針對單幅干涉條紋相位提取問題,構(gòu)建了一種快速、高精度相位提取算法。該算法即中心五點(diǎn)法利用單幅線陣干涉條紋五點(diǎn)計(jì)算相位,即最大點(diǎn)、最大點(diǎn)兩側(cè)最近極小點(diǎn)以及上述三點(diǎn)間兩中間點(diǎn)。數(shù)值模擬結(jié)果表明,無論有無噪聲,相比FFT法和兩次希爾伯特法,中心五點(diǎn)法結(jié)果與相移干涉法的一致性都更好。同兩次希爾伯特相位提取算法比,中心五點(diǎn)法過程數(shù)據(jù)位數(shù)擴(kuò)展少;同F(xiàn)FT法比,不涉及乘法器,無需存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)。此外,算法無需去除干涉條紋直流分量,進(jìn)一步簡化了計(jì)算量。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明用中心五點(diǎn)法處理去直流分量前后單幅線陣干涉條紋,相位結(jié)果精度僅相差約9.55×10^-5λ;相位解算結(jié)果同F(xiàn)FT法相對分辨率一致,同兩次希爾伯特變換算法有約2.26%的區(qū)別;利用FPGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)了中心五點(diǎn)法、FFT法和希爾伯特變換法相位解算,前者資源消耗比后兩者分別節(jié)省27%和22%,速度分別比后者快469%和5%。 

【文章來源】：激光與紅外. 2020,50(08)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

不帶噪聲數(shù)值模擬結(jié)果

對圖1(a)中不帶噪聲的干涉條紋施加對應(yīng)點(diǎn)數(shù)的高斯噪聲,噪聲均值為0,方差為每幀干涉條紋均值。圖2(a)為帶高斯噪聲的干涉條紋模擬圖,圖2(b)為上述幾種方法的相位處理結(jié)果�？芍�,中心五點(diǎn)法和兩次希爾伯特變換法受噪聲影響明顯,相位解算結(jié)果均出現(xiàn)波動(dòng),但兩次希爾伯特變換法波動(dòng)更大,FFT法受噪聲影響小。如表2所示,與表1對比可知噪聲引起中心五點(diǎn)法和FFT法與PSI的SSD值均變大,噪聲使兩次希爾伯特變換法向靠近PSI結(jié)果方向波動(dòng),因此其SSD反而減小。綜合來看,噪聲情況下,仍然是中心五點(diǎn)法相位解算結(jié)果最接近原始相位變化,此外,FFT法優(yōu)于兩次希爾伯特變換法。表2 帶高斯噪聲時(shí)三種方法分別與移相干涉法 對應(yīng)點(diǎn)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

實(shí)驗(yàn)中一組干涉條紋被CMOS圖像傳感器轉(zhuǎn)換后經(jīng)采樣率為4 MHz的高速AD(AD9240,14 bits)采集,平滑連線后如圖3(b)所示,圖中橫坐標(biāo)像素點(diǎn)對應(yīng)的縱坐標(biāo)像素值用圓圈標(biāo)注。計(jì)算每幅干涉條紋非對稱參數(shù)a,為固定值0.5,因此干涉條紋非對稱現(xiàn)象引起的相位解算誤差是系統(tǒng)誤差,可利用標(biāo)定手段一定程度上消除該誤差的影響。取連續(xù)20幅干涉條紋,濾除直流分量,如圖4(a)所示。利用中心五點(diǎn)法計(jì)算濾波前后對應(yīng)各幅干涉條紋的相位,如圖4(b)所示,圖中“Before”為濾波前的20個(gè)相位解算結(jié)果,“After”為濾波后的20個(gè)相位解算結(jié)果,兩者吻合度高,濾波前相對于濾波后相位解算平均差值為0.06 %,約為9.55×10-5個(gè)波長,誤差非常小[17],可忽略。當(dāng)直流分量較大,如為交流分量3倍時(shí),濾波前后相位差值均值為3.2×10-11,亦可忽略。故而中心五點(diǎn)法無需濾除干涉條紋直流分量。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]應(yīng)用電光調(diào)制干涉系統(tǒng)對甲烷氣體濃度監(jiān)測的研究[J]. 閆潔,孟鵬花.  光譜學(xué)與光譜分析. 2013(08)
[2]二維快速傅里葉變換干涉圖相位提取誤差分析[J]. 張敏,唐鋒,王向朝,戴鳳釗.  中國激光. 2013(03)
[3]極紫外光刻物鏡系統(tǒng)波像差檢測技術(shù)研究[J]. 張宇,金春水,馬冬梅,王麗萍.  紅外與激光工程. 2012(12)



本文編號：3219654