CN110363786A - 基于贝叶斯融合的单晶炉液位检测激光光斑中心定位方法 - Google Patents

基于贝叶斯融合的单晶炉液位检测激光光斑中心定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于贝叶斯融合的单晶炉液位检测激光光斑中心定位方法，首先在被测硅熔液液面上方分别安装线状激光器和CCD相机，激光器发射激光线经过液面反射后，由CCD相机接收，然后调整线状激光器，使图像中的线激光与图像水平方向平行，再利用帧间差图像分割方法对图像进行分割，得到所有激光光斑在图像中的像素点坐标，最后利用贝叶斯融合算法根据激光光斑的所有像素点的坐标，计算得到光斑中心位置，本发明解决了现有技术中存在的激光三角法测量液位时由于液面波动导致激光光斑变散，光斑中心坐标难以计算的问题。

Description

基于贝叶斯融合的单晶炉液位检测激光光斑中心定位方法
技术领域
本发明属于非接触式激光测量技术领域，具体涉及一种基于贝叶斯融合的单晶炉液位检测激光光斑中心定位方法。
背景技术
激光测量技术由于其具有稳定性好、精度高等优点，被广泛应用于空间坐标定位、测距、定位、制导、通讯等领域。直拉硅单晶生长过程中的硅熔液液位检测对提高硅单晶品质、控制缺陷是至关重要的，激光三角测量法是目前的主要方法。在对液位进行检测时，液面不可避免地会发生波动，使形成的激光光斑变为不规则的形状或者变成多个小光斑，甚至丢失。对此，直接采用霍夫变换或重心法确定光斑中心坐标较为困难，因此，如何定位激光光斑坐标中心以实现对硅熔液液位的精确测量成为激光三角法检测液位的一个技术难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于贝叶斯融合的单晶炉液位检测激光光斑中心定位方法，解决了现有技术中存在的激光三角法测量液位时由于液面波动导致激光光斑变散，光斑中心坐标难以计算的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种基于贝叶斯融合的单晶炉液位检测激光光斑中心定位方法，在被测硅熔液液面上方分别安装线状激光器和CCD相机，激光器发射激光线经过液面反射后，由CCD相机接收，然后调整线状激光器，使图像中的线激光与图像水平方向平行，再利用帧间差图像分割方法对图像进行分割，得到所有激光光斑在图像中的像素点坐标，利用贝叶斯融合算法根据激光光斑的所有像素点的坐标，对光斑中心坐标进行精确定位。
本发明的特点还在于，
具体按照以下步骤实施：
步骤1、在被测硅熔液液面上方水平间隔一段距离分别安装线状激光器和CCD相机，激光器按预先设定好的角度发射激光线，经过液面反射后，由另外一侧的CCD相机接收，调整线状激光器，使图像中的线激光与图像水平方向平行；
步骤2、通过线状激光器发射线形激光光束，激光光束经液面反射，在面阵CCD摄像机中成像，激光光斑形状在图像中呈一条直线，由面阵CCD摄像机采集激光光斑图像；
步骤3、对面阵CCD摄像机采集的激光光斑图像进行帧间差处理，即用第n帧图像减去第n-1帧，然后利用预先设定的阈值对结果进行分割，得到二值化图像，设第n帧二值化图像的所有激光光斑像素点坐标为(xi,yi)，i＝1,...,M，M为激光光斑像素点总数；
步骤4、定位激光线在图像中的中心纵坐标。
步骤1中在单晶炉炉盖上设计线状激光器窗口和面阵CCD摄像机接收窗口，线状激光器窗口和面阵CCD摄像机接收窗口直径分别为50mm和100mm，在线状激光器窗口安装线性线状激光器即激光光源，在面阵CCD摄像机接收窗口安装面阵CCD摄像机，两窗口的中心连线距离整个单晶炉中心180±10mm，激光光束入射角为18度，激光光线入射点距离整个炉体中心的水平距离大于160cm，小于相应热屏半径，线状激光器发射的激光光束入射液面的位置在晶体边缘与热屏之间，上述安装位置和光路设计保证激光光束通过液面反射在CCD摄像机中成像。
步骤2中由面阵CCD摄像机对激光光斑图像进行采集，由于液面波动的影响，采集的图像中包含若干个分散的光斑，其中三种典型图像具体为：含有一处激光光斑的图像、含有两处激光光斑的图像、以及含有三处以上激光光斑的图像。
步骤4具体按照以下步骤实施：
步骤4.1、定义第n帧图像所有光斑像素点的纵坐标为测量数据Y＝(y1,y2…yM)，将Y作为贝叶斯估计的数据集，y1,y2…yM分别为第1,2…M处像素点的纵坐标值，最终激光光斑中心纵坐标最优估计值为μ，则μ的后验概率为
参数μ服从正态分布μ0,分别为数据集Y＝(y1,y2…yM)的均值与方差，且yk服从k＝1,2…M，μ0,为yk的均值与方差，并令α是与μ无关的常数，因此
步骤4.2、式(2)中的指数部分为μ的二次函数，因此p(μ|y1,y2…yM)仍为正态分布，假设其服从μN,分别为其均值与方差，则
步骤4.3、结合式(2)、式(3)得
因此μ的贝叶斯估计值为
步骤4.4、通过式(4)计算得到线激光位置的光斑中心坐标为
至此，激光光斑中心精确定位。
