复杂光瞳波前相位恢复算法与实验验证

由美国喷气推进实验室提出的MGS(modified G-S)算法,是一种基于迭代FFT变换的相位恢复波前传感方法.其中,多离焦面的使用保证算法迭代解具有唯一性,多种相位解包裹方法的引入使得算法既有很高的传感精度又有可观的传感动态范围.但当传感非连通域复杂光瞳时,由于受瞳内遮挡区域的伪包裹相位值影响,路径无关型解包裹算法失效,从而导致MGS算法迭代失败.为此首先对MGS算法做了进一步细节优化,在此基础上设计出一套普适于非连通域复杂光瞳的路径无关型解包裹算法流程,它能根据光瞳实际遮挡排布自适应设定最优解包裹步骤和路径.通过搭建实验光路,验证了该解包裹算法的町行性,并结合干涉测量对改进MGS算法在非连通域复杂光瞳中的波前传感精度做了初步标定.     

一种基于图像融合和卷积神经网络的相位恢复方法

相位恢复法利用光波传输中某一(或某些)截面上的光强分布来传感系统波前,其结构简单,不易受震动及环境干扰,被广泛应用于光学遥感和像差检测等领域.传统相位恢复法采用迭代计算,很难满足实时性要求,且在一定程度上依赖于迭代转换或迭代优化初值.为克服上述问题,本文提出了一种基于卷积神经网络的相位恢复方法,该方法采用基于小波变换的图像融合技术对焦面和离焦面图像进行融合处理,可在不损失图像信息的同时简化卷积神经网络的输入.网络模型训练完成后可依据输入的融合图像直接输出表征波前相位的4-9阶Zernike系数,且波前传感精度均方根(root-mean-square,RMS)可达0.015λ,λ=632.8 nm.研究了噪声、离焦量误差和图像采样分辨率等因素对波前传感精度的影响,验证了该方法对噪声具有一定鲁棒性,相对离焦量误差在7.5%内时,波前传感精度RMS仍可达0.05λ,且随着图像采样分辨率的提升,波前传感精度有所改善,但训练时间成本随之增加.此外,分析了实际应用中,当系统像差阶数与网络训练阶数略有差异时,本方法所能实现的传感精度,并给出了解决方案.     

基于窗口傅里叶变换剪切干涉法波前检测

提出了一种利用二维窗口傅里叶变换从径向剪切干涉条纹中准确得到波前的重建技术。首先对剪切干涉条纹做二维窗口傅里叶变换,设置阈值和频率积分范围后,进行二维窗口傅里叶逆变换,然后对包裹相位做去载频和相位展开处理得到相位差分布,最后使用波前迭代算法从相位差中复原实际波前。模拟计算表明,使用该方法最大相位复原误差为0.82%,均方根值为0.020 9 rad,实验结果验证了该方法的有效性。同时也对窗口傅里叶变换的关键参数,如窗函数的选择、窗口大小的确定以及阈值的选取等进行了简要讨论。与传统傅里叶变换法(FFT)相比,基于窗口傅里叶变换的剪切干涉波前检测法有更高的精度和稳定性,为波前检测提供一种新的处理方法。     

结构光测量中快速相位解包裹算法的讨论

对Schofield等提出的快速傅里叶变换（采用4次傅里叶变换和4次逆傅里叶）解包裹算法和Volkov等提出的相位重建算法（仅采用两次傅里叶变换和一次逆傅里叶变换）进行了讨论,提出基于离散余弦变换的快速相位解包裹算法.指出前两种算法在处理一般带噪音的模拟相位图时具有明显的优势,其处理结果非常接近理想值,而在处理相位变化剧烈或不连续区域的实验相位图（采用四步相移法测量雕刻佛像的三维面形）时出现较大误差,甚至无法处理,而基于离散余弦变换算法能很好的解决这个问题,并且拥有比前两种算法更快的运算速度.在实际应用中,针对不同的相位图把Schofield所提出的算法与基于离散余弦变换的算法结合起来,可以解决大部分相位解包裹问题.     

