伸缩窗口傅里叶变换在三维形貌测量中的应用

为了克服窗口傅里叶变换在分析非平稳信号所存在的缺陷,基于窗口傅里叶变换技术提出了伸缩傅里叶变换法并应用于三维形貌测量中。通过对窗函数在空间尺度上引入伸缩变换,得到一个可调宽度的空间一频率窗,实现空间频率分辨率随光栅图像条纹频率变化自动可调的实时快速测量。该方法克服了窗口傅里叶变换分析中所有频率窗口的大小形状固定不变的缺点,适合复杂物体形貌的测量。给出了理论分析、计算机模拟以及实验研究结果。     

基于快速傅里叶变换的实时相移校正算法

在相移测量剖面术（ＰＭＰ）中,提出了一种基于快速傅里叶变换的相移校正算法,利用最初多采的一幅条纹图的信息和傅里叶变换调制度模板,快速地计算出当前的相移值。采用该算法,能实时准确地控制投影光栅的移动,大大提高了测量系统的工和自动化程度,具有极大的实用价值。     

基于全息技术的光学加密系统实值编码

提出一种基于全息技术用于光学图像加密的实值编码方法.待编码的数字图像与一个大小相同、灰度值为零的图像组成一幅新的图像,然后与一个随机相位掩膜一起通过光学透镜作傅里叶变换,取变换结果的实部作为编码输出图像.利用全息记录的方法解码,即编码输出图像和随机相位掩膜的傅里叶变换相加通过光学透镜作傅里叶反变换,记录反变换的光强分布,再通过非线性变换或灰度变换的方法可以恢复原图像.     

新型傅里叶变换光谱仪反射镜倾斜容限分析及实验

采用微机电系统微镜阵列和倾斜反射镜替代传统傅里叶变换光谱仪的动镜系统,提出一种基于微机电系统微镜阵列的新型傅里叶变换光谱仪.介绍了该光谱仪的工作原理,分析了倾斜反射镜倾斜角度的容限范围,并搭建了实验系统,进行了实验验证.理论推导表明:在近红外区域,反射镜倾角理论最大值为0.52°,光谱分辨率达到8 nm;在可见光区域,反射镜倾角理论最大值0.183°,光谱分辨率达到3 nm.选取可见光源488 nm激光器进行的实验验证结果表明:在倾角容限范围之内,光谱能准确还原;反之,光谱严重失真.最终,采用复色光源进一步实验验证了理论分析的正确性.     

傅里叶变换在差分吸收光谱技术气体浓度计算中的应用

在实际测量得到的气体吸收光谱中,发现大多数气体的吸收光谱具有明显的周期性,而傅里叶变换正是用来寻求信号的频率特征。在加窗的条件下,通过对不同气体的吸收光谱进行傅里叶变换,来寻求光谱信号对应的特征频率。在数据分析过程中,发现这样一个规律：在气体吸收光谱经傅里叶变换后的频谱图中,其对应特征频率的幅值与所测的气体浓度成明显的线性对应关系。因此,提出一种新的差分吸收光谱浓度解析方法,即利用气体吸收光谱傅里叶变换后其对应特征频率的幅值与浓度的关系,建立一种浓度反演计算的线性关系式,从而由气体吸收光谱傅里叶变换后特征频率的幅值直接求出气体的浓度。该方法完全摆脱了差分吸收光谱技术的理论基础,大大减少了光谱分析和气体浓度反演计算的过程,是一种值得进一步去探究的光谱分析方法。     

主动离焦三维测量的调制度全局计算方法

提出了离焦三维测量的全局计算方法。通过向物体投射正弦光栅,使物体上任一点的光分布在光栅频率(局域傅里叶变换)处的光强度等于该处的调制度,利用拍摄物体的两幅离焦像的调制度之比,得到了物体的深度分布。不但消除了过去主动离焦三维测量采用局域傅里叶变换带来的测量误差,同时计算程序简单、速度快,具有较好的实用性。     

激光散斑法测量横向微位移及其应用

针对传统激光散斑法测量横向微位移中存在的条纹对比度低、噪声大的不足,提出了改进的方法.该方法将二次曝光的散斑强度分布图利用快速傅里叶变换算法做2次快速傅里叶变换,在最终所得光场中通过测量相邻两自相关强度峰值点的间距,即可计算出被测物体的横向微位移量.将该方法应用于金属线膨胀系数测量实验,验证了该方法的可行性.     