本发明的有益效果是，一种基于贝叶斯融合的单晶炉液位检测激光光斑中心定位方法，对光斑成像变散后的区域逐个计算光斑所在的所有像素点纵坐标，然后对这些纵坐标进行贝叶斯估计得到激光光斑中心的估计值，提高激光光斑中心定位的鲁棒性，该方法有效地解决了CCD摄像机采集到的图像中光斑成像变散后而难以计算光斑中心位置的问题。将本发明方法用于直拉硅单晶炉液位检测，利用贝叶斯估计对硅熔液液面激光光斑进行估计，得到光斑中心来计算单晶炉液位，抑制了由于液面波动等干扰对液位测量结果的影响，满足单晶炉液位检测系统的要求。
附图说明
图1是本发明检测方法的检测原理图；
图2是调整后激光线与图像水平方向平行的示意图；
图3(a)是本发明检测方法中CCD摄像机采集到的含有一处激光光斑的液面图像；
图3(b)是本发明检测方法中CCD摄像机采集到的含有两处激光光斑的液面图像；
图3(c)是本发明检测方法中CCD摄像机采集到的含有三处以上激光光斑的液面图像；
图4(a)是对图3(a)经过帧间差后的二值化结果图；
图4(b)是对图3(b)经过帧间差后的二值化结果图；
图4(c)是对图3(c)经过帧间差后的二值化结果图；
图5是本发明检测方法在液面静止时利用贝叶斯估计得到的光斑中心坐标数据。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种基于贝叶斯融合的单晶炉液位检测激光光斑中心定位方法，在被测硅熔液液面上方分别安装线状激光器和CCD相机，激光器发射出来的激光光斑形状呈一条直线，激光器发射激光线经过液面反射后，由CCD相机接收，然后调整线状激光器，使图像中的线激光与图像水平方向平行，再利用帧间差图像分割方法对图像进行分割，得到所有激光光斑在图像中的像素点坐标，利用贝叶斯融合算法根据激光光斑的所有像素点的坐标，对光斑中心坐标进行精确定位。
具体按照以下步骤实施：
步骤1、在被测硅熔液液面上方水平间隔一段距离分别安装线状激光器和CCD相机，激光器按预先设定好的角度发射激光线，经过液面反射后，由另外一侧的CCD相机接收，其中，如图1所示，在单晶炉炉盖上设计线状激光器窗口和面阵CCD摄像机接收窗口，线状激光器窗口和面阵CCD摄像机接收窗口直径分别为50mm和100mm，在线状激光器窗口安装线性线状激光器即激光光源，在面阵CCD摄像机接收窗口安装面阵CCD摄像机，两窗口的中心连线距离整个单晶炉中心180±10mm，激光光束入射角为18度，激光光线入射点距离整个炉体中心的水平距离大于160cm，小于相应热屏半径，线状激光器发射的激光光束入射液面的位置在晶体边缘与热屏之间，上述安装位置和光路设计保证激光光束通过液面反射在CCD摄像机中成像。然后调整线状激光器，使图像中的线激光与图像水平方向平行，如图2所示；
步骤2、通过线形线状激光器发射线形激光光束，激光光束经液面反射，在面阵CCD摄像机中成像，由面阵CCD摄像机对激光光斑图像进行采集，由于液面波动的影响，采集的图像中包含若干个分散的光斑，其中三种典型图像具体为：含有一处激光光斑的图像、含有两处激光光斑的图像、以及含有三处以上激光光斑的图像。
步骤3、对面阵CCD摄像机采集的激光光斑图像进行帧间差处理，即用第n帧图像减去第n-1帧，然后利用预先设定的阈值对结果进行分割，得到二值化图像，设第n帧二值化图像的所有激光光斑像素点坐标为(xi,yi)，i＝1,...,M，M为激光光斑像素点总数；
步骤4、计算激光线在图像中的纵坐标，具体按照以下步骤实施：
步骤4.1、定义第n帧图像所有光斑像素点的纵坐标为测量数据Y＝(y1,y2…yM)，将Y作为贝叶斯估计的数据集，y1,y2…yM分别为第1,2…M处像素点的纵坐标值，最终激光光斑中心纵坐标最优估计值为μ，则μ的后验概率为
参数μ服从正态分布μ0,分别为数据集Y＝(y1,y2…yM)的均值与方差，且yk服从k＝1,2…M，μ0,为yk的均值与方差，并令α是与μ无关的常数，因此
步骤4.2、式(2)中的指数部分为μ的二次函数，因此p(μ|y1,y2…yM)仍为正态分布，假设其服从μN,分别为其均值与方差，则
步骤4.3、结合式(2)、式(3)得
因此μ的贝叶斯估计值为
步骤4.4、通过式(4)计算得到线激光位置的光斑中心坐标为
至此，激光光斑中心精确定位。
实施例
采用波长为650nm的线形半导体激光器作为激光光源，面阵CCD摄像机作为接收装置。
通过CCD摄像机采集的图像如图3(a)～3(c)所示，图3(a)～3(c)分别是线激光光斑成像受波动影响形成若干个分散光斑的三种典型图像，分别为包含一处激光光斑、两处激光光斑和三处以上激光光斑的CCD采集图像；对这三种典型图像进行帧间差处理，即利用当前帧图像减去上一帧图像，再通过设定好的阈值进行阈值分割得到激光光斑区域，如图4(a)～4(c)所示，分别为对图3(a)～3(c)进行帧间差和阈值分割后的二值化图像，从图4(a)～4(c)可以看出本方法对图3(a)～3(c)处理后能够呈现出明显的激光光斑效果，具有很好地去燥作用。液面静止时经过贝叶斯估计得到的激光光斑中心纵坐标如图5所示，从图5中可以看出单晶炉液面在400像素左右存在微小的波动，波动在10个像素之内，脉冲噪声不再出现，本发明方法能够抑制由于液面波动对测量结果的影响。

