小波变换在载频条纹相位分析法中的应用研究

为了克服在非平稳信号分析中傅里叶变换的全局性缺陷,以及窗口傅里叶分析的单一分辨率和伸缩窗口傅里叶分析的尺度不确定性问题,采用伽博解析小波变换技术对空间载频光栅条纹进行相位分析,有效地提取出相对于载频条纹基频的完整相位信息,从本质上解决了上述问题。以三维轮廓术为例,与傅里叶分析进行了对比研究,给出了小波分析应用在空间载频条纹相位分析中详细而完整的理论推导证明、计算机模拟以及实验验证结果。     

光刻对准中干涉条纹相位解析研究

针对光刻对准中双光栅产生的具有多频率的干涉条纹,提出了一种基于二维解析小波变换进行条纹分析的方法。该方法首先通过二维小波变换的多尺度对条纹的多频率进行分析,并通过解析小波基函数将条纹的幅度与相位进行分离,最终通过二维小波脊方法提取出与偏移量相关的相位。在相位提取的同时通过二维小波脊所处点的角度分布来移除封闭条纹处理中常见的相位符号不确定性。数值模拟与实验验证了该方法的可行性并与传统的基于频域的相位分析方法进行了对比分析。结果表明,该方法能在获得所需相位信息的同时较好地滤除掉由光路抖动引起的噪声,具有很强的适应性。     

采用二维载频条纹的二维伽博小波变换轮廓术

为解决三维形貌测量中非连续相位解包问题并提高测量精度,提出了采用二维网格光栅作为空间载频条纹的二维伽博小波变换轮廓术。与采用一维单一频率载频条纹轮廓术比较,该方法可以获得两倍的测量信息,并且可以达到相同的测量精度。提取二维网格条纹中的两个调制相位时,该方法不必设计带通滤波器来分离两个一维条纹,而是直接应用二维伽博小波变换。通过检测小波脊,从一幅变形网格光栅图像中直接提取两个方向光栅条纹各自所对应的包裹相位分布,结合查表法进行解包从而得到确定的调制相位分布。给出了详细的理论推导,实验结果证实了该方法的可行性。     

基于Mexican hat小波变换的三维轮廓术

为了提高小波变换轮廓术中小波的空域局部化能力, 提出了一种基于Mexican hat小波变换的条纹图处理方法.基于希尔伯特变换得到条纹对应的解析信号, 用Mexican hat小波计算解析信号的连续小波变换, 从小波变换的脊上提取相位信息, 恢复物体高度信息.模拟结果表明, Mexican hat小波变换法在相位快变或突变的区域有更高的相位提取精度, 测量误差可减小0.1～0.5 rad.以人脸石膏像为例, 进行了实验测量.实验结果表明, 在高度不连续或变化剧烈的区域, Mexican hat小波变换法较Morlet小波方法误差传播更小, 精度更高.     

使用离散小波变换的相位轮廓术

提出了两种在相位轮廓术中使用离散小波变换提取条纹相位的方法:单次分解法和多次分解法.前者用多分辨率分析的多孔算法计算变形条纹解析信号的离散小波变换,寻找每一位置的小波系数在尺度方向上的模极大值点,通过提取该点的相位就可以得到原条纹的相化值;后者是在前者的基础上,通过插值改变条纹信号的抽样率,再次进行多分辨率分析,得到冗余的小波系数,提取条纹相位.单次分解法适合处理正弦载频条纹图,多次分解法抗噪性好,可以处理带有高次谐波的准止弦载频条纹图.相对于使用连续小波变换的方法.这两种方法较适合处理离散信号,对于512 pixel × 512 pixel的条纹图计算速度分别提高90%和50%.计算机模拟和实验验证了方法的有效性.     

