一種基于連續(xù)遠(yuǎn)場的波前復(fù)原系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于連續(xù)遠(yuǎn)場的波前復(fù)原系統(tǒng)及方法，由連續(xù)遠(yuǎn)場采集模塊，遠(yuǎn)場預(yù)處理模塊和遠(yuǎn)場到波前復(fù)原模塊組成。連續(xù)遠(yuǎn)場采集模塊記錄遠(yuǎn)場圖像連續(xù)變化過程，遠(yuǎn)場預(yù)處理模塊將記錄的遠(yuǎn)場圖像進(jìn)行降噪、尋質(zhì)心和去背景等圖像預(yù)處理工作，最后，預(yù)處理后的圖像將送入波前復(fù)原模塊，獲得波前信息。本方法直接利用連續(xù)測量的遠(yuǎn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行波前復(fù)原，無需增加額外的遠(yuǎn)場信息。本發(fā)明針對連續(xù)遠(yuǎn)場進(jìn)行相位反演，由于連續(xù)的遠(yuǎn)場之間位相差別較小，當(dāng)確定了其中一個(gè)近場位相后，可以快速的確定其他遠(yuǎn)場所對應(yīng)的近場位相，從而獲得連續(xù)的近場位相信息，本方法同樣具備高分辨波前探測的能力。
【專利說明】-種基于連續(xù)遠(yuǎn)場的波前復(fù)原系統(tǒng)及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種波前復(fù)原方法，特別是一種基于連續(xù)遠(yuǎn)場的波前復(fù)原系統(tǒng)及方 法。

【背景技術(shù)】
[0002] 波前復(fù)原方法是波前探測中一個(gè)重要的分支，是最近幾年廣受關(guān)注的一種波前探 測方法。目前的波前探測的方法主要方法有：哈特曼波前測量方法，干涉測量方法（剪切干 涉，點(diǎn)千涉等），曲率傳感器，金字塔傳感器和相位反演測量等方法。
[0003] 與其他的波前測量方法相比，相位反演測量方法無需增加額外的探測器件，能夠 在探測遠(yuǎn)場的同時(shí)獲得波前的相位信息，具有光能利用率高，空間分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。
[0004] 然而，傳統(tǒng)的相位反演測量方法進(jìn)行波前探測存在的主要困難是：相位反演的唯 一性問題，利用單幅遠(yuǎn)場進(jìn)行相位反演獲得的波前常常不唯一，特別是輸入位相幅值較大 或尺度較小時(shí)，無法采用單一的圖像獲得入射波前的位相信息；國內(nèi)外很多的學(xué)者針對這 個(gè)問題提出了各種解決方法，如：J.R.Fienup在文獻(xiàn)《Phase retrieval algorithms:a comparison》中就比對了各種改進(jìn)的相位反演算法，有通過増加一幅離焦位置圖像進(jìn)行 相位反演的（相位差反演算法），有梯度搜索算法等；國內(nèi)Guo-zhen Yang等則在文獻(xiàn) 《Gerchberg-Saxton and Yang-Gu algorithms for phase retrieval in a nonunitary transform system:a comparison》中提出了一種通用的相位反演算法，這些方法進(jìn)一步完 善相位反演在波前探測中的應(yīng)用。本專利針對連續(xù)變化的遠(yuǎn)場探測過程，對連續(xù)變化的遠(yuǎn) 場對應(yīng)的位相分布進(jìn)行探測。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的要解決技術(shù)問題是：針對連續(xù)變化遠(yuǎn)場探測過程，提供一種波前復(fù)原系 統(tǒng)及方法。本方法直接利用連續(xù)測量的遠(yuǎn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行波前復(fù)原，無需增加額外的遠(yuǎn)場信息。
