基于CCD的单缝衍射条纹光强测量与小波去噪技术研究

基于CCD的单缝衍射条纹光强测量与小波去噪技术研究 基于CCD的单缝衍射条纹光强测量与小波 去噪技术研究 2006年12月 第26卷第6期 宇航计测技术 JournalofAstronauticMetrologyandMeasurement Dec.,2006 V01.26.No.6 文章编号:1000—7202(2006)06—0059—04中图分类号:TN911.3 基于CCD的单缝衍射条纹光强测量 与小波去噪技术研究 钱光耀赵光兴 (安徽工业大学电气信息学院,安徽马鞍山243002) 文献标识码:A 摘要通过CCD的数据采集对单缝衍射条纹的光强进行测量试验,简要分析了试验中的噪声来源.提出 使用小波技术对CCD的采集信号进行噪声滤除,详细讨论了小波的分解与重构以及在去除噪声中的应用.试验结 果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明,小波技术能完全滤除噪声. 关键词数据采集衍射条纹光强噪声源小波去噪 ApplicationoftheLightSStrengthMeasurement forSingleSlotDiffractionStripesBasedonCCDDetectionand WaveletsDenoiseTechnology QIANGuang—yaoZHAOGuang—xing fInstituteofelectricalengineeringandinformationAnhuiuniversityoftechnology,Maanshan243002) AbstractThelight~intensityofsingleslotdiffractionstripesismeasuredthroughthedataacqulsl— tionofCCDdetection.thesourceofnoiseintheexperimentisbrieflyanalyzed.ThenoiseofCCDdata isfilteredwiththewavelettechnologywhichissetoutinthispaper.Thedecomposingandcomposingof waveletandtheapplicationofitindenoisingal’eparticularlydiscussed.Theresultofexperiment indicatesthatthenoisecanbefilteredcompletelybythewavelet. KeyWOrdsDataacquisitionDiffractionstripesIntensityoflightNoisesourceWaveletde— noise 1引言 在基于CCD的实时检测技术中,需要对CCD 采集曲线进行定位,即对CCD输出数据进行拟合. 多项式最小二乘拟合法川在CCD输出数据处理中 经常被采用,其拟合准确度明显优于中值法和二 值化法.单缝衍射条纹光强的测量是近代物理 收稿日期:2006-07—19 基金项目:安徽省自然科学基金资助(项目编号:03042309). 作者简介:钱光耀(1985一),男,硕士研究生,主要研究方向:光电检测, 智能传感器,小波技术. ? 60?宇航计测技术2006正 中重要的实验,传统的光学实验室采用测量望远镜 或丝杠带动光电池以及用照相法等来测量干涉,衍 射花样的光强分布.随着科技的进步,光学实验室 开始采用CCD对干涉,衍射的光强分布进行测 量.在基于CCD的单缝衍射条纹的光强测量 检测技术中,由于CCD采集的光强信号曲线波纹较 大,采用最小二乘拟合法等方法均产生较大误 差,习惯的拟合方法为中值滤波法(取附近几点数 据的算术平均作为该点值)和集平均法(连续采集 的几帧CCD数据,对光敏元的几帧数据I(n)取算 术平均,作为光敏元n的输出数据).在CCD的单 缝衍射光强测量试验中,曲线经中值滤波法或集 平均法处理后,曲线均仍有波纹(即CCD的输出曲 线极小值点附近仍有好几个极小值点),这是由于 系统噪声较大所致.类似于Fourier变换的去噪方 法,o和频谱拟合去噪方法相继被提出.本文提 出用小波技术对CCD系统噪声进行滤除. 2基于CCD的单缝衍射光强测量 2.1CCD型单缝衍射仪 南京浪博科教仪器研究所研制的LM99PC(微 机型)和LM99MP(示波器型)CCD单缝衍射仪都是 采用了高分辨力的CCD线阵光电传感器.