基于大气相干长度的湍流模糊图像复原

利用地基光学望远镜观测空间目标时,大气湍流是影响成像质量的主要因素。由于大气湍流引起成像波面的畸变,导致望远镜所获得的图像模糊。为了从模糊图像中复原出目标的原始图像,提出了一种基于大气相干长度的湍流点扩展函数估计方法,进行了理论推导,并利用Sobel方法对迭代相同次数后的盲卷积复原图进行像质评价,找出像质评价结果峰值处对应的大气相干长度;再将此值代入点扩展函数的估计公式中,得到点扩展函数更加准确的估计;然后利用此点扩展函数对湍流模糊图像进行盲卷积图像复原,最后得到目标的复原图像。从多种像质评价结果来看,该方法无需测量大气相干长度,且复原效果较理想。     

激光在湍流大气中的干涉仿真

通过研究激光在湍流大气中的传输情况，旨在为光学高分辨率干涉成像提供理论依据。采用相位屏的近似处理方法对激光通过大气湍流传输进行模拟，研究激光通过湍流大气的干涉情况。试验结果表明：孔径间距越大，干涉条纹越密；在传输距离为2km，大气湍流折射率结构常数C2n为10-14，即接近强湍流的情况下，可以形成比较好的干涉条纹。孔径间距较小时，干涉的明暗条纹清晰可见。在实际干涉成像中，可以选择适当的孔径间距来获得较好的干涉条纹，从而获得目标的高分辨率像。     

基于希尔伯特变换的干涉条纹相位解调新算法

提出了一种新的应用希尔伯特变换解调干涉条纹相位的算法,可以从单幅干涉条纹图中解调出全场相位分布.在实际应用中,常借助傅里叶变换实现希尔伯特变换算法,但是会忽略负频率成分,造成相位信息的丢失.对于相位分布非单调变化的干涉条纹,提出了一种判断函数,用来计算相位信息零频率点的分布.利用相位的零频率点分布构造了一个二元模板,使用该模板对本文提出的两次希尔伯特变换法产生的包裹相位图进行修正.对修正后的包裹相位图进行解包裹处理,可以得到连续的全场相位分布.对该方法用计算机模拟进行了验证.     

基于希尔伯特变换的干涉条纹相位解调新算法

提出了一种新的应用希尔伯特变换解调干涉条纹相位的算法,可以从单幅干涉条纹图中解调出全场相位分布.在实际应用中,常借助傅里叶变换实现希尔伯特变换算法,但是会忽略负频率成分,造成相位信息的丢失.对于相位分布非单调变化的干涉条纹,提出了一种判断函数,用来计算相位信息零频率点的分布.利用相位的零频率点分布构造了一个二元模板,使用该模板对本文提出的两次希尔伯特变换法产生的包裹相位图进行修正.对修正后的包裹相位图进行解包裹处理,可以得到连续的全场相位分布.对该方法用计算机模拟进行了验证.     

散斑干涉相位条纹图的频域滤波处理

为了解决在数字散斑干涉技术测量时,散斑干涉相位条纹图像中大量噪声对相位解包裹结果和精度产生严重影响的问题,介绍了一种条纹正余弦分解和频域低通滤波结合的方法,实现了散斑干涉相位条纹图的高精度滤波。该方法的基本思路是在对相位图像进行滤波处理前,先将相位图通过正余弦函数进行映射转换成两幅图,分别经过频域滤波,然后再合成为相位图。这种分解频域滤波方法可以在滤波的同时,有效保留相位跳变信息。实验结果表明：与传统的图像降噪方法相比,该方法能够在保留图像“尖峰”信息的基础上,较好地滤除图像中的散斑噪声,方法简单有效,有效解决了传统滤波方法应用在相位条纹图中,相图灰度信息丢失10%~40%的问题。     

双Lloyd镜数字全息显微测量术

提出了一种双Lloyd镜数字全息显微测量技术.其基本思想是将Lloyd镜的共光束自干涉特性与双波长光学相位解包裹方法相结合,使用两个Lloyd镜调节参考光与物光夹角以形成共光束自干涉,从而获得一张双波长复合全息图,再通过角谱法再现得到每个波长对应的包裹相位,利用两波长的相位差求得解包裹后的相位图和三维高度分布图.采用532和632 nm两波长记录全息图,通过数值再现重构被测物体的振幅和相位信息.与标定值相比,实验值的误差小于5%,证明了该方法的有效性.     

