基于五点法的单幅光学干涉条纹相位提取
发布时间：2021-06-09 01:43
针对单幅干涉条纹相位提取问题,构建了一种快速、高精度相位提取算法。该算法即中心五点法利用单幅线阵干涉条纹五点计算相位,即最大点、最大点两侧最近极小点以及上述三点间两中间点。数值模拟结果表明,无论有无噪声,相比FFT法和两次希尔伯特法,中心五点法结果与相移干涉法的一致性都更好。同两次希尔伯特相位提取算法比,中心五点法过程数据位数扩展少;同FFT法比,不涉及乘法器,无需存储大量数据。此外,算法无需去除干涉条纹直流分量,进一步简化了计算量。实验测试结果表明用中心五点法处理去直流分量前后单幅线阵干涉条纹,相位结果精度仅相差约9.55×10-5λ;相位解算结果同FFT法相对分辨率一致,同两次希尔伯特变换算法有约2.26%的区别;利用FPGA技术实现了中心五点法、FFT法和希尔伯特变换法相位解算,前者资源消耗比后两者分别节省27%和22%,速度分别比后者快469%和5%。
【文章来源】：激光与红外. 2020,50(08)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
不带噪声数值模拟结果
对图1(a)中不带噪声的干涉条纹施加对应点数的高斯噪声,噪声均值为0,方差为每帧干涉条纹均值。图2(a)为带高斯噪声的干涉条纹模拟图,图2(b)为上述几种方法的相位处理结果。可知,中心五点法和两次希尔伯特变换法受噪声影响明显,相位解算结果均出现波动,但两次希尔伯特变换法波动更大,FFT法受噪声影响小。如表2所示,与表1对比可知噪声引起中心五点法和FFT法与PSI的SSD值均变大,噪声使两次希尔伯特变换法向靠近PSI结果方向波动,因此其SSD反而减小。综合来看,噪声情况下,仍然是中心五点法相位解算结果最接近原始相位变化,此外,FFT法优于两次希尔伯特变换法。表2 带高斯噪声时三种方法分别与移相干涉法 对应点差值平方和Tab.2 The SSD between three methods and PSI with Gaussian noise No. Method SSD 1 Hilbert transform twice 84.8155 2 FFT 26.7244 3 Central five points 0.6950
实验中一组干涉条纹被CMOS图像传感器转换后经采样率为4 MHz的高速AD(AD9240,14 bits)采集,平滑连线后如图3(b)所示,图中横坐标像素点对应的纵坐标像素值用圆圈标注。计算每幅干涉条纹非对称参数a,为固定值0.5,因此干涉条纹非对称现象引起的相位解算误差是系统误差,可利用标定手段一定程度上消除该误差的影响。取连续20幅干涉条纹,滤除直流分量,如图4(a)所示。利用中心五点法计算滤波前后对应各幅干涉条纹的相位,如图4(b)所示,图中“Before”为滤波前的20个相位解算结果,“After”为滤波后的20个相位解算结果,两者吻合度高,滤波前相对于滤波后相位解算平均差值为0.06 %,约为9.55×10-5个波长,误差非常小[17],可忽略。当直流分量较大,如为交流分量3倍时,滤波前后相位差值均值为3.2×10-11,亦可忽略。故而中心五点法无需滤除干涉条纹直流分量。
【参考文献】：
期刊论文
[1]应用电光调制干涉系统对甲烷气体浓度监测的研究[J]. 闫洁,孟鹏花. 光谱学与光谱分析. 2013(08)
[2]二维快速傅里叶变换干涉图相位提取误差分析[J]. 张敏,唐锋,王向朝,戴凤钊. 中国激光. 2013(03)
[3]极紫外光刻物镜系统波像差检测技术研究[J]. 张宇,金春水,马冬梅,王丽萍. 红外与激光工程. 2012(12)
本文编号：3219654
【文章来源】：激光与红外. 2020,50(08)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
不带噪声数值模拟结果
对图1(a)中不带噪声的干涉条纹施加对应点数的高斯噪声,噪声均值为0,方差为每帧干涉条纹均值。图2(a)为带高斯噪声的干涉条纹模拟图,图2(b)为上述几种方法的相位处理结果。可知,中心五点法和两次希尔伯特变换法受噪声影响明显,相位解算结果均出现波动,但两次希尔伯特变换法波动更大,FFT法受噪声影响小。如表2所示,与表1对比可知噪声引起中心五点法和FFT法与PSI的SSD值均变大,噪声使两次希尔伯特变换法向靠近PSI结果方向波动,因此其SSD反而减小。综合来看,噪声情况下,仍然是中心五点法相位解算结果最接近原始相位变化,此外,FFT法优于两次希尔伯特变换法。表2 带高斯噪声时三种方法分别与移相干涉法 对应点差值平方和Tab.2 The SSD between three methods and PSI with Gaussian noise No. Method SSD 1 Hilbert transform twice 84.8155 2 FFT 26.7244 3 Central five points 0.6950
实验中一组干涉条纹被CMOS图像传感器转换后经采样率为4 MHz的高速AD(AD9240,14 bits)采集,平滑连线后如图3(b)所示,图中横坐标像素点对应的纵坐标像素值用圆圈标注。计算每幅干涉条纹非对称参数a,为固定值0.5,因此干涉条纹非对称现象引起的相位解算误差是系统误差,可利用标定手段一定程度上消除该误差的影响。取连续20幅干涉条纹,滤除直流分量,如图4(a)所示。利用中心五点法计算滤波前后对应各幅干涉条纹的相位,如图4(b)所示,图中“Before”为滤波前的20个相位解算结果,“After”为滤波后的20个相位解算结果,两者吻合度高,滤波前相对于滤波后相位解算平均差值为0.06 %,约为9.55×10-5个波长,误差非常小[17],可忽略。当直流分量较大,如为交流分量3倍时,滤波前后相位差值均值为3.2×10-11,亦可忽略。故而中心五点法无需滤除干涉条纹直流分量。
【参考文献】：
期刊论文
[1]应用电光调制干涉系统对甲烷气体浓度监测的研究[J]. 闫洁,孟鹏花. 光谱学与光谱分析. 2013(08)
[2]二维快速傅里叶变换干涉图相位提取误差分析[J]. 张敏,唐锋,王向朝,戴凤钊. 中国激光. 2013(03)
[3]极紫外光刻物镜系统波像差检测技术研究[J]. 张宇,金春水,马冬梅,王丽萍. 红外与激光工程. 2012(12)
本文编号：3219654
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