基于快速傅里叶变换的条纹图像处理研究

为提高船体扭转角变形测量精度,对双光栅干涉测量法产生的莫尔条纹采用快速傅里叶变换频域处理。采集不同宽度的莫尔条纹图像,分别对图像进行快速傅里叶变换,对比分析图像频谱,得到实际莫尔条纹图像的有效频率信息。分析滤波器的选择原则,选用陷波低通滤波器,去除频域图像中高频噪声,获得莫尔条纹有效信息。实验结果表明,莫尔条纹的频域处理精度远高于空域处理结果,使扭转角测量精度提高到1.2″。     

ns脉冲测量中的波形重建

为修正高电压测量探头寄生参数对测量ns脉冲波形的影响,对探头的数字补偿方法进行了研究。利用对低电压标定所得标准参考信号和探头信号做傅里叶变换,得到其各自的频谱密度,然后通过相除,得到探头灵敏度与频率的关系和信号相位与频率的关系。在实测时,再对测得信号做傅里叶变换,将得到的频谱密度乘以探头灵敏度及信号相位对频率的函数,通过傅里叶逆变换重建出待测信号。通过不同信号进行波形重建实验证明,此方法能够在短时间内很好地修正高电压测量探头寄生参数对ns脉冲波形的畸变。     

基于S变换滤波解相法的条纹解相研究

S变换可以看作是介于小波变换与窗口傅里叶变换之间的变换,具有很强的时频分析能力,它将一维信号变换为时间(空间)和频率的函数,称为瞬时S变换谱,在沿窗口移动方向上,S变换谱的叠加可得到全局信号的傅里叶频谱。在S变换用于条纹解调时,局部基频的正确提取是确保获得全局信号基频分量的关键。为此研究了不同的滤波过程对S变换解调条纹相位的影响,利用不同的滤波器,在对局部S频谱进行加权滤波后,叠加局部基频,得到全局基频分布,然后再利用逆傅里叶变换获得条纹的相位分布,从而重建被测物体的面形。讨论了阈值滤波、平顶高斯和平顶汉宁滤波、"脊"线拟合后的平顶高斯和平顶汉宁滤波在S变换轮廓术中的应用,通过计算机模拟和实验,初步对比了滤波效果。     

基于莫尔条纹的全周转角精密测量方法

由于将莫尔条纹图进行快速傅里叶变换时会导致频谱泄露,导致无法实现360°的全周精确测量,因此提出基于莫尔条纹的全周转角测量方法并搭建转角测量系统。以1°为步距,利用CMOS相机采集不同宽度的莫尔条纹图像,采用快速傅里叶变换（fast Fourier transform, FFT）对条纹进行处理,得到光栅频谱信息。同时采用汉宁窗能量重心校正算法（Hanning-window energy centrobaric method, HnWECM）校正频谱,得到莫尔条纹图像表征转角的真实有效信息,实现全周精确测量。实验结果表明,该系统可快速精准地实现转角的全周测量,测量范围广,最大误差率为0.243 3%。     

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。     

激光莫尔干涉谱投影信息提取

分析了真实火箭喷焰的激光莫尔干涉谱,并提取其投影信息,重建了密度场。使用自制的大口径、高灵敏度莫尔偏折仪采集真实火箭喷焰的莫尔条纹图;采用傅里叶变换对莫尔条纹展开技术处理,获得了莫尔条纹的相位分布。根据莫尔条纹边缘提取背景,进一步获得背景相位分布。变形莫尔条纹的形变量通过求相位差获得,进一步提取轴向任意截面的投影信息。应用基于偏折投影的“简单自相关代数迭代重建算法(SSART)”层析流场。等间隔取8个方向的投影进行迭代,重建了截面密度分布图。结果发现,根据火箭喷焰的莫尔条纹,采用傅里叶变换相位展开技术,可以方便地提取任意截面的投影信息。应用SSART技术可以重建截面密度分布。因此,基于偏折投影的“SSART”算法是一种优良的非线性偏折层析重建算法。     