[0006] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種基于連續(xù)遠(yuǎn)場的波前復(fù)原系統(tǒng)，該系統(tǒng)由遠(yuǎn)場圖 像記錄模塊（1)、遠(yuǎn)場圖像預(yù)處理模塊（2)和遠(yuǎn)場圖像至波前復(fù)原模塊（3)組成；遠(yuǎn)場圖像 記錄模塊（1)記錄遠(yuǎn)場圖像連續(xù)變化過程，遠(yuǎn)場圖像預(yù)處理模塊（2)將記錄的遠(yuǎn)場圖像進(jìn) 行降噪、尋質(zhì)心和去背景圖像預(yù)處理工作，最后，預(yù)處理后的圖像將送入遠(yuǎn)場圖像至波前復(fù) 原模塊（3)，獲得波前信息。
[0007] 本發(fā)明另外提供一種基于連續(xù)遠(yuǎn)場的波前復(fù)原方法，該方法的具體步驟是：
[0008]步驟1、遠(yuǎn)場圖像記錄模塊（1)以一定的記錄速度采集遠(yuǎn)場光強(qiáng)變化圖像，并將采 集圖像保存在計(jì)算機(jī)中；
[0009] 步驟2、遠(yuǎn)場圖像預(yù)處理模塊⑵依次提取遠(yuǎn)場圖像記錄模塊⑴采集的圖像，并 對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪、去背景工作；
[0010] 步驟3、處理后的圖像數(shù)據(jù)另存為新的圖像文件等待遠(yuǎn)場圖像至波前復(fù)原模塊 (3)處理；遠(yuǎn)場圖像至波前復(fù)原模塊（3)提取預(yù)處理后的圖像數(shù)據(jù)，
[con] 首先檢測并尋找遠(yuǎn)場圖像數(shù)據(jù)中光束質(zhì)量最好的遠(yuǎn)場圖像，其判斷標(biāo)準(zhǔn)為計(jì)算獲 得平均半徑（MR)、或斯特列比（SR)、或光強(qiáng)平方和（EE)指標(biāo)的數(shù)值越大越好：
[0012] 平均半徑（MR)、或斯特列比（SR)、或光強(qiáng)平方和（EE)指標(biāo)分別為， ||i - J?0|7( v)〇" y 繼.= 1. - ￡^r--.. -, sr ...... /(〇)// "(〇). ..... f /(邛'，其中 /p)為 ccd 探測 J I\x)d v i) ρ 的的光斑光強(qiáng)分布，/(?為坐標(biāo)原點(diǎn)處的光強(qiáng)值，嚴(yán)(?為當(dāng)入射光束不含像差時(shí)，坐標(biāo)原 點(diǎn)的光強(qiáng)值，D為有效探測口徑，氍是光斑光強(qiáng)分布/g>的質(zhì)心坐標(biāo),M是坐標(biāo)矢量；
[0013] 其次，從選中的預(yù)處理遠(yuǎn)場圖像開始，利用相位反演算法迭代反演出位相分布。
[0014] 本發(fā)明的原理是：
[0015] a、傳統(tǒng)的相位反演算法在入射位相較小時(shí)，能夠復(fù)原出入射位相信息；
[0016] b、連續(xù)測量的遠(yuǎn)場是隨機(jī)變化的，存在光束質(zhì)量較好的遠(yuǎn)場光斑分布，如天文成 像中的lucky image ;激光光束質(zhì)量也存在光束質(zhì)量逐漸退化的過程；
[0017] c、連續(xù)測量的遠(yuǎn)場對應(yīng)的位相也是連續(xù)變化的，并且兩個(gè)連續(xù)的位相之差是一個(gè) 較小的位相。
[0018] 因此，在上述三個(gè)前提情況下，通過光束質(zhì)量最好的遠(yuǎn)場光斑入手，獲得相應(yīng)入射 位相的大部分信息，并以此信息作為初始位相迭代出相鄰遠(yuǎn)場的位相分布，經(jīng)過5至10幀 的遠(yuǎn)場迭代可以準(zhǔn)確的獲得近場位相分布。
[0019] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0020] (1)本發(fā)明采用連續(xù)遠(yuǎn)場作為相位反演，無需增加額外的遠(yuǎn)場信息，如離焦面上的 遠(yuǎn)場光斑分布；
[0021] (2)本發(fā)明針對連續(xù)遠(yuǎn)場進(jìn)行相位反演，由于連續(xù)的遠(yuǎn)場之間位相差別較小，當(dāng)確 定了其中一個(gè)近場位相后，可以快速的確定其他遠(yuǎn)場所對應(yīng)的近場位相，從而獲得連續(xù)的 近場位相信息；
