зображень, вимоги до датчика, аналого-цифрове перетворення, вимоги до комп’ютера, оцінка інтерферограми, фільтрування, розпізнавання країв, визначення порядку країв та застосування цифрової обробки інтерферограм.

ОТРИМАННЯ ЗОБРАЖЕННЯ, ВИМОГИ ДО ДАТЧИКА, АНАЛОГО-ЦИФРОВЕ ПЕРЕТВОРЕННЯ, РОЗПІЗНАВАННЯ КРАЇВ, ВИМОГИ ДО КОМП’ЮТЕРА, ОЦІНКА ІНТЕРФЕРОГРАМИ, ФІЛЬТРУВАННЯ, ВИЗНАЧЕННЯ ПОРЯДКУ КРАЇВ, ЗАСТОСУВАННЯ ЦИФРОВОЇ ОБРОБКИ ІНТЕРФЕРОГРАМ

ABSTRACT

The course project contains: 35 pages, 12 formulas, 7 figures, 57 literary sources.

The discipline "Optics" is included in the cycle of disciplines of professional and practical training in the field of "Optotechnics". One of the most important components of this discipline is the course project. Course design is one of the types of individual tasks of an educational and research nature, which aims not only to deepen, generalize and consolidate students' knowledge of the discipline, but also to apply it in solving a specific professional task and develop the ability to work independently with educational literature.

The purpose of the course design of the discipline "Optics" is to consolidate students' theoretical knowledge about the main physical processes that take place in optical devices, about their structure, principle of operation, main parameters and characteristics; acquiring practical skills of independent calculation of real devices and mastering methods of their design (including automated). This coursework will consider image acquisition, sensor requirements, analog-to-digital conversion, computer requirements, interferogram evaluation, filtering, edge recognition, edge ordering, and applications of digital interferogram processing.

IMAGE ACQUISITION, SENSOR REQUIREMENTS, ANALOG-TO-DIGITAL CONVERSION, EDGE DETECTION, COMPUTER REQUIREMENTS, INTERFEROGRAM EVALUATION, FILTERING, EDGE ORDERING, APPLICATION OF DIGITAL INTERFEROGRAM PROCESSING

ЗМІСТ

ВСТУП………………………………………………………………………8

1 ОТРИМАННЯ ЗОБРАЖЕННЯ………………………………………...14

1.1 Вимоги до датчика……………………………………………………16

1.2 Аналого-цифрове перетворення……………………………………..17

1.3 Вимоги до комп'ютера………………………………………………..20

2 ОЦІНКА ІНТЕРФЕРОГРАМИ…………………………………………23

2.1 Фільтрування………………………………………………………….24

2.2 Розпізнавання країв…………………………………………………...26

2.3 Визначення порядку країв……………………………………………27

3 ЗАСТОСУВАННЯ………………………………………………………28

ВИСНОВОК……………………………………………………………….30

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ………………………………31

ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ

ESPI – електронна спекл-інтерферометрія;

DPI – цифрова обробка інтерферограми;

CCD – пристрій із зарядовим зв’язком;

CID – пристрій інжекції заряду;

MOS – металооксидний напівпровідник;

SSI – твердотільний тепловізор;

АЦП – аналогово-цифрове перетворення;

SNR – відношення сигнал/шум;

I/O – ввід/вивід;

DMA – прямий доступ до пам’яті.

ВСТУП

Інтерферометричні методи широко використовуються для кількісних вимірювань полів течії та/або властивостей прозорих рідин. Однак для того, щоб зробити таку оцінку, необхідно провести точний аналіз інтерферограм.

Найпростішим випадком, коли інтерферограма дає пряму, явну інформацію, є плоске двовимірне поле ламінарного потоку, що візуалізується за допомогою інтерферометра еталонного променя з нескінченним вирівнюванням ширини смуги. У цьому випадку кожна смуга представляє геометричне місце постійного показника заломлення рідини (який, залежно від конкретної проблеми, може бути пов’язаний з такими змінними, як щільність, температура або мольна частка), і, таким чином, лише знання порядків смуг і смуги позиції необхідні для кількісного опису поля потоку. У всіх інших випадках реконструкція поля потоку з інтеріерограм потребує використання більш-менш складної процедури оцінки для декодування інтегрованої інформації, яку вони містять [1].

Відправними точками аналізу інтерферограми є точне розташування позицій або зсувів смуг на зображенні та ідентифікація порядків смуг. Інформацію, наявну в інтерферограмі, можна виразити, згідно з Мерцкірхом [2], функцією даних D(x, y), де x і y — координати в площині запису, z — координата в напрямку непорушеного світлового променя. Функція даних може бути пов’язана з розподілом показника заломлення флюїду в досліджуваній секції (фазовий об’єкт) за допомогою:

де R(x, y, z) є функцією показника заломлення рідини та типу інтерферометра, а z₂– z₁ є довжиною тестової ділянки. Функцію даних D(x,y) можна інтерпретувати як розподіл фази вхідного світла на площині інтерферограми (порядок смуги).