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。     

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。     

啁啾脉冲频域干涉仪相位重建方法的理论研究

理论研究了啁啾脉冲频域干涉仪的时域相移重建技术,对于接近实际的频谱干涉条纹,分别采用傅里叶变换和小波变换的方法完成了时域相位扰动信号的重建。傅里叶变换方法产生的重建误差受到滤波参数的影响,相对而言,小波变换方式解谱过程中,不需要进行特意的滤波操作,从而避免了重建结果存在误差不确定性的问题。     

小波变换轮廓术的测量范围研究

利用小波“脊”处的小波系数来提取变形条纹中的相位信息可以在很大程度上抑制条纹图中有用的基频分量与零频和其它谐波频率分量的混叠,弥补了傅里叶变换轮廓术的不足。从离散信号频域分析角度,推导了变形条纹小波变换的频谱描述形式,讨论了其测量范围,包括结构条件和抽样条件。结果表明,只有在无周期内瞬时频谱混叠,即任意位置处物体瞬时高度变化满足h/xx=b<1/3条件时,和不存在抽样引起的周期间瞬时频谱混叠的抽样条件下(即一个周期内的抽样点数m≥4时),小波变换轮廓术才能正确恢复被测物体的三维面型。计算机模拟和实验验证了该结论。     

正弦相位调制的频域光学相干层析成像

提出一种基于正弦相位调制的频域光学相干层析成像,利用正弦相位调制干涉术探测复频域干涉条纹的实部和虚部,重建复频域干涉条纹。对该复频域干涉条纹作逆傅里叶变换后,消除了频域光学相干层析成像中存在的复共轭镜像以及直流背景和自相干噪声。对玻璃片样品进行了层析成像实验。实验结果表明,采用正弦相位调制的频域光学相干层析成像,将可利用的成像深度范围扩大到原来的2倍,实现了全深度探测的频域光学相干层析成像。     

光电编码器单莫尔条纹测速方法

为了提高编码器的测速精度,研究了基于希尔伯特-黄变换的光电编码器单莫尔条纹测速方法。首先,利用AD采集编码器的单路莫尔条纹光电信号,并将信号序列通过EMD变换,滤除直流分量;然后,利用希尔伯特变换求出信号的相位变化,并通过差分运算求取信号的瞬时频率;最后,结合编码器的具体参数求取编码器的转速。实验结果表明:对某21位编码器进行测速实验,测速误差均方差由0.022 4 rad/s降低到0.013 4 rad/s。此方法测速稳定性高,抗干扰能力强,可用于速度精度要求较高的测速场合。     

基于互相关的电光调制器相位标定方法

为了在使用相位电光调制器前能够快速准确地确定其半波电压，提出了一种基于频域互相关的干涉条纹相位差计算方法用于相位电光调制器的标定。该方法将条纹图像通过傅里叶变换转换成频谱图并对其进行滤波，将提取出的正负一级次频谱信息进行互相关操作，得到两张条纹图之间的相位差。为了验证所提方法在相位电光调制器标定中的作用，搭建实验系统，使得一路经过电光调制器的光与另一路光进行干涉后形成条纹像，改变电光调制器上施加的电压并用相机记录相位不同的干涉条纹，从而获得干涉条纹组，进而运用所提方法获得相位-电压对应关系。与轮廓法相比，所提方法快速且精度高。与迈克耳孙干涉法相比，该方法不需要重新搭建光路，操作迅速且能够达到相当的精度。     