无透镜傅里叶变换数字全息术中非共面误差的自动补偿算法

无透镜傅里叶变换数字全息术对活细胞进行显微相衬成像测量时,由于细胞处于运动状态导致记录物体与参考点源难以共面,从而引入成像误差.本文提出了一种有效可靠的基于位相分布的自动对焦再现算法,只需通过一幅全息图,即可确定出记录距离的优化数值解,并结合一次位相线性拟合,成功补偿掉非共面误差.将这种算法应用到活体宫颈癌细胞的相衬成像实验中获得了较为理想的实验结果,表明了这种自动补偿非共面误差算法的可行性. 关键词： 数字全息 无透镜傅里叶变换全息 自动对焦 位相畸变校正     

基于数字散斑照相术测量刚体面内位移

数字散斑照相术通常测量刚体的面内位移。从基本原理着手,研究了基于散斑照相术的两种常用方法,即数字图像相关法和傅里叶变换法。论述了数字图像相关法中的亚像素梯度算法,讨论了如何选择子区的大小,优化测量结果;傅里叶变换法通过对散斑图进行傅里叶变换和数学形态学等一系列操作,获得精确的条纹间距,从而更好地计算面内位移。实验结果表明,傅里叶变换法的测量精度要高于数字图像相关法。     

用快速傅里叶变换迭代法重建三维折射率场

本文通过计算机模拟运算,结合折射率场的先验知识,考查了以卷积法为基的快速傅里叶变换迭代法的重建精度以及误差数据和视角范围大小对其的影响.作为一个应用实例,计算了某一截面火焰温度场的分布,并与热电偶测量的值进行了比较.     

基于GCV-FFT方法的超声速压缩拐角流场气动光学效应计算

研究超声速压缩拐角流动，基于Rytov近似，采用广义卷积-快速Fourier变换（GCV-FFT），直接求解非均匀介质中的Helmholtz方程，获得激光光束的散射场和衍射场的复振幅分布.给出包括光强、光程差、斯特列尔比、相对光强、光束质心位置和有效光束宽度等气动光学参量.可以看出，激光光束在湍流场区域内传输，光强度分布逐渐出现起伏和偏离.穿过流场区域后，由于衍射作用，光束产生较大幅度的扭曲、偏离和破碎.压缩拐角区的流场对光束质量的影响明显大于充分发展湍流区.从相对光强的分布形态来看，光束的破碎似乎与流场的小尺度相干结构相关.采用传统的OPD均方差或加权均方差值估算获得的斯特列尔比的误差较大，更为准确的方法应该通过计算PSF来进行评估.     

微透镜阵列误差对半导体激光匀化性能的影响

为了减小微透镜阵列误差对匀化光斑的影响,深入研究微透镜阵列光束匀化系统中微透镜阵列相对位置误差对光束匀化性能的影响,设计了一种微透镜阵列光束匀化系统。依据相对位置误差类型的不同,将双列微透镜阵列间六个自由度变化导致的误差分为距离误差、偏移误差以及转动误差进行分析,并对每种误差对光束匀化性能的影响进行了研究。采用6板条半导体激光器堆栈对上述匀化系统进行实验验证,实现了均匀性为90.75%的光斑,并对系统影响光斑性能的原因进行了分析。     

探测器点阵法测量激光光斑参数的仿真

 仿真分析了用均匀分布的探测器点阵测量激光光斑方法中，探测器灵敏度的线性工作动态范围，灵敏度的一致性差异，点阵间距等参数和光斑质心位置的测量误差，光束总能量的测量误差，以及光斑的分布等。仿真结果表明，当探测器灵敏度的一致性差异小于10％，线性工作范围的动态范围大于30dB，点阵间距小于光斑直径的1/5时，光束总能量的误差小于6％，光斑质心位置的测量误差小于光斑直径的2％，拟合的光斑分布和实际光斑分布比较接近。     

基于空域非均匀傅里叶变换的傅里叶望远镜

为了在稀疏发射阵列下清晰重构目标图像,提出了一种基于空域非均匀傅里叶变换(NDFT)的傅里叶望远镜信号处理方法。依据傅里叶望远镜的发射器位置与抽取的目标空间频率关系,结合MATLAB程序特点,完成了空域非均匀傅里叶逆变换,重构了目标图像。稀疏发射阵列配置方式为:T型阵列单臂放置11个发射望远镜,连续抽取目标的8个低频信息,再抽取3个高频分量。选择不同形状和灰度分布的4个卫星作为成像目标。与补零均匀快速傅里叶变换(FFT)方法重构的图像对比发现:信噪比为100 dB时,相比补零均匀FFT方法, NDFT方法重构图像的Strehl比都有所提升,最高提升了0.159 8。     

