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基于深度卷积神经网络的大气湍流相位提取

物理学报 2020年第1期69卷 280-290页

作者：徐启伟王佩佩曾镇佳黄泽斌周新星刘俊敏李瑛陈书青范滇元深圳技术大学新材料与新能源学院深圳518118 深圳大学二维材料光电科技国际合作联合实验室广东省二维材料信息功能器件与系统工程技术研究中心深圳518060 湖南师范大学物理与电子学院量子效应及其应用协同创新中心长沙410081

光束在自由空间中传播时容易受到大气湍流的影响,其对传输光束的影响相当于附加一个随机噪声相位,导致传输光束质量下降.本文提出了一种基于深度卷积神经网络(convolutional neural network,CNN)的湍流相位信息提取方法,该方法采用受湍... 详细信息

光束在自由空间中传播时容易受到大气湍流的影响,其对传输光束的影响相当于附加一个随机噪声相位,导致传输光束质量下降.本文提出了一种基于深度卷积神经网络(convolutional neural network,CNN)的湍流相位信息提取方法,该方法采用受湍流影响的光强图为特征提取对象,经过对海量样本进行自主学习后,CNN的损失函数值收敛到0.02左右,其在测试集上的平均损失函数值低于0.03.训练好的CNN模型具有很好的泛化能力,可以直接根据输入的光强图准确提取出湍流相位.利用I5-8500 CPU,预测Cn2=1×10^-14m^-2/3,Cn2=5×10^-14 m^-2/3和Cn2=1×10^-13 m^-2/3三种湍流强度的湍流相位所需要的平均时间低至5×10^-3 s.此外,CNN的湍流相位提取能力,可以通过提高计算能力或者优化模型结构来进一步提升.这些结果表明,基于CNN的湍流相位提取方法能够有效的提取湍流相位,在湍流补偿、大气湍流特性研究和图像重构等方面具有重要的应用价值.

关键词：大气湍流相位提取深度卷积神经网络 Gerchberg-Saxton算法

Ronchi剪切干涉仪高精度相位提取及误差分析

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中国激光 2024年第11期 545-557页

作者：常春超李中梁卢云君王向朝浙江大学光电科学与工程学院中国科学院大学材料与光电研究中心中国科学院上海光学精密机械研究所信息光学与光电技术实验室浙江大学极端光学技术与仪器全国重点实验室

双光栅Ronchi剪切干涉是一种基于瞳面测量的波像差检测技术，该技术具有无需参考面、共光路测量以及结构简单、易于集成等优点，适用于光刻投影物镜波像差的在线检测。相位提取是采用该技术进行波像差检测的重要步骤，直接影响最终的测... 详细信息

双光栅Ronchi剪切干涉是一种基于瞳面测量的波像差检测技术，该技术具有无需参考面、共光路测量以及结构简单、易于集成等优点，适用于光刻投影物镜波像差的在线检测。相位提取是采用该技术进行波像差检测的重要步骤，直接影响最终的测量精度。针对双光栅Ronchi剪切干涉仪高阶衍射光影响相位提取精度的问题，提出了一种高精度的相位提取算法，可消除剪切干涉场中±1级衍射光重叠区域内高阶衍射光的干扰，提高剪切相位提取精度。仿真结果表明，该算法的剪切相位提取误差仅存在高频拟合残差，验证了该算法可有效抑制高阶衍射光的干扰。利用剪切率为0.058的双光栅Ronchi剪切干涉系统进行了实验，并与基于双光纤的点衍射干涉仪的测量结果进行对比，两种方法的测量结果具有相同的波像差分布，验证了所提剪切相位提取算法的有效性。

关键词：干涉测量 Ronchi剪切干涉相位提取波像差检测光刻投影物镜剪切率

基于复移Morlet小波的光栅条纹图像相位提取

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传感器与微系统 2022年第3期41卷 135-138页

作者：刘忠艳乔付苏泽青陈子韵岭南师范学院计算机与智能教育学院广东湛江524048

面结构光三维测量中,变形光栅条纹的相位信息映射为物体表面的高度,为了提取变形条纹的相位,用复移Morlet小波作为母小波,并给出复移Morlet小波的参数带宽f_(b)和中心频率f_(c)的取值方法,对由物体表面高度调制而发生变形的条纹图像进... 详细信息

面结构光三维测量中,变形光栅条纹的相位信息映射为物体表面的高度,为了提取变形条纹的相位,用复移Morlet小波作为母小波,并给出复移Morlet小波的参数带宽f_(b)和中心频率f_(c)的取值方法,对由物体表面高度调制而发生变形的条纹图像进行连续小波变换,利用最大值法确定小波变换的“脊”,进而提取条纹图像的相位。模拟和实验均表明:根据最小香农熵准则确定带宽f_(b),由f_(c)√2 f_(b)进而确定f_(c),所提出的方法提取条纹图像的相位是适合的,提取精度优于传统Morlet 1-1.5提取相位及傅立叶变换法,鲁棒性较好。

