【摘 要】
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激光诱导击穿光谱（LIBS）由于其远距离快速分析的优越性在各个领域中都有着举足轻重的作用,而调焦技术可以使LIBS检测仪检测结果更准确、重复性更高,是LIBS检测的重要一环。该课题基于ZYNQ平台利用自动调焦的方法实现激光准确聚焦到所需位置,从而提升激光诱导下等离子体所发射光谱信号的稳定性。该课题对其实现过程中的图像清晰度评价函数、聚焦位置搜索算法与步进电机控制等多个问题进行了深入的研究。主要工作
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激光诱导击穿光谱（LIBS）由于其远距离快速分析的优越性在各个领域中都有着举足轻重的作用,而调焦技术可以使LIBS检测仪检测结果更准确、重复性更高,是LIBS检测的重要一环。该课题基于ZYNQ平台利用自动调焦的方法实现激光准确聚焦到所需位置,从而提升激光诱导下等离子体所发射光谱信号的稳定性。该课题对其实现过程中的图像清晰度评价函数、聚焦位置搜索算法与步进电机控制等多个问题进行了深入的研究。主要工作如下:1、分析了多种自动调焦方法中存在的优缺点,最后确定采用对焦深度法与测距法结合的自动调焦方式,并给出该自动调焦方法的整体方案框图以及详细的调焦步骤与策略。设计制作了面阵CCD图像采集电路,编写相关程序完成了仿真验证,并通过测试实现了图像的采集与显示。根据传统图像清晰度评价函数极易受到背景像素影响的缺点,采用了一种对所采集图像进行局部框取的图像清晰度评价算法,通过实验验证局部框取评价算法较改进前不仅计算量减少了约50%,而且通过对肉眼可分辨清晰度的图像进行计算,该算法清晰度评价曲线与肉眼分辨的清晰度基本一致,进而证明该算法的可靠性。整个调焦区域内的评价函数曲线也更加接近于理想的评价函数曲线。2、针对调焦过程中必不可少的电机驱动完成了其驱动电路和驱动程序的设计,就步进电机启动时转速过快所导致的力矩过小的问题,加入了梯形加减速算法。对该算法进行仿真验证及实验对比,在梯形加减速算法作用的情况下控制精度更高,加入反馈后相对误差0.022%。3、对比了多种传统的聚焦位置搜索算法的优越性与所存在的不足之处,针对传统搜索算法存在的容易陷入图像清晰度评价函数曲线局部极值的问题,采用了一种基于查表法的爬山搜索法。该算法可以快速有效的跳过局部极值直达聚焦位置附近,于最大值附近通过精度要求倍的小步长快速完成调焦,该方法最终步长与要求精度相同可以充分保证调焦精度在要求之内。
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