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强背景光的高频目标物频谱分析及信息提取研究

作　者: 林浩亮
导　师: 刘南生
学　校: 南昌大学
专　业: 光学
关键词: 复合光学滤波空间滤波熔池视觉传感三维面形测量数字图像处理
分类号: O439
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 17次
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内容摘要

近年来,随着焊接自动化研究的深入开展,人们发现熔池下塌变形与工件的熔透程度有密切的关系,熔池表面的三维信息更能反映焊接状态,熔池表面的三维检测日益受到关注。由于焊接过程强烈的弧光干扰、熔池高温辐射和类镜面反射等使得熔池三维面形信息检测变得十分困难。条纹空间相位测量术是一种非接触、高速在线的光学三维面形传感技术,结构光条纹以一定空间分布形式投向被测物,通过解调位相与高度的关系测量出物体的三维面形,已在工业检测、生物医学、制鞋和服装等领域取得巨大成功,然而对于强烈弧光背景的熔池图像,结构光栅线条纹的光强太弱,不能解调出高度信息。从信息光学的角度出发,把受强电弧光干扰的光栅条纹看成被摄图像,欲提取的光栅条纹是相对的高频物分布,电弧光是相对的低频物分布,它们的傅立叶频谱分布是不一样的,可以用空间滤波方法提取高频信息。因此,熔池表面的三维检测首先要研究强背景光下高频目标物频谱分析及信息提取问题。本文研究弧焊区强背景光和所投影的激光栅线条纹分别在光谱坐标下和空间频谱坐标下的不同分布,研究低焊接电流情况下提取熔池变形光栅条纹所需的光谱窗口和空间滤波器。搭建了适用于平焊熔池面形传感的复合光学滤波系统和光学空间滤波系统,并通过实验提取出强电弧光下熔池表面的变形光栅条纹。分析了熔池图像灰度分布特征,比较了不同图像处理方法的效果,确定出相对较好的方法,并对熔池图像进行了数字图像处理,较好地提取出图像边缘。初步讨论了两级滤波系统的引入对熔池三维面形信息检测的影响,利用空间滤波系统,使拍摄系统的光轴得以垂直于参考平面,简化了熔池面形信息提取的后期数据处理,为进一步提取焊接熔池的三维面形信息创造了有利条件。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-17
  1.1 课题来源及选题意义  8-9
  1.2 熔池信息传感技术  9-11
    1.2.1 力学传感法  9
    1.2.2 声学传感法  9
    1.2.3 电弧传感法  9
    1.2.4 光学传感法  9-11
  1.3 光学三维面形传感  11-15
    1.3.1 三维面形测量方法  11-12
    1.3.2 光学三维面形测量  12-15
      1.3.2.1 被动式三维面形测量  13
      1.3.2.2 飞行时间法  13-14
      1.3.2.3 相位法  14-15
  1.4 本文研究内容  15-17
第二章傅立叶变换轮廓术  17-24
  2.1 测量原理  17-19
  2.2 FTP的相位展开方法  19-21
  2.3 FTP的约束条件  21-23
  2.4 本章小结  23-24
第三章空间滤波  24-36
  3.1 光学空间滤波的原理  24-27
    3.1.1 凸透镜的傅立叶变换特性  24-25
    3.1.2 阿贝成像原理  25-26
    3.1.3 4f系统  26-27
  3.2 窗函数的选择  27-33
    3.2.1 光学空间滤波的卷积表示  27-28
    3.2.2 窗函数对滤波效果的影响  28-30
    3.2.3 三种窗函数进行空间滤波的效果对比  30-33
      3.2.3.1 理论分析  30-32
      3.2.3.2 滤波实验的计算机模拟  32-33
  3.3 空间滤波的实物实验  33-35
  3.4 本章小结  35-36
第四章熔池面形信息测量系统研究  36-66
  4.1 复合光学滤波系统  36-40
    4.1.1 复合光学滤波系统的测量光路  36-37
    4.1.2 熔池面形信息测量原理  37-39
      4.1.2.1 变形条纹相对相位的提取  37-38
      4.1.2.2 相对相位的物理意义  38-39
    4.1.3 激光参数和光谱观察窗口的确定  39-40
  4.2 空间滤波系统  40-46
    4.2.1 空间滤波系统的测量光路  40-41
    4.2.2 空间滤波  41-46
      4.2.2.1 强背景光的高频率目标物频谱分析  41-43
      4.2.2.2 强背景光的高频率目标物信息提取  43-46
  4.3 实验  46-53
    4.3.1 熔池面形信息测量系统的硬件组成  47-49
    4.3.2 拍摄角度的调整  49-52
    4.3.3 熔池图像采集  52-53
  4.4 熔池图像处理  53-64
    4.4.1 编程软件的选择  54
    4.4.2 熔池图像分析  54-57
    4.4.3 图像去噪  57-60
    4.4.4 图像增强  60
    4.4.5 边缘检测  60-64
  4.5 4f系统对测量系统的影响  64-65
  4.6 本章小结  65-66
第五章结论与展望  66-67
  5.1 结论  66
  5.2 工作展望  66-67
致谢  67-68
参考文献  68-72
攻读学位期间的研究成果  72

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