关键词：相位提取复移Morlet小波连续小波变换光栅条纹图像

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基于卷积神经网络的指纹条纹图相位提取方法

光子学报 2022年第6期51卷 372-385页

作者：王海霞单鲁斌庞巧玲张怡龙浙江工业大学计算机科学与技术学院杭州310000 浙江工业大学信息工程学院杭州310000

在传统二维指纹采集过程中,接触式采集方式丢失指纹深度信息,而非接触式三维指纹采集信息更加完整,并且由于其较高安全性和对硬件依赖较少的特点受到人们关注。本文应用条纹投影技术对三维指纹进行测量,构建了卷积神经网络进行单幅指纹... 详细信息

在传统二维指纹采集过程中,接触式采集方式丢失指纹深度信息,而非接触式三维指纹采集信息更加完整,并且由于其较高安全性和对硬件依赖较少的特点受到人们关注。本文应用条纹投影技术对三维指纹进行测量,构建了卷积神经网络进行单幅指纹条纹图像的相位提取。针对如今主流的均方误差损失函数导致的指纹细节模糊和过于平滑,并且包裹相位存在着2π间断处误差剧增导致难优化的问题,本文提出了全新包裹感知的损失函数。实验表明本文构建的卷积神经网络和提出的损失函数在主观视觉和客观指标上达到了较高的相位提取精度,其整体相位误差为0.0839,包裹间断处相位误差为0.1049,同时较好地保留了指纹细节特征。

关键词：指纹三维测量条纹投影相位提取卷积神经网络损失函数

基于互补集合经验模态分解结合希尔伯特变换的光频扫描干涉信号相位提取方法

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中国光学（中英文） 2023年第3期16卷 682-700页

作者：杨克元邓忠文陈文军姚鑫孙海峰沈利荣中国空间技术研究院西安分院陕西西安710100 西安电子科技大学前沿交叉研究院陕西西安710071 西安电子科技大学空间科学与技术学院陕西西安710071

光频扫描非线性会影响光频扫描干涉(FSI)信号的相位提取精度,进而降低扫频干涉测距精度。针对这一问题,本文提出了一种基于互补集合经验模态分解结合希尔伯特变换(CEEMD-HT)算法的干涉信号相位提取方法。在CEEMDHT算法进行理论推导和仿... 详细信息

光频扫描非线性会影响光频扫描干涉(FSI)信号的相位提取精度,进而降低扫频干涉测距精度。针对这一问题,本文提出了一种基于互补集合经验模态分解结合希尔伯特变换(CEEMD-HT)算法的干涉信号相位提取方法。在CEEMDHT算法进行理论推导和仿真分析的基础上,通过仿真验证了该算法对非平稳扫频干涉信号相位求解的有效性。进一步采用FSI实验系统中的真实输出光频率作为仿真条件进行了仿真实验,仿真结果表明CEEMD-HT算法对干涉信号相位的求解精度以及FSI测距精度都有显著的改善。最后,通过FSI测距系统的测距实验对所提出的干涉信号相位提取方法进行验证。结果表明:在2 m自由空间测量范围内,基于CEEMD-HT算法的重复测距精度为2.79μm,相较于EMDHT和直接测量法分别提高了5.19倍和8.28倍。

关键词：干涉测量距离测量光频扫描扫频非线性相位提取

基于经验模态分解的自混合干涉相位提取方法研究

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物理学报 2015年第5期64卷 171-178页

作者：张玉燕周航闫美素燕山大学电气工程学院秦皇岛066004 燕山大学测试计量技术及仪器河北省重点实验室秦皇岛066004

为实现光反馈机理下激光自混合干涉信号相位的精确提取,本文提出了一种基于经验模态分析(EMD)的相位提取方法.首先,采用EMD算法对含噪的自混合干涉信号进行了降噪预处理,提取有效的干涉信号.然后在对含有外腔物体运动信息的光反馈相位... 详细信息

为实现光反馈机理下激光自混合干涉信号相位的精确提取,本文提出了一种基于经验模态分析(EMD)的相位提取方法.首先,采用EMD算法对含噪的自混合干涉信号进行了降噪预处理,提取有效的干涉信号.然后在对含有外腔物体运动信息的光反馈相位求解的过程中,利用希尔伯特黄变换(HHT)原理实时提取每一时刻的瞬时相位,将其去包裹处理后得到真实相位.在弱、适度、强光反馈条件下,分别对基于EMD的相位提取算法进行了仿真研究.最后,搭建了基于自混合干涉效应的微位移测量实验平台,进行实验研究.实验结果表明,利用该方法可以实现对自混合干涉信号的相位提取,最大误差小于1.6 rad.仿真和实验结果的一致性,说明了EMD方法的有效性.

