三种基本相位展开算法及其融合算法的性能比较

在现有的各种先进的计量技术[如光学干涉测量、光学三维传感、卫星雷达干涉测量(SAR)以及核磁共振成像(MRI)]中,二维相位展开是后期数据处理的关键步骤。通过仿真模拟存在噪声干扰的情况,比较了空间相位展开常用方法中的枝切法、最小不连续法、快速相位展开算法这三种算法的抗噪性能。结果显示相对于另外两种算法,最小不连续法具有较好的抗噪性能,但其耗时却远大于其他两种算法。综合三种算法的优缺点,提出将枝切法和快速相位展开算法分别与最小不连续法融合的两种算法。所提算法既利用了枝切法与快速相位展开算法展开速度快的优点,又利用了最小不连续法抗噪性能强的优点,使得融合后的两种算法展开速度提升的同时,又保证了相位展开的准确性。仿真模拟和实际实验结果验证了所提算法的有效性。     

FTIR单边干涉图相位校正技术的研究与改进

基于傅里叶变换红外光谱仪干涉图的单边过零采样和非对称性,对相位校正技术进行研究和改进。针对Mertz乘积法对切趾函数的匹配性要求高,干涉图非对称切趾旁瓣抑制效果差、光谱分辨率低的缺点,综合Mertz法和Forman法的特点提出一种改进的相位校正方法。采用对称化方法将单边干涉图变换为双边干涉图、对称切趾、傅里叶变换重建功率谱,并采用对称化的双边干涉图傅里叶变换求取高分辨率的相位谱,提高相位校正的精度。通过仿真分析了非对称窗函数较对称窗函数有比较宽的主瓣宽度、高的旁瓣幅值,分辨率降低;实验验证该改进的相位校正方法功率谱误差小、计算量少,且光谱分辨率比较高,达到2cm-1。     

用伽柏小波作干涉波前重建

在分析傅里叶相位展开法中存在的一阶频谱定位误差的基础上,尤其针对实际工作中非严格均匀参考条纹干涉图的相位展开问题,提出基于伽柏小波的局域匹配滤波方法,构造多通道伽柏滤波器,得到在Ｍａｌｌａｔ极大模意义下的最佳匹配相位。     

基于取整最小二乘的全局相位展开新方法

基于取整操作和全局最小二乘,提出了一种快速简单的相位展开算法;不同与传统的相位展开方法,该算法通过一种非迭代的和健壮的方法来处理相位跳变部分的梯度;因此,降低了残差点的传播和平滑的影响;并用提出的算法与四种经典的相位展开算法:切枝法、最小费用流法(MCF)、质量图导向(QG)和快速傅里叶变换(FFT)进行对比;通过计算机模拟和实验结果表明:该算法仅仅需要与FFT方法相接近的较低的运算时间,就能达到比MCF方法更高的精度;而且,该算法运算速度快,非常简单,可以在干涉测量技术中得到实时的应用。     

基于图切割的相位展开

剪切散斑干涉术中,普遍采取相移法提取相位,只可得到被包裹的相位信息,进一步量化计算之前,必须展开相位,但是大量的散斑噪音使相位展开变得非常困难.本文提出基于图切割理论的相位展开算法,将相位展开等价于整数的最优估计问题,通过最小化能量函数展开相位,无需对散斑包裹相位图进行滤波,就可以从包含大量散斑噪音的包裹相位图中准确地提取出真实相位,极大程度地保留了相位包裹图中的细节信息.对于同一幅模拟的散斑包裹相位图,传统的质量导向枝切法和最小二乘法的均方根误差分别为11.7076和4.9775,新算法的均方根误差则为0.9459,数值模拟与实验结果均验证了新算法优良的抗噪性能.     

基于图切割的相位展开

剪切散斑干涉术中,普遍采取相移法提取相位,只可得到被包裹的相位信息,进一步量化计算之前,必须展开相位,但是大量的散斑噪音使相位展开变得非常困难.本文提出基于图切割理论的相位展开算法,将相位展开等价于整数的最优估计问题,通过最小化能量函数展开相位,无需对散斑包裹相位图进行滤波,就可以从包含大量散斑噪音的包裹相位图中准确地提取出真实相位,极大程度地保留了相位包裹图中的细节信息.对于同一幅模拟的散斑包裹相位图,传统的质量导向枝切法和最小二乘法的均方根误差分别为11.707 6和4.977 5,新算法的均方根误差则为0.945 9,数值模拟与实验结果均验证了新算法优良的抗噪性能.     