基于结构光投影的二维S变换轮廓术

S变换是一种集合了窗口傅里叶变换和小波变换优点的时频分析技术,目前一维S变换已成功应用于结构光投影的条纹相位解调中。由于二维S变换可以对图像在两个方向上进行时频分析,具有更优于一维S变换的分析和处理能力。为了完善S变换的条纹相位解调理论,将二维S变换方法引入到基于结构光投影的三维光学测量中,研究了二维S变换在条纹相位解调中的原理及应用,给出了详尽的理论分析,并同一维S变换结果进行了比较。模拟和实验都表明,在条纹图解相中,二维S变换比一维S变换提取的相位精度更高,即使在存在较严重噪声污染的情况下也表现出良好的可靠性,体现出二维S变换提取相位的优势。     

基于二维连续小波变换的ESPI条纹图相位提取方法

提出了一种基于二维连续小波变换的电子散斑干涉(ESPI)条纹图相位提取方法。通过检测二维小波脊确定条纹相位,并引入条纹频率作为向导,有效地避免了相位解调过程中的符号奇异性问题,从而使该算法既能处理开条纹图也能处理闭条纹图,且对散斑噪声具有较强的抑制能力。数值模拟和实验结果表明,该方法在抑制散斑噪声的同时能够有效地提取出条纹相位,对开条纹图和闭条纹图都能处理。     

基于希尔伯特黄变换的自适应相位提取法

提出了一种基于希尔伯特黄变换的自适应相位提取法。该方法通过对条纹图信号进行经验模态分解得到一系列本征模函数(IMF)。对每个IMF进行希尔伯特谱分析,提出准则用以确定噪声IMF并判断是否存在模式混叠问题。若存在,根据该噪声IMF自适应设计新的“噪声”并将其添加到原信号中,然后对所形成的新信号再次分解,重复进行该过程直到相应的模式混叠问题不再存在。将最后一次分解所得的噪声IMF和背景分量从信号中去除,对所得的基频分量做希尔伯特变换即可得到条纹图的包裹相位分布。所提方法可有效克服模式混叠问题,可在有效去除噪声和背景分量的同时尽量保留细节相位信息,有较好的自适应性及稳健性,测量精度高。     

提高小波变换轮廓术测量精度的方法

小波在空域和频域上均具有良好的局域化性能,适合于非平稳信号分析。在传统的小波变换轮廓术中,对基小波进行尺度伸缩,即调整子小波的中心频率,去匹配局部条纹,以获取对应的相位信息。但仅在局部位置对Morlet小波进行尺度伸缩不能最佳地提取局部相位信息。详细分析了振荡波形随高斯窗宽变化的复Morlet小波在条纹分析中的特点,提出了一种改进的小波处理方法。将所提方法的相位重建结果与基于代价函数的小波方法的相位重建结果进行比较。结果表明:所提方法综合了不同窗宽的复Morlet小波优点,具有更可靠的脊提取结果;所提的优化小波脊提取方法在条纹分析中具有更好的抑噪能力,提高了小波变换轮廓术的测量精度;计算机模拟和实验均验证了所提方法的有效性。     

希尔伯特变换条纹分析法及其在非球面镜测量上的应用

提出了利用离散的希尔伯特变换法解调干涉条纹相位的方法,叙述了希尔伯特变换法解调相位的原理,并从单一的干涉图样中提取出条纹信号的正弦和余弦部分,正弦与余弦比值的反正切即为干涉相位;然后利用泽尼克多项式拟合,实现波前重建;最后讨论了条纹相位的算法,误差修正和测量面形的应用,从而实现对非球面镜的检测。实验表明,该方法可获得均方根(RMS)的精度为λ／10。     

基于评价函数的二维小波变换轮廓术小波脊提取方法

小波脊提取是小波变换轮廓术的关键步骤,在抑噪能力和速度方面,前者直接影响后者。提出了基于评价函数的二维小波变换的一种新的小波脊提取方法,利用二维小波变换系数模信息、条纹瞬时频率信息以及局部条纹结构方向信息建立评价函数指导小波脊提取;并设计了快速动态优化算法。计算机模拟和实验验证了所提方法的有效性。     

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.     