光学干涉图像处理中基于质量权值的离散余弦变换解包裹相位

为减少噪声对相位恢复过程的影响,快速得到正确的解包裹相位,提出了一种改进的相位解包裹方法——加权离散余弦变换解包裹算法。该方法把离散余弦变换和标识相位数据好坏的质量权值结合起来,兼有速度快和可靠度高的优势。为验证此算法,对模拟和实验得到的包裹相位图添加随机噪声和散粒噪声,同时采用加权与非加权离散余弦变换算法进行处理,所得到的解包裹结果与未加噪声的解包裹相位值进行比较,结果表明,通过加权离散余弦变换算法恢复的相位图比非加权离散余弦变换算法所恢复的相位图更接近于理想值,而且两种算法的运行速度基本相同,这证明提出的算法不仅保证了效率高的优点,而且所恢复的解包裹相位具有较好的噪声免疫能力和可靠度。     

基于混合优化算法的分块镜共相位误差校正

对采用分块拼接式主镜的大口径空间望远镜,有必要研究适合在轨应用的共相位误差校正方法。以像清晰度函数作为评价函数,通过仿真分析了单色光和白光照明2种情况下分块镜共相位误差与评价函数的变化关系。仿真结果表明:采用单色光照明时,分块镜平移误差校正的动态范围小于0.5λ;采用白光照明时,评价函数存在局部极值,必须采用全局最优化算法。仿真结果表明,当平移误差大于0.5λ时,采用随机并行梯度下降(SPGD)算法易陷入局部极值,而采用遗传算法(GA)可以搜索到全局最优解,但迭代速度较慢。提出了采用基于SPGD算法和遗传算法的混合优化算法校正分块镜共相位误差。当平移误差在[-λ,+λ]范围内时,混合优化算法的校正精度可优于10 nm。     

基于GS加权改进算法的相位恢复

阐述了GS算法用于相位恢复的原理,并对算法的应用范围进行了扩展,不再局限于已知光瞳面和焦平面光强的情况。仿真中,选取了光束自由传输的两个垂轴截面,利用光强分布,采用了GS迭代算法对常见的几种波前畸变进行了恢复。针对相位恢复中GS算法收敛速度慢和精度低的问题,提出了迭代过程中,在光束输入端和输出端分别进行加权改进,给出了加权系数取值范围。仿真结果表明,这种改进有利于算法跳出局部极值,在加权值取1.2时,针对象散像差的恢复中,速度和精度提高了2倍左右,对一些其它常见像差的恢复精度也有所提高。     

快速傅里叶算法在哈特曼夏克传感器波前重构算法中的应用

提出了一种应用快速傅里叶变换算法提高哈特曼－夏克波前传感器波前重构实时性的快速算法，在根据波前斜率值应用最小二乘法估计波前相位的过程中，应用快速傅里叶变换算法进行方程的对角化和相位值的解耗，算法精站度，稳定，空间分辨率越高，算法实时性的优越性就越显著。     

图像噪声对相位变更波前传感的影响研究

相位变更(PD)方法是一种基于两个或多个不同离焦面图像来恢复光瞳畸变波前相位的光学波前传感技术.它使用相对简单的光学系统,运用统计最优化计算方法,借鉴图像处理中的一些技术手段,在得到波前信息的同时,还可以得到目标的清晰像.但当图像存在噪声时,用于优化算法的误差函数会出现许多局部极值点,这会影响算法的收敛速度,共至会导致算法陷入局部极值而得不到正确的估计解.为消除这些影响,需对图像进行降噪处理.在实际光学系统中,由于光瞳大小的限制,实际得到图像的高频信息一般要远少于低频信息,所以宜使用低通滤波器对图像进行滤波.仿真中通过比较各种滤波器性能,针对含有加性高斯噪声的图像,采用了对图像模糊影响较小的巴特沃思(Butterworth)低通滤波器.研究结果表明,利用滤波器处理后的图像,相位恢复结果的均方根误差(RMsE)比未使用滤波器有明显下降.     