傅里叶干涉成像光谱技术中的重构方法

在干涉成像光谱仪的光谱复原中,由于系统存在各种误差,若直接对所得干涉图进行傅里叶变换重构,得到的光谱图会产生较大误差甚至错误。介绍了Sagnac型干涉成像光谱仪基本原理,针对上述问题得到一套对采集得到的干涉图进行光谱重构的方法,通过对所采集干涉图进行消趋势项、切趾、相位校正、共轭对称化等步骤的处理,再进行重构,即可有效避免直接重构所带来的误差,使用所研制的原理样机对氦灯等单色光源进行光谱曲线重构实验,得到的光谱强度分布曲线与标称曲线基本吻合,光谱复原精度达到了4nm,具有较好的重构效果。     

傅里叶变换轮廓术中滤波窗方位选择研究

在傅里叶变换轮廓术频域滤波过程中通常采用不对称的汉宁窗滤波窗来提取基频信号,当投影呈二维变化的光栅条纹时,采用的滤波窗长短轴方向和载频方向不吻合,会导致被测物体的部分高频信息丢失,从而影响相位展开的难易程度和系统测量的精度。分析比较物体高度的分布与频谱的关系,通过旋转滤波窗使其短轴方向与载频方向一致,可以保留物体的高频信息,降低相位展开的复杂度,提高测量的精确度。计算机模拟和实物实验结果表明滤波窗旋转滤波可以避免相位展开在物体高度突变处的出错,有效地提高测量精度。     

一种非线性相位误差的全场补偿方法

提出了一种非线性相位误差的全场补偿方法,通过对参考面相位的多次测量,提高了参考面的解相精度,提取出一个逼近理想值的期望相位面,并用该期望相位面检测非线性相位误差。重构待测物体时,可直接用物体展开相位值在查找表中查找对应的非线性相位误差,并以此对物体的展开相位进行全场补偿。采用所提方法重构已知具体高度的平面,平均绝对误差的最大值从0.48 mm减小到0.06 mm,方均根误差的最大值从0.55 mm减小到0.07 mm。     

一种无需滤波的复合光栅投影的在线三维测量方法

针对流水线上在线运动的刚性物体,投影复合光栅可以解决像素匹配和相位展开对条纹频率不同需求的矛盾,但在相位计算时,需对复合光栅进行滤波,该过程会降低重构精度。基于Stoilov算法,提出一种无需滤波的复合光栅投影的在线三维测量方法,设计复合条纹使低频条纹相移方向与被测物体的运动方向平行,像素匹配后被测物体的运动被转化为低频条纹的相移;高频条纹相移方向与被测物体运动方向垂直,像素匹配后各帧变形条纹图中高频条纹的光强分布完全一致,可直接进行相位计算,避开了因滤波造成的精度损失。同时在复合光栅中高频条纹的强度远低于低频条纹,故可将其看作微弱的背景光,保证了在线三维测量的精度。通过仿真与实验验证了该方法的有效性。     

研究多中心奇异吸引子混沌相位的新方法

对一般混沌轨迹的相位定义进行了研究,考虑到大量的混沌运动投影到相平面后不是只有一个转动中心的正规转动,给出了两种计算瞬时相位的简单方法.一种方法称之为直接分解方法,它是基于分解的思想.另一种是切线方法,它需要计算轨迹在切空间中的角度.通过对一些算例结果的比较,可以看出这两种方法的优越性.综合而言,切线方法是对任意混沌振动适用的,因此可以被广泛应用于混沌相位同步的研究中 关键词： 混沌同步 相位同步 正规转动     

相位测量轮廓术中时空结合的三频相位展开

提出了一种时空结合的三频时间相位展开方法,提高了三频时间相位展开方法的抑噪能力和相位展开的可靠度。在所提方法中,用灵敏度大于1的条纹代替传统三频时间相位展开法中灵敏度为1的条纹。通过计算这些条纹的截断相位,对其进行空间相位展开,并利用这些展开相位来指导其他两帧高灵敏度截断相位图的展开。与传统三频时间相位展开方法相比,在最高灵敏度条纹空间频率相同的情况下,所提方法缩小了三套条纹之间的频率倍数差,进而减小了噪声对相位展开的影响,提高了三频时间相位展开的可靠度和精度。     

双色场驱动下高次谐波的径向量子轨道干涉

研究了双色场驱动下的高次谐波量子轨道的相位匹配特性. 通过调整激光束腰优化双色场空间分布, 可以有效地增加长轨道的径向相位匹配区域, 使得长轨道和短轨道在近轴处和离轴处都同时相位匹配.通过选取合适的近场空间过滤片, 可以获得清晰的径向干涉条纹. 这些结果在分辨不同的干涉现象以及更高精度的观察高阶轨道方面有很大的潜在应用价值. 关键词： 高次谐波 量子轨道 干涉     