有损压缩JPEG在载频条纹图分析中的应用研究

探讨了基于JPEG的有损压缩方法在载频条纹图分析中的应用前景。简介了当今流行的JPEG有损压缩技术和傅里叶变换轮廓术。使用专业软件对傅里叶变换轮廓术中拍摄的载频条纹图进行各种压缩比的压缩,解压后再解调出相位,与未经压缩的原图解调出的相位进行比较。将其相位误差与相位移法解调出的相位误差进行了对比,指出相对于相位移法而言,傅里叶变换轮廓术具有滤波的作用,对其拍摄的载频条纹图,应用JPEG压缩算法是可能的,解调出来的相位误差更小。     

小波变换轮廓术抑制CCD非线性的分析

对比研究了CCD非线性对小波变换轮廓术和傅里叶变换轮廓术的影响,并从信号频域角度分析推导出考虑CCD非线性时,变形条纹的小波变换的频谱描述形式,得到了"脊"处小波系数的解析表达式。处理由CCD非线性引起的非完善的条纹图时,采用小波变换轮廓术提取相位,实质是采用最佳的加权滤波窗口,这样能减弱CCD非线性引起的频谱混叠对测量的影响,可以得到比傅里叶变换轮廓术更稳定的恢复效果。计算机模拟验证了此结论的正确性。     

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。     

小波相位分析测量成像径向畸变

为了测量光学成像像面各个像素的径向畸变大小,提出将小波变换载频条纹相位分析应用于径向畸变测量。采用正弦载波条纹作为测量模板,把径向畸变转化为径向调制相位。应用条纹相位分析导出径向调制相位和径向畸变的转化关系。采用小波频率估计和相位估计提取变形条纹的相位,由于变形条纹中心点是零畸变,中心点的瞬时频率和相位可以计算参考条纹的基频相位。两种基频相位之差就是与所有像素径向位置畸变分布对应的三维调制相位——称为径向畸变分布。利用校正公式和立方卷积插值算法对彩色畸变图像进行校正,给出详细的理论分析和实验结果。     

基于载频条纹相位分析的畸变测量和校正

为了对图像畸变进行测量和校正,利用纵向朗奇(Ronchi)载频条纹作为测量模板,通过成像系统获取畸变光栅条纹.运用傅里叶变换对畸变条纹图像进行频谱分析、滤波提取基频信息,直接从畸变图像的中心无畸变区域提取理想条纹像信息.通过相位分析提取包裹相位并解包,获得畸变光栅条纹的径向畸变相位分布规律.将该分布规律转化为径向位置畸变分布规律,并结合双线性插值灰度重建对畸变图像进行校正.实验结果证明该方法是有效的.     

非单调条纹图的相位恢复新方法

在连续小波变换和展开相位拐点识别的基础上,提出一种非单调条纹图的相位恢复新方法.包裹相位通过连续小波变换的方法提取,提出小波变换尺度步长的选择准则及对粗糙尺度作迭代均值滤波的技术.基于展开相位拐点与符号歧义点的单应性,可通过检测并修正展开相化拐点的方法恢复非单调条纹图的真实相位.给出了详细的理论推导、数值模拟及实验验证过程.数值模拟包括一维及二维的含噪声信号,实验为基于显微干涉法的微桥的静动态形貌和变形测试.模拟及实验结果表明,该法只需一幅条纹图即可准确解调非单调条纹的相位,最大误差小于4%,且具有极强的抗噪能力.这为显微干涉测量提供了有效的相位恢复新手段.     

基于指数尺度间隔连续小波变换的相位提取算法

只需要一幅调制图像的光栅投影测量方法主要有傅里叶变换轮廓术(FTP)、小波变换轮廓术(WTP)等。采用基于指数尺度间隔的连续小波变换与重构方法,提取调制图像的瞬时相位。针对指数尺度间隔连续小波变换,指出了足够大的噪声能够改变小波变换脊的位置,并且该脊向上移动的概率最大。因此,为了重构载频信号,选择脊及其紧邻的较大的那个尺度所对应的小波系数,采用灰度图像阈值分割中最大类间方差法(OTSU),剔除掉幅值较小的系数;针对斑点噪声的影响,对OTSU算法的结果进行了修正;使用修正后的系数集合重构载频信号,并计算该信号的瞬时相位。理论分析和实验结果表明算法有效且具有稳健性。