CCD非线性效应对剪切干涉法波前检测的影响

利用径向剪切干涉法检测高功率激光波前时,由于探测器CCD非线性效应,在频谱中引入了除基频外的二级、三级等高次频谱分量,增加了频谱混叠的可能,使得对有用信息提取困难,降低了波前检测精度。从理论上分析了CCD非线性效应产生高次频谱分量和导致频谱混叠的原因,给出非线性条件下避免频谱混叠的条件,提出了通过提高空间载频的方法来减小或消除CCD非线性效应导致的频谱混叠。计算机模拟和实验结果表明,该方法能够有效抑制频谱混叠并显著提高波前检测精度。     

CCD的非线性与频谱混叠的关系研究

分析了CCD的非线性产生频谱混叠问题,提出了减小频谱混叠的方法.从理论上分析了CCD的非线性产生高频分量的原因,给出了简单的物理解释和解析推导.通过计算机仿真与实验两种方法得出了CCD的非线性导致频谱混叠的结果,再通过计算机仿真方法得出结论：在存在高级次频谱成份的情况下,加密抽样可减少频谱混叠并明显提高FTP的测量准确度.     

基于系统非线性校正与滤波的相位测量

相位测量系统中投影仪输出与CCD输入变形条纹光强之间的非线性导致频谱混叠,影响测量精度,为了消除他们之间的非线性关系,提高相位测量精度,分析了系统非线性产生的基本原因,提出了一种基于系统非线性校正与滤波的相位测量方法.首先校正由投影仪中伽马畸变产生的系统非线性,然后采用低通滤波器对校正后输出的频谱进行滤波,只保留频谱中的基频成份,最后采用四步相移法对变形条纹进行相位测量.MATLAB仿真与实际实验结果表明,所提方法的系统非线性校正与滤波效果较好,有助于提高相位测量精度.     

纳米精度外差干涉仪非线性漂移的研究

在纳米精度外差干涉仪中，由于非线性温度漂移，成为外差干涉仪实现纳米精度测量的重要误差源。本文对差动干涉仪的理论分析得出如下的结论，干涉仪中除了测量光路和参考光路以外，还存在参考光误差分量和测量光误差分量的额外光路，从而引和了干涉混叠，产生非线性漂移：１／４波片的相位延迟量误差和安装是引入非线性漂移的主要因素，其影响程度是一阶的，提高波片对加工精度，并尽量减少其级数可降低非线性漂移。     

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。     

双频光栅傅里叶变换轮廓术频谱混叠研究

讨论了用双频光栅方法对包含突变成份的物体产生的变形条纹进行傅里叶变换时,可能会出现频谱混叠问题.推出了低频光栅的频谱f1与高频光栅的频谱f2不相互混叠的条件,分析了探测器非线性会引起同一光栅间频谱发生混叠情况.考虑到通常情况下低频光栅频谱f1与高频光栅频谱f2的混叠起主要作用,因此在该情况下用计算机仿真与实验验证了：当f2<2f1时,f1与f2相互混叠,物体面形难以恢复;当f2>2f1时,f1与f2不相互混叠,物体面形恢复得很好.     

双频光栅傅里叶变换轮廓术频谱混叠研究

讨论了用双频光栅方法对包含突变成份的物体产生的变形条纹进行傅里叶变换时,可能会出现频谱混叠问题.推出了低频光栅的频谱f1与高频光栅的频谱f2不相互混叠的条件,分析了探测器非线性会引起同一光栅间频谱发生混叠情况.考虑到通常情况下低频光栅频谱f1与高频光栅频谱f2的混叠起主要作用,因此在该情况下用计算机仿真与实验验证了:当f2<2f1时,f1与f2相互混叠,物体面形难以恢复;当f2>2f1时,f1与f2不相互混叠,物体面形恢复得很好.     

波前功率谱密度(PSD)测量滤波器的设计

在采用波前功率谱密度评价大口径光学元件时,由于测得的原始数据受到测量系统引入的各种噪音和外界干扰的作用,会使检测准确度下降.对比引入带通滤波技术,对原始数据的有效滤波,减小带外的噪音分量和频谱混叠现象的影响.分别设计了无限脉冲响应带通滤波器和有限脉冲响应带通滤波器,通过模拟分析比较了两者的性能,得出在波前波前功率谱密度用于评价大口径光学元件的面形质量时,采用有限脉冲响应滤波器可以得到更高的测量准确度.     