多频外差原理相位解包裹方法的改进

为了消除现有多频外差原理相位解包裹后存在的相位跳跃性误差,对多频外差原理相位解包裹方法进行了改进。利用双频外差原理进行部分条纹解包裹,然后利用相位与条纹节距之间的关系将解包裹后的相位转换为其他条纹的相位,使用转换后的相位对其包裹相位进行校正,得到展开相位。为了使展开相位不存在跳跃性误差,提出了解包裹过程中所需满足的一系列约束条件。模拟和实验结果均表明该方法简单有效,展开后的相位光滑无跳跃性误差,无需再次进行误差校正,相比现有方法时间效率提升30%以上。     

基于双频投影条纹的全自动相位解包裹方法

为了在相位轮廓测量术中更简便可靠地获取待测面的相位场,提出了一种利用双频投影条纹的叠栅特性进行全自动相位解包裹的方法。该方法通过分析双频投影条纹的条纹级数之间及相位之间的关系,推导了一套利用该双频条纹的相位主值获取真实相位场的公式。在利用这套公式进行解包裹时,各点的相位求取都是单独进行的,因此不会出现误差传递的现象;同时求解的相位场保持了相移法求解的相位精度。实验证实了该方法的可行性,并得到很好的测量结果。     

一种基于光学干涉原理的图像分割方法

 介绍了基于光学干涉原理的图像分割理论算法。在计算机上模拟一个均匀相干光源、一个滤波器和一个接收屏。选择强度 相位的转换曲线，将输入图像的强度信息转化成伪相位信息，并显示在滤波器上。利用光源照明滤波器上的相位图，在接收屏上得到其干涉条纹。再通过选择阈值对干涉图进行分割得到二值图，从而实现输入图像的边缘分割。计算结果表明，该方法得到的图像轮廓，与Sobel 算子效果相当。与实验结果对比分析可得，改善硬件并实现良好的分割效果的关键在于：控制光源的相干长度，或增大液晶的点阵间隔，并利用CCD相机和计算机相连，对干涉图进行二值化。     

空间调制傅里叶变换光谱仪光谱探测中的大气扰动分析

在利用空间调制傅里叶变换光谱仪对远距离目标进行光谱遥测时,大气湍流扰动引起的入射光场的波前畸变会影响干涉图像和复原光谱的质量。根据大气湍流扰动对光场的相位调制作用,建立了大气湍流的随机相位模型与光场在大气中的分步传输模型,并对大气湍流扰动作用下的干涉图像与复原光谱进行了数值计算,结果显示:大气湍流会导致干涉图像的背景产生低频的强度起伏,并致使复原光谱在低频区域出现伴频噪声。采用统计实验的方法对归一化光谱误差与望远系统入瞳放大率、大气相干长度之间的关系进行统计分析。结果表明:归一化光谱误差的统计均值与望远系统入瞳放大率为准线性正相关,与大气相干长度为非线性负相关。依据归一化光谱误差的统计分析结果便可以根据外场环境的大气相干长度,合理地设计望远系统的入瞳放大率,从而实现对目标光谱的有效探测。     

双波长剪切散斑干涉法在复合材料缺陷检测中的应用

为使剪切散斑干涉能适用于物体大变形的测量,选用双波长激光照射和彩色相机,用傅里叶变换法对干涉图进行频谱分离,用红色波长相位减去绿色波长相位,得到合成波长相位,经频域滤波和相位解包裹,得到连续相位.理论计算表明合成波长相位条纹数是单波长相位条纹数的0.189倍.合成波长参与计算可以有效减小相位条纹密度,解决剪切散斑干涉在物体离面位移测量中由于变形条纹过于密集而导致欠采样的问题,同时降低对干涉条纹滤波和相位解包裹难度,增强图像处理可靠度,提高了测量准确度.给出了合成波长与单波长相位幅度的比较以及相同外力下二者相位条纹密度的对比,实验验证了所提方法的有效性、准确性和可靠性,实现了剪切散斑干涉对复合材料大变形的测量,扩展了剪切散斑干涉工程应用的范围,为新型剪切散斑干涉测量系统的设计提供了参考.     

用于三维测量的快速相位解包裹算法

减少条纹投影轮廓术的条纹图数量一直是本领域的研究热点。传统的时间相位解包裹算法,一般需要额外的条纹信息来确定条纹级次,导致条纹图数量过多。提出一种用于三维测量的快速相位解包裹算法,只需要N步标准相移正弦条纹图,就可以完成绝对相位的计算。首先,利用标准相移算法计算包裹相位和消除背景的掩膜;然后,直接利用包裹相位和掩膜,根据连通域标记算法计算条纹级次,进而求得绝对相位。该方法最少只需3幅条纹图,就可以完成三维测量,数据处理速度快。计算机仿真和实验结果验证了该方法的有效性和鲁棒性。     