基于多频外差原理的相位校正及匹配方法研究

利用多频外差原理推导四频光栅条纹相位解包裹过程,同时,为了减小相位解包裹误差,提出一种相位校正的方法,并分析了相位校正对匹配结果的影响;通过将校正后的绝对相位值作为匹配的依据,利用极线对上基于相位的亚像素匹配方法;利用三维重建技术获取物体的三维点云数据。实验结果表明:平面测量的匹配率提高了4.97%,测量精度达到0.189 5 mm。     

傅里叶域锁模光电振荡器的锁模匹配精度研究

为研究傅里叶域锁模光电振荡器(FDML OEO)的锁模匹配精度,首先通过分析FDML OEO在滤波器调谐周期与环路延迟时间整倍数存在误差时的起振过程,研究建立FDML OEO开环增益、可调滤波器半波带宽、扫频输出带宽与傅里叶域锁模匹配精度之间的关系;随后选取FDML OEO的输出线性扫频信号延时自外差拍频信号的相位噪声作为振荡器输出信号质量的评价参数。通过实验验证FDML OEO中可调谐滤波器半波带宽、系统开环增益与傅里叶域锁模匹配精度之间的关系;实验分析了傅里叶域匹配精度对FDML OEO输出射频信号带宽的影响。实验结果与理论相一致,结果表明：可调谐滤波器的半波带宽越大,开环增益越大,傅里叶域锁模的匹配精度要求越低;傅里叶域锁模输出频率范围越大,对傅里叶域锁模的匹配精度要求越高;失谐情况越严重,FDML OEO可实现的最大扫频范围将越小。该研究结果为宽带、低相噪FDML OEO的发展提供了重要的技术理论参考。     

调制度分析在等步长相移法相位展开中的应用

推导了两种常用等步长相移算法的调制度表达式,提出一种新的调制度分析方法。该方法用于等步长相移法中基于加权最小二乘法的相位展开,能够充分利用调制度信息,构造二值和小数权重,从而增强相位展开过程对多种干扰因素的免疫力。实验结果说明了该方法的有效性和实用性。最后比较了二值权重和小数权重在加权最小二乘法的相位展开中的性能表现。     

基于单幅图像的工业内窥镜相位法三维测量研究

用于工业内窥镜的相位法三维测量受探头尺寸限制,要求装置简单。求取相位的常用方法有相移法和傅里叶变换法。将傅里叶变换法用于内窥镜的相位法三维测量克服了相移法的移相装置复杂,需要多幅图像,计算量大的缺点。该方法只需一幅图像就能完成测量,测量精度比相移法略低。     

完全多重网格法求解光强度传播方程的相位恢复方法

一般多重网格算法求解光强度传播方程是从精细网格层开始计算,精细网格层的初值选择影响算法的收敛速度和求解精度.提出了一种完全多重网格方法求解光强度传播方程的相位恢复方法.基于限制法将最细网格上的方程转化为最粗网格上的方程,求解该方程得到最粗网格上的解;然后对此解用延拓法得到上一层细网格上的解,以得到的解作为此层网格上的初解,利用V循环解此层上的方程,得到此层网格的精确解.依次,直到得到最细网格上的精确解.模拟相位恢复实验结果表明,本文方法具有较快的收敛速度,能够恢复复杂相位分布.     

基于满周期等相移算法的改进双频在线相位测量轮廓术

基于在线三维(3D)测量中被测物体与高频条纹的相对位置关系,提出了一种改进的双频在线3D测量方法,通过控制被测物体运动时的采集点,使各帧像素匹配后变形条纹图中的高频条纹光强分布完全一致。直接利用满周期等相移算法进行相位计算,从而避开滤波过程,提升3D重构精度。高频条纹光强分量被设计为远小于低频条纹光强分量,可将其看成是微弱的背景光,进一步减小高频条纹对相位计算的干扰。仿真与实验结果表明:相比其他方法,所提方法可有效提升重构精度。     

加权切趾传递函数约束的傅里叶叠层显微成像

傅里叶叠层显微成像技术(FPM)是一种新型显微成像技术,该方法巧妙地结合了相位恢复算法和合成孔径的理念,解决了大视场与高分辨率难以兼备的问题。在传统计算中,往往将FPM成像过程近似为相干成像,即将LED视为点光源,进而相干传递函数作为最优解的频谱支持域约束。但是,严格来说,LED是扩展的非相干光源,因此这种不恰当的近似会降低重构图像质量。为此,通过探究FPM系统的相干性,提出了一种新的传递函数——基于贝塞尔函数加权的切趾相干(B-AC)传递函数作为支持域约束的方法,实验结果证明,B-AC约束更适配于FPM成像系统,可以明显减少相干传递函数约束时产生的振铃效应,使得重构图像质量和鲁棒性优于相干传递函数和切趾相干传递函数约束。