谱域相位显微成像的相位解包裹

提出了一种应用于谱域相位显微成像的相位解包裹方法。利用傅里叶变换及合成波长相位计算方法分别得到具有较小噪声的包裹相位和具有较大噪声的解包裹相位,利用解包裹相位与包裹相位之差计算包裹相位的包裹次数,以此对具有较小噪声的包裹相位进行解包裹。该方法消除了现有方法引入的边界分段错误。建立了一种基于合成波长的谱域相位显微成像系统,使用压电位移台定量验证了该系统可以用于大梯度边界的相位解包裹,并进行了红细胞和倾斜镜面的相位成像。该系统在空气中的位移灵敏度为0.043 nm。     

基于相位恢复的无调制四棱锥波前传感器

四棱锥波前传感器具有能量利用率高和空间采样率高的优点,已成功应用于天文自适应光学、镜面检测及显微成像等领域。提出一种新的无调制四棱锥波前传感器,根据四棱锥波前传感器的光场传播模型,利用相位恢复算法迭代优化出待测波前。入射光经四棱锥锥尖分光后会聚所得的子光瞳像为相位恢复算法提供了丰富的信息,使其收敛速度加快。数值模拟结果表明,基于相位恢复的四棱锥波前传感器具有精度高、收敛速度快、抗噪性好等特点,并且无需调制便能获得较大的动态范围。     

单幅载频条纹图的相位恢复新算法

针对单幅载频变形条纹图的相位重构问题,提出了一种快速、高精度和免解包裹的相位恢复新算法。该算法利用两次希尔伯特(Hilbert)变换法从单幅条纹图中分离出正弦分量和余弦分量,然后由这两个分量计算出相位的斜率,对水平和垂直两个方向上的相位斜率进行积分,最后得到全场相位分布。计算机模拟和实验结果表明,该算法仅需一幅变形条纹图即可很好的恢复全场相位分布。与传统的傅里叶方法相比,该算法不需要解包裹处理,简化了计算量,避免了相位解包裹过程带来的误差,并且对阴影和相位不连续点不敏感。     

相位差异法探测波前的误差分析及消除方法

针对附加像差为离焦模式的相位差异波前探测技术在实际工程应用中遇到的各类误差问题,以探测拼接型望远镜的共相误差为例,通过数值仿真对焦面位置误差、离焦量误差、图像对准误差、曝光延时误差及噪声误差对波前探测精度的影响进行了定量分析。并提出了通过改进相位差异算法进行消除相应误差项的方法,使得波前探测的均方根误差分别由校正前的0.06λ、0.0581λ、0.0754λ、0.0796λ、0.0737λ分别下降为5.8834×10-4λ、6.664×10-4λ、3.5853×10-5λ、6.1837×10-5λ、0.0013λ,且对于各误差项在较大误差范围内,仍可以保持上述相同量级的波前探测精度。结果表明:该方法可以有效地消除误差,大幅度提高波前传感精度,对于相位差异波前探测技术在实际工程中的应用具参考意义。     

欠采样包裹相位图的恢复方法

针对非球面光学元件面形检测中的欠采样问题,提出了一种欠采样包裹相位图的恢复方法.首先,将原始欠采样包裹相位图在水平和竖直两个方向进行一个像素的错位相减,得到两个包裹相位差图.其次,对这两个包裹相位差图进行解包裹运算,得到两个解包裹相位差图.最后,应用傅里叶变换和最小二乘法恢复出连续的相位分布.模拟结果表明该方法可以高精...     