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。     

光学低通滤波器的频率特性和光谱特性

光学低通滤波器是利用石英晶体的双折射效应和红外截止滤光片设计而成的。它在CCD摄像机传感器前可以有效地降低或消除离散光电探测器对不同空间频率目标成像所产生的拍频效应或条纹混叠现象,并能消除红外光对彩色还原的影响,从而提高了CCD摄像机成像的视觉效果。     

基于互信息的干涉成像采样系统性能分析

为了优化干涉采样成像系统的设计,采用端到端的互信息量评价系统的性能.建立了基于互信息的干涉采样成像系统数学模型.利用该模型得到了互信息量最大时光学成像系统和CCD的匹配条件:相干成像光学系统的截止频率等于CCD的Nyquist频率.分析了物体频谱分布、噪声、光源相干性和光学成像系统像差对互信息量的影响.结果表明,它们不影响光学成像系统和CCD的匹配条件.     

利用相位模板实现数字全息超分辨成像

为了简化数字全息超分辨记录系统,分别在其物光和参考光部分引入一块相位模板,以获得垂直和倾斜方向照明物体的光束和具有不同载波频率的参考光束.当这些具有不同照射方向的光透过物体后,可以使CCD在位置固定的情况下记录到携带低频和高频信息的物体衍射场,不同载波频率的参考光则保证了高频和低频信息在复合全息图的频谱面上能够相互分离.实验结果证明,通过将记录到的物体高频和低频信息合成,可以获得超出系统衍射极限分辨率的再现像.     

空间插值在功率谱密度计算中的应用

 为了提高光学元件波前中频PSD计算的精度和有效频谱宽度,提出了填补波前无效数据的双线性插值法和抑制欠采样噪声的六采样点插值法。模拟计算和实验结果表明：双线性插值法有效地保证了填充数据与真实数据的一致性,抑制了零填充方法引入的虚假中高频信息,使得填补后的PSD与原始PSD较好地吻合;六采样点插值法有效地分离了信号和欠采样噪声,使得有效PSD频谱上限从1/2 Nyquist频率提高到Nyquist频率。     

空间插值在功率谱密度计算中的应用

为了提高光学元件波前中频PSD计算的精度和有效频谱宽度,提出了填补波前无效数据的双线性插值法和抑制欠采样噪声的六采样点插值法。模拟计算和实验结果表明：双线性插值法有效地保证了填充数据与真实数据的一致性,抑制了零填充方法引入的虚假中高频信息,使得填补后的PSD与原始PSD较好地吻合;六采样点插值法有效地分离了信号和欠采样噪声,使得有效PSD频谱上限从1/2 Nyquist频率提高到Nyquist频率。     

CCD对高空间分辨率波前干涉检测的影响

推导并用实验验证了光强与入射波前在单位像元面积里成近似线性关系,从而得到入射波前经CCD采样后的功率谱密度（PSD）公式.根据该公式,模拟分析了影响CCD采集系统的系统传递函数的各个因素：入射波前、CCD的填充因子及CCD的曝光时间,得出了他们与系统传递函数的定性关系,并且通过实验明确CCD曝光时间对高空间分辨率波前检测不确定度的影响,为高空间分辨率干涉设计提供了理论依据.     

Eliminate the influence of zero-order diffraction for wavefront reconstruction with selectable magnification in digital holographic

The objective surface is considered as the scattering plane; frequency spectrum of a digital hologram transmission light is studied when the reference light and reconstruction wave are spherical waves. The relation between relevant parameters and the object light, conjugate object light and zero-order diffraction wave frequency spectrum distribution. The research results show that: each frequency spectrum of the diffracted wave broadens to various degrees as the radius of the reconstruction wavefront decreases, and frequency aliasing is generated under certain conditions. Based on the research results, a new method that carries out high-pass filtering processing without zero-order diffraction interference upon digital hologram is proposed and the reconstruction experimental proof for eliminating the interferential changeable magnification wave is given.     