以 LM99PC为例,LM99PC单缝衍射仪/多道光强分布 测量系统用线阵CCD器件接受光谱图形和光强分 布,利用计算机的强大数据处理能力对采集到的数 据进行分析处理,通过直观的方式得到我们需要的 结果.LM99PC具有分辨力高(微米级),实时采集, 实时处理和实时观测,观察方式多样,物理现象显 着,软件功能强大等明显的优点. 一 套完整的LM99PC有光具座,激光器,偏振光 减光器,组合光栅,LM501CCD光强分布测量仪和 CCD采集卡,外加一套计算机组成.CCDWIN5.0 是CCD光强仪采集卡的驱动/工作软件,主要与 CCD光强仪相配合.它提供了对空间光强分布的 实时采集及实时数据处理,并有若干种观测显示方 式;它可以方便地保存和调用数据,或打印出需要的 图形;另外,灵活的参数选择和环境设置更使采集分 析工作更加方便. 2.2光学系统试验简介 实验装置如图1所示,所需实验设备主要有: He—Ne激光器(2mw,220V供电),光学导轨,CCD 摄像头及图像数据采集卡,微机等器件.其中,系统 选用He—Ne激光器作为光源,其发出的(高斯)光 束经扩束后可以看成是平行光,功率为2mw,采用 交流电子稳压电源供电,以提高He—Ne激光器的 稳定性;以偏振光减光器调节光强的大小以适合 CCD器件的采集,为了得到光滑的光强分布二维曲 线,可在激光器与单缝之间放人一个小孔光阑以限 制激光束的大小;组合光栅片选用单缝光栅;光屏选 用毛玻璃光屏;CCD选用南京大学研制的LM501型 线阵CCD,光敏元数为2048个,光敏元的尺寸为14 Ixm×14Ixm,光敏元中心距为14m,光敏元线阵有 限长为28.67mm,在CCD屏上形成衍射图样;图像 采集卡采用OK卡,已插入微机loCI插槽. 实验系统安置在光学导轨上,在暗环境中进行 实验,单缝与光屏之间的距离尽可能满足远场条件 (即大于1.8m),满足光源和所观察的点对障碍物 来说或者是在无限远或者是相当于在无限远时的衍 射.本系统中可视为在无限远的夫琅和费单缝衍 射.系统供电30min后(等待He—Ne激光器工作 稳定)开始测量. 图1CCD测量系统装置示意图 原始采集图像如图2所示,横坐标为光敏元n 个,纵坐标为光强,.(注:CCD输出为电压值,光强 与电压成正比,单位为伏特). 图2实际CCD输出序列 打开CCDWIN5.0连续采集,软件处理后的图 像如图3,其拟合方法为中值滤波法. 从图3可以得知,当=1024时,一级亮纹光强 第6期基于CCD的单缝衍射条纹光强测量与小波去噪技术研究?61? 为中央主极大值,光强最强,绝大部分的光能都落在 中央明纹上.二级亮纹以上基本上被噪声淹没. . 言 图3拟合后CCD输出序列 2.3噪声来源分析 实验结果中的相对误差较大,波纹较多,主要是 由于实验设备简易,干扰因素较多,误差主要来自 于: (1)背景光强及CCD噪声的干扰 本系统实验装置未能配套,不能很好地隔离外 界的较强杂光,而且杂光并不是非常均匀,加之 CCD本身的噪声,给衍射光的提取造成一定的影 响;同时由于实验设备减震不好等因素,造成在测量 中CCD采集的信号在没有任何人为干扰的情况下 也有抖动,这是无法消除的; (2)手动,目视给测量带来误差 由于实验设备的有限,在实验开始时,要调节单 缝光栅在屏上中心点位置,这是由目测完成的,因此 不可避免地存在肉眼误差;同时,实验中手动调节偏 振光减光器也给测量也带来误差; 此外,如实验装置中光学元件与其光路调整时 存在的偏差,光源的不稳定性,光学元件表面的粗糙 度及疵病造成的散射光都会影响有效衍射光的提 取. 上述误差非实验机理方面引起,随着实验条件 的进一步完善可以抑制,实验误差结果表明,本实验 机理的准确度有待进一步实验验证. 3小波去噪技术 由于本CCD系统噪声较大,导致CCD采集的 光强信号曲线波纹较大,采用类似于Fourier变换的 去噪方法5,63,频谱拟合去噪方法等其他几种方 法去噪后的信号仍有波纹,均不能达到良好的去噪 目的.因此,本设计中提出小波去噪方法. 3.1小波分解与重构中的快速塔式算法 小波的快速塔式(Mallat)算法的基本思想是在 每一尺度上,把信号sb:y?解为下一尺度的d和 +具体分解算法为 s=sb:,一chj,+=sb:,一c?=0,.,一1 (1) 式中:.,——最佳尺度;,g,——分别表示h和g中 每相邻两系数间插入2一1个零点构成的新的离散 低通和高通滤波器. 