基于圆载频干涉图相位解调技术的点衍射干涉术

为测量光学系统出射波前以及动态波前,提出一种基于圆载频干涉图相位解调技术的点衍射干涉术。在传统点衍射干涉仪中调整点衍射板轴向离焦量引入圆载频,通过二阶极坐标变换可以将圆载频干涉图转换为具有准线性载频特征的干涉图,从而在频域中将连续频谱转换为准离散谱,采用傅里叶变换法即可提取相位。仿真波面为利用36项Zernike多项式随机生成,在离焦17λ条件下相位恢复误差的均方根值为0.002λ。实验测量了F/10标准镜头岀射波面,测量结果与SID-4波前探测器一致;实验还实现了有机玻璃材料吸收特性的动态检测。因此采用该技术能够实现光学系统的检测以及动态波面实时测量。     

FFT动态相位重建算法的滤波窗影响分析

为了优化相位重建算法，针对波面干涉图的傅里叶频谱，分析了不同滤波窗口的分布特征和频谱响应，通过计算机仿真和实验测试，确定了FFT动态相位重建算法的最佳滤波窗口类型。其中处理仿真干涉图重建的波面与原始波面的波面峰谷值残差为0.008 5λ，波面均方根值残差为0.000 1λ；处理实验干涉图获得的波面与移相干涉测量法获得的波面峰谷值残差为0.009 3λ，波面均方根值残差为0.000 5λ。结果表明:选取Hamming窗进行滤波处理并重建的相位经拟合后得到的波面较参考波面的面形残差最小，相位重建精度优于0.01λ，可进一步应用于大口径光学元件的测量中。     

基于模拟退火的傅里叶变换成像光谱仪干涉图相位修正

相位修正是傅里叶变换成像光谱仪光谱复原的关键技术之一,针对现有算法对带有噪声的干涉图相位修正不足的问题,文章提出了一种基于模拟退火算法求解相位误差的修正方法.该方法通过控制相位下降函数,利用相位区间内产生的随机相位值修正干涉图数据得到同标函数值,依据Metropolis准则判断目标函数增最以确定相位最优解.该算法仿真结...     

基于红蓝宝石光纤传感头的多通道光纤温度传感器

为了实现从室温到1000℃范围内的多点温度实时测量,基于红蓝宝石光纤传感探头,研制了一种连续快速温度测量的多通道光纤温度传感器.该系统结合了荧光测温和辐射测温原理,可同时测量8个传感探头的温度随时间的变化信号.提出基于面积平衡计算的数字迭代算法用来计算荧光寿命.与快速傅里叶变换算法的仿真对比结果表明,该算法计算速度快、抗噪声能力强、结果稳定性好、测量精度高.对系统进行长期的温度和稳定性实验,结果表明该系统具有较高的稳定性和测量精度,测温范围从室温到1000℃,精度达±1℃.     

基于迭代的傅里叶望远镜图像重构方法

为了提高最终图像的质量,结合传统的直接重构算法和相位重构算法,提出了一种基于迭代的傅里叶望远镜图像重构方法。对反演得到的傅里叶频谱进行逆傅里叶变换得到直接重构图像,取直接重构图像的阈值图像作为相位重构算法的初始输入,通过迭代能够获得质量更高的图像。成像仿真实验结果表明,成像信噪比为50倍时,与直接重构图像相比,迭代重构图像斯特列尔比从0.82提高到0.88,峰值信噪比从17dB提高到19dB;在成像信噪比为100倍时,迭代重构图像斯特列尔比从0.89提高到0.93,峰值信噪比从20dB提高到22dB。     

基于双曲初始相位的GS改进算法

针对Gerchberg-Saxton(GS)算法对初始相位敏感、散斑噪声难以消除的问题,提出一种改进的GS算法.引入双曲面初始相位形式,通过迭代寻优算法,获得最佳相位参数,再通过迭代傅里叶变换优化算法进行优化,并用爬山算法进行邻域寻优,最后得到最佳的衍射光学元件相位分布.以方形光斑为例,用改进的GS算法和传统GS算法分...