傅里叶变换轮廓术中新的相位及高度算法分析

在传统傅里叶变换轮廓术三维面型测量中,为了准确得到被测物体的高度分布,必需保证投影仪出射光瞳和摄像机入射光瞳的连线与参考面平行并且在同一水平面,否则存在较大的误差。着眼于更普通的情况,讨论双瞳连线与参考面成某一夹角时的高度计算,推导出了非平行时的参考面光场及物面变形条纹光场的表达式,并给出了高度映射公式。因而,传统的傅里叶变换轮廓术测量成为角度α=0时的特例。该方法使傅里叶变换轮廓术的测量条件得到了放宽;易于通过移动投影装置或成像装置获取全场条纹;并为在难以实现双瞳与参考面平行的特殊环境下的测量提供了可行的方法。计算机模拟及实验均证实了该方法的有效性。     

畸变光束的焦斑质心位置

 为分析振幅和相位发生畸变情况下光束焦斑质心位置所受的影响，以光波标量衍射理论中的夫琅和费衍射公式为基础，根据光斑强度分布一阶矩质心位置的定义，推导了直接依赖于光束近场复振幅分布的焦斑质心位置的一般表达式。进一步推导了焦斑质心位置对光束近场强度分布和相位斜率分布的依赖关系式，并对该式清晰的物理意义进行了阐述。利用焦斑质心位置表达式，可分析和确定由于振幅调制和相位畸变导致的质心位置偏移。最后，对无相位畸变和存在低阶泽尼克相位畸变情况下的简单畸变光束进行了相应的分析讨论。     

基于已知球面波前的Hartmann-Shack传感器结构参量标定

微透镜阵列到CCD的距离是影响Hartmann-Shack波前探测器精度的主要装配误差之一。对该平移装配误差的修正,能够有效减小波前探测误差。理论求解了球面波前通过微透镜引起的子孔径光斑质心移动量与波前探测器结构参数之间的关系,借助该关系能够求出微透镜到CCD之间的实际距离,以其改进波前斜率的计算。实验验证了理论推导的合理性,并对实际装配参数进行标定,得实际距离为24.2 mm。利用标定后的参数重建波前,其相对误差减小20.4%。实验表明该标定方法能够有效提高波前传感器测量准确性。     

基于图像二维小波多尺度分解傅里叶变换轮廓术

应用傅里叶变换轮廓术测量物体三维面形时,当被测物体形状复杂或是被噪声严重污染时,导致频谱分布展宽,发生频谱混叠现象,基频提取困难,无法准确恢复物体的三维面型.提出了基于小波分解的傅里叶变换轮廓术,采用小波变换的方法对变形条纹图进行二维多尺度分解,重构被测物的背景图像,滤出图像的零频成分,得到相对变形条纹.运用小波变换与傅里叶变换轮廓术相结合的方法,只需拍摄一幅变形条纹图,将被测物体与背景分离,不受背景成分的影响,且易于基频信息的提取,降低了对滤波器的要求.实验证明该方法较好地防止了频谱的混叠问题,提高了测量范围与解相精度.     

基于优化探测窗口的光斑质心探测方法

 哈特曼-夏克波前传感器进行波前探测时，用子孔径光斑强度的一阶矩来计算光斑质心位置，子孔径窗口作为探测窗口，但探测时子孔径窗口内噪声对一阶矩有很大的影响，会使质心探测精度产生很大的误差。因此在计算质心位置时探测窗口的选取对探测精度有重要影响，必须选取合适的探测窗口来提高光斑质心探测精度。为此，在传统算法的基础上提出优化探测窗口的方法来提高质心探测精度,仿真和实验结果表明新方法提高了质心探测的精度，未经处理的高噪声恢复波前的波前残差峰谷值是2.851 4λ，均方根值是0.606 3λ，优化探测窗口后波前残差的峰谷值是1.636 2 λ，均方根值是0.367 1 λ，重构误差减小了40％。证明了算法的可行性和稳定性。     

基于动态散斑时频特性的合作目标微动参数反演

基于激光动态散斑的时频信号,建立了一套适用于角反射器阵列的微动参数反演算法。首先利用物理光学方法推导了角反射器及角反射器阵列激光散斑的实时强度公式,然后基于短时傅里叶变换研究了散斑功率谱形成机制及其数字特征,最后提出了频谱相关法及时频-相幅变换算法,并采用该方法提取了动态散斑时频谱线周期及振幅分布,反演了三种典型运动状态下目标的自旋周期及旋转轴指向。结果表明:基于几个周期的散斑强度序列,所提反演算法可以得到高精度的旋转周期及视线角,但对旋转轴方位角的反演精度相对较差,需要更多的观测数据才能得到满意的结果。