基于Hilbert变换的水下多源声信号频率的相干探测

为实现水下中低频声信号的探测识别,通过研究水下多声源相干探测信号的特征,理论上给出了相干探测信号频谱混叠情况下的特征表达式,并提出了一种基于Hilbert变换的信号解调处理方法,实现了水下多声源相干探测信号频谱混叠情况下各声源发声频率的解调.该方法将探测信号经过滤波平滑处理之后进行Hilbert变换,得到信号的解析形式,然后对解析信号模值的平方进行二次滤波平滑等处理,分离混叠在一起的频带,将得到的信号进行频谱分析,根据频移值计算得到水下各个声源的发声频率.在光学暗室下搭建激光相干探测系统,对2~6kHz的水下声信号进行实验,实验结果表明,该方法可以有效分离探测信号中混叠在一起的信号频带,并准确提取各水下声信号的发声频率,频率提取重复性不大于2.5Hz.     

吸收峰混叠的太赫兹光谱区间组合特征提取算法

太赫兹光谱是物质识别的前沿方法之一。由于不同物质的分子组成或结构各异,许多物质的太赫兹吸收谱会在特定频率上出现吸收峰,可以作为混合物成分检测的重要特征。有效准确地提取这些吸收峰的参数,是提高识别率的关键。多峰拟合算法将光谱曲线拟合成若干个标准峰函数之和,能够同时提取到吸收峰的频率、峰高、峰宽等信息。但是该算法以寻峰算法结果为基础确定吸收峰的大致位置和数量,寻峰结果不一定是最优的拟合结果,而且很难准确识别定位混叠状态的吸收峰。为了提高混叠光谱中吸收峰的识别定位精度,提出以大幅度平滑后的曲线波谷为分界点,将预处理后的光谱分成若干个子区间。然后将子区间组合起来进行多峰拟合,通过遗传算法得到最优的拟合子区间组合和吸收峰频率近似值,拟合时每个子区间中通过峰数递增最优化方法确定拟合的吸收峰数,最后微调优化得到最优的吸收峰频率、峰高值。为了实现物质的识别,通过密度聚类算法得到同一类纯净物在多次测量中的共同吸收峰,以此作为标准数据,通过提出的基于吸收峰特征的光谱匹配算法实现了纯净物和不同含量混合物的快速识别。对10类纯净物的实际光谱数据进行拟合聚类,得到其吸收峰参数,结果与太赫兹光谱数据库一致。通过识别算法对纯净物测试集进行识别的识别率为100%,证明了特征提取和物质识别算法的有效性。对于含有混叠峰的混合物光谱,二阶导数法对葡萄糖-乳糖混合物光谱中被掩盖吸收峰(1.280 THz)的识别率仅为70%,提取到的频率平均值为1.316 THz;而该算法提高识别率至95%,频率平均值为1.281 THz,该算法提高了对混叠峰的分辨能力,能够精确定位混叠峰。对10类纯净物构成的6类不同程度混叠的二元混合物前二、三识别率分别达到90.8%和98.3%,提取到的特征能够有效应用于混合物的成分检测。该算法能够以纯净物数据为标准数据实现成分各异的混合物成分检测,对于太赫兹光谱混合物成分检测有重要意义。     

窄带高光谱干涉成像的压缩采样复原方法

利用干涉成像光谱仪对目标进行窄带高光谱成像探测具有高光通量、高光谱分辨率和高目标分辨率等优点。按照尼奎斯特定理对窄带光谱干涉信息进行采样存在较大的数据冗余,增加了后期傅里叶变换的数据处理量,影响光谱的复原效率。在分析窄带光谱傅里叶变换特性的基础上,提出了基于滤光片光谱透射率函数的窄带光谱压缩采样方法。引入滤光片参数和混叠参数,可以复原不同精度的窄带光谱信息。配以符合要求的多带通窄带滤光片,可对目标进行压缩采样获取多个谱段的窄带光谱信息,从而避免了逐个谱段探测,提高了探测效率。对该方法进行了仿真分析和实验验证,得到了与目标光谱相吻合的复原窄带光谱。