[0022] (3)本發(fā)明采用的改進(jìn)型相位反演方法是在原有相位反演算法基礎(chǔ)上發(fā)展而來， 用該反演算法獲得的入射波前信息，具有與傳統(tǒng)相位反演方法同樣的高密度波前探測分辨 率，因此，本發(fā)明專利同樣具備高分辨波前探測的能力。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023] 圖1為基于連續(xù)遠(yuǎn)場的波前復(fù)原方法原理示意圖；
[0024] 圖2為連續(xù)目標(biāo)遠(yuǎn)場中的一幅，用于復(fù)原近場位相分布；
[0025] 圖3分別為（a)直接利用圖2遠(yuǎn)場迭代獲得的近場位相分布，（b)為利用本發(fā)明 方法，對連續(xù)目標(biāo)遠(yuǎn)場進(jìn)行迭代后的位相分布；
[0026] 圖4分別為（a)直接利用圖2遠(yuǎn)場迭代獲得的近場位相對應(yīng)的理論遠(yuǎn)場光強(qiáng)分 布，（b)為利用本專利方法獲得的對應(yīng)的遠(yuǎn)場光強(qiáng)；

【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。
[0028] 如圖1所不，本發(fā)明包括：遠(yuǎn)場圖像記錄模塊1，遠(yuǎn)場圖像預(yù)處理模塊2和遠(yuǎn)場圖 像至波前復(fù)原模塊3組成。其中，遠(yuǎn)場圖像記錄模塊1 一般采用CCD等圖像記錄設(shè)備，遠(yuǎn)場 圖像預(yù)處理模塊2和遠(yuǎn)場圖像至波前復(fù)原模塊3則通過計(jì)算機(jī)或高速圖像處理設(shè)備完成。 遠(yuǎn)場圖像記錄模塊1記錄下20幀連續(xù)的遠(yuǎn)場光強(qiáng)分布圖，并保存至圖像預(yù)處理模塊 2的內(nèi) 存中。遠(yuǎn)場圖像記錄模塊1完成工作后，遠(yuǎn)場圖像預(yù)處理模塊2調(diào)用內(nèi)存中的圖像數(shù)據(jù)，并 按照MR指標(biāo)計(jì)算出所有圖像中光束質(zhì)量最好的遠(yuǎn)場圖像，假定為第5幀。以第5巾貞開始， 利用相位反演算法，獲得第 5幀所對應(yīng)的近場位相分布，此時(shí)ZDIF取0· 〇〇1 ;緊接著，利用 第5幀迭代出來的近場位相作為初始位相，利用相位反演算法，迭代出第6幀的位相分布， 依次，連續(xù)迭代出后續(xù)的位相分布，當(dāng)?shù)龅奈幌嗌傻睦硐脒h(yuǎn)場與實(shí)測的遠(yuǎn)場相近，即 FDIF取0. 0001時(shí)，停止迭代下一個(gè)遠(yuǎn)場所對應(yīng)的位相，假定滿足要求時(shí)為第10幀。最后， 以第10幀迭代出的位相分布，向兩邊計(jì)算，分布迭代出第9幀至第1幀和第 U幀到第20 幀近場所對應(yīng)的位相分布，從而獲得連續(xù)遠(yuǎn)場所對應(yīng)的近場位相分布。
[0029] 該方法的具體步驟是：遠(yuǎn)場圖像記錄模塊以一定的記錄速度采集一序列遠(yuǎn)場 變化圖像，并將采集圖像保存在計(jì)算機(jī)中；遠(yuǎn)場圖像預(yù)處理模塊依次提取遠(yuǎn)場圖像記錄 模塊采集的圖像，并對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪、去背景工作，處理后的圖像數(shù)據(jù)另存為新的 圖像文件等待遠(yuǎn)場圖像至波前復(fù)原模塊處理。遠(yuǎn)場圖像至波前復(fù)原模塊提取預(yù)處理后 的圖像數(shù)據(jù)，首先檢測并尋找系列遠(yuǎn)場中光束質(zhì)量最好的遠(yuǎn)場圖像，其判斷標(biāo)準(zhǔn)為（計(jì) 算獲得的數(shù)值越大越好）：平均半徑（MR)、或斯特列比（SR)、或光強(qiáng)平方和（ EE)指標(biāo)， I I I -γ- / ***^\ -S ^7 -# J Lx ? ΜΛΙ{Μ)α X 詹=冊=|_2朽，其中為CCD探測 0 的的光斑光強(qiáng)分布，/(_為坐標(biāo)原點(diǎn)處的光強(qiáng)值，產(chǎn)(?為當(dāng)入射光束不含像差時(shí)，坐標(biāo)原 點(diǎn)的光強(qiáng)值，D為有效探測口徑，^是光斑光強(qiáng)分布錢幻的質(zhì)心坐標(biāo)，g是坐標(biāo)矢量；其次， 從選中的預(yù)處理遠(yuǎn)場圖像開始，利用相位反演算法迭代反演出位相分布。