对于一个一维信号,(),用式(1)进行子波分 解,可得信号)在多个不同分辨力下的子波变换 分解信息{s),())川},即有)= J s)+?w2ffx). 相应地,用近似信号和细节信号通过重构滤波 器可以恢复原始信号,小波快速重构算法为 sb:=S.?_hi+w+?i,j=j一1,0 (2) 高分辨力下的小波系数是较低分辨力下的小 波系数与滤波器函数相卷积后,再降样的结果.信号 分别通过低通滤波器H((1))和高通滤波器G(‘1)), 并将输出结果降样(采样点数减半)而得到低频逼 近信号和高频细节信号;低频逼近信号再经过相同 的低通和高通滤波器得到新的在更高分辨力下的低 频逼近和高频细节分量,这样逐次分解直至达到应 用所需的分辨力为止. 在分解尺度为.,时,这种塔式小波分解方法会 得到.,个原信号的高频分量(=1,2,…,.,)(原 始信号的细节)和一个低频分量s(原始信号的近 似),若已经分解出信号的各个频率分量,通过 Mallat重构算法,可以最大限度地恢复原信号.小波 重构算法与分解算法是可逆过程:首先,从母小波基 尺度滤波函数镜像出小波重构的低通和高通滤波函 数;其次,从最高尺度开始,将相应的低频,高频分量 升样(取样点扩大两倍),再分别和低,高频滤波器 进行卷积,将卷积的结果在时域轴上叠加而得到次 高尺度的低频分量.如此逐次迭代,最后恢复原始信 号. 3.2小波除噪 如对于信号)=s()+n(),其中s()为 宇航计测技术2006焦 纯信号,n(x)为噪声信号,噪声与纯信号不相关.采 用小波变换对信号去噪,通常的方法是对.厂()的子 波系数设置一个门限阈值A,把低于A的小波系数 (主要由噪声()引起)设为零,而保存高于A 的(主要由信号()引起),经过这样处理后的 就可以理解为基本上是由信号s()引起的,再利 用式(2)对进行重构,就可得到原始信号的一个 估计).如果在用于逆子波变换的子波系数中尽 可能地滤除噪声的子波系数,则得到的重构信号就 达到了去噪的效果.合适的门限阈值A的选取,对信 号去噪是非常重要的,尽可能地提高信噪比是选取 合适阈值的原则.本设计采用软门限即当数据的绝 对值小于给定的门限时,令其为零,然后把其他数据 向零压缩.采用软门限产生的数据没有不连续点且 具有很好的 数学 数学高考答题卡模板高考数学答题卡模板三年级数学混合运算测试卷数学作业设计案例新人教版八年级上数学教学计划 特性. 图4为根据小波算法对信号进行除噪后输出, 软门限阈值依据上述方法选A:3.9055,变换阶次 选为5,小波函数选为sym8,从图4中可见噪声几乎 完全被滤除,重建后的波形也保留了信号中尖锐陡 峭变化的曲线轮廓,去噪效果良好,可以满意地滤除 CCD输出数据的波纹. o o 图4采用小波去噪后曲线 从图4中可以看出,绝大部分的光能都落在中 央明纹上.暗条纹是以中央明纹为对称轴等间隔的 左右对称分布的,中央明纹两侧的衍射条纹强度逐 次减弱,除了一级亮纹和二级亮纹之外,其他的较高 级次的亮纹都不明显,和中央主极大相比近似为0. 在相同的情况下,选择合适的小波函数对信号 去噪的效果有很大影响.对于CCD采集来的信号, 采用db8,db4,sym8,sym4分别作为小波函数,可以 看出,sym4与db4小波的滤波器长度为8,两者的去 噪运算量相同,sym4的效果要好一些,sym8的效果 要比sym4好,但是其滤波器长度是sym4小波滤波 器长度的两倍,运算量要有所增加. 4结束语 分析比较几种不同去噪方法可见,对于噪声不 太大时,采取类似于Fourier去噪的方法是简单易行 且能达到良好的去噪效果.当噪声很大时,噪声在 频谱的低频段造成影响,此时采用单纯的低通滤波 已经不能达到满意的去噪效果,而采取频谱拟合法 去噪则可以弥补这一缺陷.但是,这一方法的前提 是 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 信号的频谱有其一定的规律性,这对于本系 统来说是可行的,但这一方法不具有普遍适用性;而 小波去噪不具有上述所提及方法的缺陷,它是基于 信号和噪声频谱差异的消噪处理方法,有其明显的 特点,从去噪结果来看,这种消噪方法在获得一定信 噪比改善的同时,对待检信号形式也不太敏感,比较 适用于对,类非平稳信号进行时变滤波. 参考文献 [1]刘丽娟,赵洪,雷旭等.激光衍射测微仪的研究[J].仪 器仪表,1998,19(6):634—637. 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