Зокрема, для однорідного газу маємо:

відповідно для опорного променя та інтерферометра зсуву. У (2) і (3)

і K відповідно масова густина і постійна Гладстона-Дейла газу,

- довжина хвилі світла, h - відстань між двома інтерферуючими променями світла в досліджуваній секції, Припускається, що напрямок y перпендикулярний до непорушених смуг, а нижній індекс

відноситься до непорушених умов.

Для випадку дифузії ізотермічної подвійної газової суміші [3] маємо відповідно для двох типів інтерферометрів:

де n₁ і n₂ — показники заломлення двох компонентів суміші, обидва оцінені при температурі та тиску суміші, а X₁ — мольна частка одного компонента суміші.

У плоскому двовимірному потоці потрібна лише одна інтерферограма. Інтегрування (1) виконується легко, а зміщення смуг представляють або значення густини (або молярної частки), або значення градієнтної складової в напрямку y тих самих величин, відповідно, для опорного променя та інтерферометра зсуву. Отже, для останнього необхідна інтеграція даних зсуву смуги, щоб отримати профілі густини (або молярної частки).

Для осесиметричного двовимірного потоку [2] потрібна лише одна інтерферограма для обчислення поля показника заломлення. У цьому випадку, якщо радіальна координата r лежить у площині y-z, координата x є віссю симетрії, для поперечного перерізу x = const, рівняння (1) можна переписати як:

Функція показника заломлення для однорідного газу:

для інтерферометра опорного променя:

і для стригучого.

Для ізотермічної бінарної суміші маємо:

для інтерферометра опорного променя:

для стрижки. Слід нагадати [2], що при вирівнюванні кінцевої ширини смуги для інтерферометра еталонного променя D(x,y) = ∆s/s, де ∆s /s – відносний зсув смуги, тоді як для інтерферометра зсуву D (x,y) = (∆s/s)/y. У нескінченному вирівнюванні ширини смуги для інтерферометра еталонного променя D(x,y) = ∆1/λ, де ∆l — різниця довжин оптичного шляху між інтерферуючими променями, тоді як для інтерферометра зсуву D(x,y) = (∆1/λ) /y.

Застосовуючи інверсію Абеля до інтеграла, який з’являється8 в (6), отримуємо таке співвідношення:

Рівняння (11) показує, що при застосуванні інверсії Абеля до інтерферограми, отриманої за допомогою інтерферометра з опорним променем, необхідно використовувати похідну зсуву смуги по відношенню до бічної відстані. Таким чином, можуть виникнути значні похибки, якщо вимірювання зсуву смуги недостатньо точне. Для інтерферограми зсуву потрібно виконати подальшу інтеграцію, щоб обчислити профілі щільності.

Для випадку тривимірних потоків [2]. Процедура оцінки для отримання поля потоку вимагає повної томографічної реконструкції з кількох інтерферограм, кожна з яких зроблена з іншого напрямку огляду. Досліджуваний фазовий об’єкт підрозділяється на N скінченних елементів, а функція показника заломлення R(x, y, z) рівняння 4 (1) вважається постійною в межах кожного елемента. Тоді для кожного світлового променя інтеграл у (1) апроксимується підсумовуванням. Взявши низку інтерферограм під різними кутами огляду, потрібно отримати набір із N (або більше, якщо використовуються узагальнені методи інверсії) рівнянь, щоб розв’язати R_i; невідомі (i = 1, . . . , N).

Як зазначено в рівнянні 1 [2], точність методу зростає зі збільшенням кількості елементів N, і основними проблемами у виконанні процедури оцінювання є пошук відповідного підрозділу поля об’єкта, заміна інтеграла в рівнянні. (1) підсумовуванням або серією відповідних аналітичних функцій і розв’язанням відповідного набору рівнянь. Також вірно, що швидкий і точний метод отримання різних функцій даних, отриманих за допомогою інтерферометричних зображень (які становлять відомі тенми в системі рівнянь), є дуже важливим кроком у виконанні тривимірної процедури оцінювання.

Таким чином, процедура оцінки інтерферограм варіюється від інтегрування градієнтів щільності, візуалізованих інтерферометром зсуву, до інверсії Абеля для осесиметричних полів течії та томографічної реконструкції для тривимірних полів течії.