基于多频外差原理的相位解包裹方法

根据多频外差原理推导了三频光栅条纹解包裹的过程,获取了光栅条纹的绝对相位值。同时,为了减小误差,提高测量精度,提出了一种相位修正的方法,比较了相位修正前后的相位图,表明该方法能够非常有效地去除相位误差。通过将修正后的绝对相位值作为匹配的一个特征量,利用机器视觉中双目立体视觉的方法求取物体的三维特征。实验证实了该方法的可行性,并得到良好的测量结果。     

基于二维傅里叶变换的单帧干涉图相位提取方法

针对大口径光学元件干涉测试过程中,测试装置和干涉腔长较大,气流扰动和环境振动对移相测试过程产生影响等问题,采用一种基于二维傅里叶变换的单帧干涉图处理方法,只需要对一幅空间载频干涉条纹图进行处理即可获得待测相位,具有抗振测试的优点。对该方法的基本原理和算法过程进行分析,并对近红外大口径移相平面干涉仪中600 mm口径的光学平晶进行了面形测试。实验结果表明:采用该方法所得波面峰谷值(PV)为0.112,波面均方根值(RMS)为0.014,与移相算法所得波面数据相比,波面峰谷值偏差不到(1/500);波面均方根值(RMS) 偏差几乎为零。     

数字散斑干涉形变测量中基于多CCD的相位拼接

在数字散斑干涉测量中,对于给定尺寸的CCD,很难在不影响形变测量横向分辨率的情况下扩大视野.针对该问题,提出了一种在不影响横向分辨率的情况下拼接多个子图像相位以扩大视野的方法.设计并搭建了一套多CCD实验装置来获取多个子图像.利用重叠区域解包裹后的相位图估计相邻子图像之间的相对位置并补偿相位偏差,实现正确的相位拼接.为...     

基于物体像的干涉条纹图像中散斑噪声的识别方法

散斑噪声是激光干涉时的普遍现象,其覆盖被测表面对应区域的形状信息,造成测量误差。针对斜入式激光干涉测量中散斑噪声的特点,提出一种基于物体像的散斑噪声的识别方法。该方法通过统计物体像中有效测量区域和背景区域内灰度分布的特点,自动计算出判定散斑噪声的上下阈值。基于物体像与干涉条纹图像间微米级的映射关系,得到干涉条纹图像中散斑噪声的位置。设计了相关实验,对干涉条纹图像中识别出的散斑噪声区域进行修补,消除了包裹相位图中一个条纹周期内相邻像素点间大于π的相位突变。     

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。     

光学综合孔径成像中的傅里叶相位研究

傅里叶相位是光学综合孔径成像的重要信息,观测目标的傅里叶相位包含于干涉条纹中。从像平面干涉条纹形成原理出发,推导出大气扰动、星光方向与基线方向不垂直和望远镜系统机械误差等因素是影响干涉条纹初始相位的主要因素。利用条纹原点值和峰值位移从条纹中提取初始相位,采用闭合相位法从条纹初始相位中去除其它因素的影响,从而最终获取目标傅里叶相位：结合计算机模拟对噪声给条纹峰值位置的影响进行分析,模拟结果表明在频域中对条纹能量谱进行阈值处理有较好的去噪效果。最后结合目标重构迭代法阐述了闭合相位在像重构中的作用。     

基于机器学习检测相位畸变后的涡旋光束轨道角动量

针对涡旋光受大气湍流而产生的相位畸变问题,设计了卷积神经网络检测涡旋光束轨道角动量态.将相位畸变的拉盖尔高斯涡旋光光强图像作为样本数据输入,网络利用输入的数据集进行自主学习,经过多次迭代能够精确检测出光束高阶轨道角动量信息.仿真结果表明:在大气湍流强度不确定的情况下,模型对轨道角动量态范围为1～40、1～100、1～1...     

基于深度卷积神经网络的大气湍流相位提取

光束在自由空间中传播时容易受到大气湍流的影响,其对传输光束的影响相当于附加一个随机噪声相位,导致传输光束质量下降.本文提出了一种基于深度卷积神经网络(convolutional neural network,CNN)的湍流相位信息提取方法,该方法采用受湍流影响的光强图为特征提取对象,经过对海量样本进行自主学习后,CNN的损失函数值收敛到0.02左右,其在测试集上的平均损失函数值低于0.03.训练好的CNN模型具有很好的泛化能力,可以直接根据输入的光强图准确提取出湍流相位.利用I5-8500 CPU,预测C_n~2=1×10~(-14)m~(-2/3),C_n~2=5×10~(-14) m~(-2/3)和C_n~2=1×10~(-13) m~(-2/3)三种湍流强度的湍流相位所需要的平均时间低至5×10~(-3) s.此外,CNN的湍流相位提取能力,可以通过提高计算能力或者优化模型结构来进一步提升.这些结果表明,基于CNN的湍流相位提取方法能够有效的提取湍流相位,在湍流补偿、大气湍流特性研究和图像重构等方面具有重要的应用价值.