关键词：光反馈自混合干涉经验模态分解相位提取去噪

基于边缘增强自注意力与前背景可分假设的相位提取方法

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基于边缘增强自注意力与前背景可分假设的相位提取方法

作者：张峻康广西大学

学位级别：硕士

三维视觉成像在逆向工程、医学成像、虚拟/增强现实、元宇宙等方面有着重要的应用。单帧条纹投影轮廓术作为一种非接触式的主动三维视觉成像测量方法,具有便捷性强、精度高、可成像动态物体的优点。而相位提取是单帧条纹投影轮廓术中最... 详细信息

三维视觉成像在逆向工程、医学成像、虚拟/增强现实、元宇宙等方面有着重要的应用。单帧条纹投影轮廓术作为一种非接触式的主动三维视觉成像测量方法,具有便捷性强、精度高、可成像动态物体的优点。而相位提取是单帧条纹投影轮廓术中最重要的步骤,其主要包括包裹相位提取、相位展开以及非线性载波相位去除三个主要环节。在单帧条纹图像相位提取的各个环节中,现有的方法还面临着如下挑战:（1）非线性载波相位去除方法的精度不高、自适应性以及通用性较差;（2）传统的非深度学习相位展开方法精度低、鲁棒性较差;近几年新出现的基于深度学习的相位展开方法精度虽然比较高,但泛化能力比较差。针对上述问题,分别对问题产生的原因以及可改进的方向进行研究,取得了如下创新性成果:（1）对于非线性载波相位去除问题,在观察和试验的基础上提出了一个条纹投影图像前景-背景可分性假设:利用奇异值分解可将条纹投影图像分离为背景条纹成分图像和前景物体成分图像。根据上述假设,提出了一种基于奇异值分解的非线性载波相位去除方法。新方法分成三步:第一步首先利用奇异值分解从条纹投影图像中检测出背景区域。第二步,仅对背景区域的相位进行多项式曲面拟合,获得更加准确的非线性载波相位。第三步,从条纹投影图像提取的相位中减去由拟合得到的非线性载波相位,得到被测物体的相位。在模拟的条纹图像以及实际条纹投影图像上进行的对比实验的结果表明,新方法相较于现有方法有较高的精度,验证了所提出假设的正确性。通过对抗噪声性能以及其他影响性能的因素进行对比实验,也验证了新方法相对于现有方法有更强的鲁棒性和通用性。（2）对于二维相位展开问题,首先提出了一个度量包裹相位中先验信息的量化指标,用来定量地衡量相位展开的难易程度。然后提出了一种新的基于边缘增强自注意力网络的二维相位展开方法。其中,设计并采用密集残差块代替卷积层以增强网络的学习能力;通过加入增大感受野的空洞空间金字塔池化和位置自注意力来解决相位展开中的远距离依赖问题;提出边缘增强块来更有效地利用包裹边缘特征。此外,设计并使用加权的交叉熵损失以克服相位数据中普遍存在的类别不平衡问题。多种对比实验表明,提出的新方法相对现有的同类方法有更高的精度和鲁棒性。消融实验也证明了加入位置注意力以及空洞空间金字塔池化有利于新方法性能的提高。

关键词：奇异值分解非线性载波相位去除自注意力边缘增强相位展开相位提取

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基于五点法的单幅光学干涉条纹相位提取

激光与红外 2020年第8期50卷 1002-1008页

作者：郗洪柱孔德仁王伟魁乐贵高航天长征火箭技术有限公司传感器部北京100076 南京理工大学机械工程学院江苏南京210094

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... 详细信息

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%。

关键词：光学干涉测量相位提取五点法 FFT法希尔伯特变换

WFTM-IP核设计与高速干涉图相位提取技术研究

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电子测量与仪器学报 2018年第6期32卷 124-130页

作者：马峻马园园焦凤敏莫凡珣郭玲桂林电子科技大学电子工程与自动化学院广西自动检测技术与仪器重点实验室

由于计算机操作系统多任务特性的局限性,无法满足数字干涉图分析技术的处理速度和操作的实时性,根据时-频域分析原理,提出了基于FPGA设计干涉图相位提取IP核,实现加窗傅里叶变换法(WFTM),WFTM-IP核包括数字干涉图的传输/存储模块、二维... 详细信息

由于计算机操作系统多任务特性的局限性,无法满足数字干涉图分析技术的处理速度和操作的实时性,根据时-频域分析原理,提出了基于FPGA设计干涉图相位提取IP核,实现加窗傅里叶变换法(WFTM),WFTM-IP核包括数字干涉图的传输/存储模块、二维窗口傅里叶变换(2D-WFT)模块、频谱生成和相位提取等模块,从而完成高速干涉图相位提取。通过计算机仿真、云纹干涉和投影光栅实验测试,二维窗口傅里叶变换方法能够有效的缩短相位提取时间,提高了相位分布的提取速度,验证了WFTM-IP核的有效性和可靠性。

关键词：数字干涉图 FPGA 加窗傅里叶变换 IP核相位提取