Класична обробка, необхідна для отримання функції даних D(x, y) з інтерферограми, як правило, складається з тривалої, ретельної процедури, яка включає отримання зображення у формі фотографічної прозорості (позитивної чи негативної), вимірювання положень центру смуги за допомогою оптичний компаратор і чисельне обчислення кривої розподілу зсуву смуг. Цей вид операції, як правило, є дуже трудомістким процесом, який частково залежить від чутливості та здібностей оператора. Щоб підвищити точність, усунути людське судження і, зокрема, обробити великі обсяги даних, автоматизована процедура зчитування та оцінки є дуже потужним інструментом для інтерферометричних методів.

Якщо на інтерферограмі небагато смуг, може виникнути необхідність, щоб збільшити кількість вимірювань, інтерполювати дані про положення смуг шляхом вибору додаткових точок у довільних положеннях у шаблоні смуг. У цьому випадку вкрай необхідна автоматична оцінка граничного порядку, оскільки було б дуже неточно виконувати таку інтерполяцію вручну.

Також можна успішно автоматизувати оцінку таких методів, як спекл-інтерферограми [4, 5], електронна спекл-інтерферометрія (ESPI) [6, 7] та голографічна інтерферометрія [8, 9].

Зростаюча доступність недорогих електрооптичних датчиків, мікропроцесорів і кадрової пам’яті зробила автоматизовану оцінку інтерферограм за допомогою цифрового аналізу дуже привабливою.

Метою цієї глави є визначення деяких критеріїв проектування для різних частин системи, які можуть виконувати цифрову обробку інтерферограм (DPI), і дати короткий огляд як варіантів, які були доступні для кожної з них, так і звичайні методи оцінки інтерферограм.

У сфері динаміки теплової рідини проектування системи DPI вимагає, окрім досвіду візуалізації потоку, знання деяких основних концепцій електроніки та комп’ютерів. Далі найважливіші з них будуть розглянуті з точки зору користувача, залишаючи глибші питання конкретних тем для спеціалізованих посібників.

1 ОТРИМАННЯ ЗОБРАЖЕННЯ

Коли система DPI використовується в експерименті, її слід розглядати як вимірювальний інструмент і розробляти відповідно. Конфігурація системи строго пов'язана з програмою, на яку вона орієнтована. Насправді, витрати можуть легко зрости в десять або сто разів із збільшенням роздільної здатності зображення, але це не дозволить збільшити точність вимірювань, а загалом збільшити час отримання та обчислення.

Залежно від швидкості роботи системи отримання зображень можна класифікувати як реальні або статичні. Системи реального часу повинні бути призначені для сприйняття, оцифровування та передачі зображення за час, який є часткою характерного експериментального масштабу часу. На практиці системи, які використовують відеокамеру, яка має принаймні стандартну частоту оновлення відео (25 або 30 кадрів/с), зазвичай вважаються системами реального часу. Вищої частоти оновлення, як правило, важко досягти. Коли швидкість відео недостатня, альтернативою є спочатку отримання зображень за допомогою фотографічних носіїв, а потім перетворення їх у цифрові дані за допомогою повільнішої (статичної) системи, такої як мікроденситометр [10] (точний, але дуже повільний і дорогий), графічний планшет (дешевий, але повільніший за мікроденситометр і дуже чутливий до людського судження),

Слід підкреслити, що фотографія досі була найкращим засобом отримання та зберігання зображень що йому все ще не зрівнятися з електронними пристроями. Жодна електронна цифрова система ще не може отримати дані з такою щільністю інформації та швидкістю, як, наприклад, стандартна 16-мм кінокамера, не кажучи вже про будь-яку з доступних високошвидкісних фотографічних систем. Вибір з точки зору вартості, можливостей зберігання зображень і швидкості отримання зображень завжди на користь фотографічних носіїв, тоді як для кількісного аналізу потреба в цифровій обробці є навіть більш необхідною. Далі обговорюються лише системи реального часу.

Схематичне розташування основних компонентів стандартної системи DPI показано на рисунку 1. Зображення, отримане інтерферометром, сприймається чорно-білою відеокамерою, підключеною до відеопроцесора, головним чином забезпечуючи отримання зображення як а також інші додаткові функції та монітор. Монітор може візуалізувати або відеосигнал безпосередньо від самої камери для цілей моніторингу, або сигнал від відеопроцесора, повторно викликаний за допомогою цифро-аналогового перетворювача. Відеопроцесор пов'язаний з головним комп'ютером для передачі даних зображення та отримання інструкцій. Він може мати, окрім фундаментальних блоків (наприклад, синхронізм і таймінги, вибірка й утримання, аналого-цифровий перетворювач і пам’ять кадрів).

1 2 3

скачати

© Усі права захищені
написати до нас