应用于增量式光电编码器的相关自适应滤波方法

为了改善增量式光电编码器的莫尔条纹光电信号质量,降低主计数信号中高次谐频的影响,提高信噪比达到输出稳定的正弦波形,本文深入地研究了莫尔条纹光电信号中的高频信号和噪音信号产生的原因及其相关自适应滤除方法.从宏观和微观两个方案分析光栅副的屏函数,研究莫尔条纹光电信号输出波形的不确定原因,并且提出采用相关自适应滤波方法将高频信号滤除保留原有基频信号.从相关自适应滤波的数学模型论证和推导该相关自适应滤波过程并讨论其自适应性.指出在设计该自适应滤波电路时需要重视的几个关键指标及其影响效果,完成相关自适应滤波的有效性分析.相关自适应滤波效果等价于一个中心频率为基频的窄带带通滤波器,当基频随机变化时其通带也会随之改变.通过相关自适应滤波技术较好地滤除计数信号中除基频外所有高频分量和放大电路所引入的加性高斯白噪音.实验证明：莫尔条纹光电信号的失真度被降低8倍相关自适应滤波方法能使莫尔条纹光电输出波形趋近于标准正弦波,获得更高的信噪比.     

频率扫描干涉中基于DFT的相位测量

频率扫描干涉可以实现绝对距离测量,其中相位测量至关重要,其精度直接影响干涉测量的最终精度。从信号频域角度出发,提出了一种利用参考信号和测量信号离散傅里叶变换的相位测量方法。在对参考信号和测量信号采样前,分别对它们进行负向过零检测,当信号负向过零时才开始采样。对信号离散傅里叶变换后进行频谱分析,指出在信号采样前进行负向过零检测,可以消除信号频率值的相对偏差。根据理论分析,在LabVIEW中进行了建模仿真。结果表明:该方法具有精度高和抗噪声能力强等优点,在测量距离为10 m时,相位测量平均值与理论值相差2π,相对不确定度仅为0.105%。     

傅里叶变换轮廓术中频谱泄漏的讨论

讨论了频谱泄漏对傅里叶变换轮廓术测量精度的影响。由于用傅里叶变换轮廓术进行三维面形测量时 ,测得的变形光场是空间有限函数 ,故离散傅里叶变换时先要进行周期拓展 ,如果拓展周期选择不当 ,拓展后的条纹将不连续 ,对之进行傅里叶变换会产生频谱泄漏。文章从理论上推导了拓展周期与变形结构光场频谱泄漏之间的关系 ,给出了由泄漏引起的视场边缘误差的计算模型和定量分析。提出采用条纹外插以减小泄漏误差的方法 ,计算机模拟及初步实验证实了该方法的有效性。     

傅里叶变换轮廓要中频谱泄漏的讨论

讨论了频谱泄漏对傅里叶变换轮廓术测量精度的影响.由于用傅里叶变换轮廓术进行三维面形测量时,测得的变形光场是空间有限函数,故离散傅里叶变换时先要进行周期拓展,如果拓展周期选择不当,拓展后的条纹将不连续,对之进行傅里叶变换会产生频谱泄漏.文章从理论上推导了拓展周期与变形结构光场频谱泄漏之间的关系.给出了由泄漏引起的视场边缘误差的计算模型和定量分析.提出采用条纹外插以减小泄漏误差的方法,计算机模拟及初步实验证实了该方法的有效性.     

紫外傅里叶变换光谱仪干涉图数据处理

阐述了干涉图数据处理方法 ,采用紫外傅里叶变换光谱仪实验测量了汞灯光谱干涉图。使用四阶Blackman Harris窗函数作为切趾函数 ,采用最小二乘法拟和多项式对光源傅里叶变换光谱进行相位校正 ,获得了高精度的Hg紫外发射光谱     

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.     

频域干涉测量中脉冲延迟时间测定方法的研究

在基于超短激光脉冲频域干涉技术的超快激光与物质相互作用的测量实验中,束一束间的延迟时间对瞬态特性的测量至关重要。利用两束脉冲频谱干涉条纹宽度与脉冲相对延迟时间成反比关系这一特性,阐述了通过对脉冲频谱干涉图进行傅里叶变换,在干涉条纹傅里叶变换面（时间域）上测量脉冲延迟时间的基本原理,并给出了测量误差分析,数值模拟结果显示通过傅里叶变换的方式,在频谱干涉图的时间域上可以有效地提取出两束脉冲间的相对延迟时间。