Claims (5)

1.一种基于贝叶斯融合的单晶炉液位检测激光光斑中心定位方法，其特征在于，在被测硅熔液液面上方分别安装线状激光器和CCD相机，激光器发射激光线经过液面反射后，由CCD相机接收，然后调整线状激光器，使图像中的线激光与图像水平方向平行，再利用帧间差图像分割方法对图像进行分割，得到所有激光光斑在图像中的像素点坐标，利用贝叶斯融合算法根据激光光斑的所有像素点的坐标，对光斑中心坐标进行精确定位。
2.根据权利要求1所述的一种基于贝叶斯融合的单晶炉液位检测激光光斑中心定位方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、在被测硅熔液液面上方水平间隔一段距离分别安装线状激光器和CCD相机，激光器按预先设定好的角度发射激光线，经过液面反射后，由另外一侧的CCD相机接收，调整线状激光器，使图像中的线激光与图像水平方向平行；
步骤2、通过线状激光器发射线形激光光束，激光光束经液面反射，在面阵CCD摄像机中成像，激光光斑形状在图像中呈一条直线，由面阵CCD摄像机采集激光光斑图像；
步骤3、对面阵CCD摄像机采集的激光光斑图像进行帧间差处理，即用第n帧图像减去第n-1帧，然后利用预先设定的阈值对结果进行分割，得到二值化图像，设第n帧二值化图像的所有激光光斑像素点坐标为(xi,yi)，i＝1,...,M，M为激光光斑像素点总数；
步骤4、定位激光线在图像中的中心纵坐标。
3.根据权利要求2所述的一种基于贝叶斯融合的单晶炉液位检测激光光斑中心定位方法，其特征在于，所述步骤1中在单晶炉炉盖上设计线状激光器窗口和面阵CCD摄像机接收窗口，线状激光器窗口和面阵CCD摄像机接收窗口直径分别为50mm和100mm，在线状激光器窗口安装线性线状激光器即激光光源，在面阵CCD摄像机接收窗口安装面阵CCD摄像机，两窗口的中心连线距离整个单晶炉中心180±10mm，激光光束入射角为18度，激光光线入射点距离整个炉体中心的水平距离大于160cm，小于相应热屏半径，线状激光器发射的激光光束入射液面的位置在晶体边缘与热屏之间，上述安装位置和光路设计保证激光光束通过液面反射在CCD摄像机中成像。
4.根据权利要求2所述的一种基于贝叶斯融合的单晶炉液位检测激光光斑中心定位方法，其特征在于，所述步骤2中由面阵CCD摄像机对激光光斑图像进行采集，由于液面波动的影响，采集的图像中包含若干个分散的光斑，其中三种典型图像具体为：含有一处激光光斑的图像、含有两处激光光斑的图像、以及含有三处以上激光光斑的图像。
5.根据权利要求2所述的一种基于贝叶斯融合的单晶炉液位检测激光光斑中心定位方法，其特征在于，所述步骤4具体按照以下步骤实施：
步骤4.1、定义第n帧图像所有光斑像素点的纵坐标为测量数据Y＝(y1,y2…yM)，将Y作为贝叶斯估计的数据集，y1,y2…yM分别为第1,2…M处像素点的纵坐标值，最终激光光斑中心纵坐标最优估计值为μ，则μ的后验概率为
参数μ服从正态分布μ0,分别为数据集Y＝(y1,y2…yM)的均值与方差，且yk服从k＝1,2…M，μ0,为yk的均值与方差，并令α是与μ无关的常数，因此
步骤4.2、式(2)中的指数部分为μ的二次函数，因此p(μ|y1,y2…yM)仍为正态分布，假设其服从μN,分别为其均值与方差，则
步骤4.3、结合式(2)、式(3)得
因此μ的贝叶斯估计值为为：
步骤4.4、通过式(4)计算得到线激光位置的光斑中心坐标为
至此，激光光斑中心精确定位。
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