具體的相位反演 算法迭代過程如下三步：第一步，假定初始入射光場中相位為平面分布，振幅為入射光瞳， 對該入射光場進(jìn)行傅里葉變換，獲得理論遠(yuǎn)場場強(qiáng)分布，將遠(yuǎn)場場強(qiáng)中的振幅替換為選中 的遠(yuǎn)場圖像開平方（即原圖像每一點(diǎn)數(shù)據(jù)開平方后的圖像），并保持位相不變；對替換后的 遠(yuǎn)場場強(qiáng)進(jìn)行逆傅里葉變換，獲得理論的近場場強(qiáng)分布，同樣的方法，將近場振幅數(shù)據(jù)用光 瞳代替，并保持相位不變，該過程為一輪迭代，重復(fù)上述迭代過程，直至近場相位穩(wěn)定（即 前后兩輪獲得的位相分布之差的均方根小于給定的閾值ZDIF，ZDIF為大于零的實(shí)數(shù)）；第 二步，更改選中的預(yù)處理遠(yuǎn)場圖像為與上一次選中圖像后續(xù)的預(yù)處理遠(yuǎn)場圖像，而后再進(jìn) 行第一步的迭代過程；第三步，重復(fù)N次前兩步（N為大于零的整數(shù)，一般選?。?至10之 間），直至迭代獲得了理論遠(yuǎn)場分布與預(yù)處理后的遠(yuǎn)場圖像相近（即理論遠(yuǎn)場分布與預(yù)處 理后的遠(yuǎn)場圖像之差的均方根小于給定的閾值FDIF，F(xiàn)DIF為大于零的實(shí)數(shù)）。最后，以上 述相位反演算法迭代獲得的近場位相分布作為初始值，利用上述相位反演算法中的第一步 和第二步迭代出其余遠(yuǎn)場對應(yīng)的近場位相分布。所述的一定的記錄速度指采集的遠(yuǎn)場前后 兩幀之間光束質(zhì)量變化要求平均半徑指標(biāo)小于〇· 05。所述的降噪指通過傅里葉濾波，或小 波濾波或多幀疊加的處理方法獲得高信噪比圖像。所述的去背景指將被處理圖像的每一點(diǎn) 與無入射光時(shí)圖像對應(yīng)點(diǎn)相減，并將相減后數(shù)值為負(fù)值點(diǎn)強(qiáng)制為零的過程。
[0030] 本發(fā)明未詳細(xì)公開的部分屬于本領(lǐng)域的公知技術(shù)。
【權(quán)利要求】
一 1· 一種基于連續(xù)遠(yuǎn)場的波前復(fù)原系統(tǒng)，其特征在于：該系統(tǒng)由遠(yuǎn)場圖像記錄模塊α)、 遠(yuǎn)場圖像預(yù)處理模塊（2)和遠(yuǎn)場圖像至波前復(fù)原模塊（3)組成；遠(yuǎn)場圖像記錄模塊（1)記 錄遠(yuǎn)場圖像連續(xù)變化過程，遠(yuǎn)場圖像預(yù)處理模塊（2)將記錄的遠(yuǎn)場圖像進(jìn)行降噪、尋質(zhì)心 和去背景圖像預(yù)處理工作，最后，預(yù)處理后的圖像將送入遠(yuǎn)場圖像至波前復(fù)原模塊（3)，獲 得波前信息。
2· -種基于連續(xù)遠(yuǎn)場的波前復(fù)原方法，其特征在于：該方法的具體步驟是： 步驟1、遠(yuǎn)場圖像記錄模塊（1)以一定的記錄速度采集遠(yuǎn)場光強(qiáng)變化圖像，并將采集圖 像保存在計(jì)算機(jī)中； 步驟2、遠(yuǎn)場圖像預(yù)處理模塊（2)依次提取遠(yuǎn)場圖像記錄模塊Q)采集的圖像，并對圖 像數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪、去背景工作； 步驟3、處理后的圖像數(shù)據(jù)另存為新的圖像文件等待遠(yuǎn)場圖像至波前復(fù)原模塊（3)處 理；遠(yuǎn)場圖像至波前復(fù)原模塊（3)提取預(yù)處理后的圖像數(shù)據(jù)； 首先檢測并尋找遠(yuǎn)場圖像數(shù)據(jù)中光束質(zhì)量最好的遠(yuǎn)場圖像，其判斷標(biāo)準(zhǔn)為計(jì)算獲得平 均半徑（MR)、或斯特列比（SR)、或光強(qiáng)平方和（ΕΕ)指標(biāo)的數(shù)值越大越好： 平均半徑（MR)、或斯特列比（SR)、或光強(qiáng)平方和（EE)指標(biāo)分別為， m = 1 - # |juv2f ^，湖:=働，嚴(yán)_，肪=f 其中取)為CCD探測 的光斑光強(qiáng)分布，/(δ)為坐標(biāo)原點(diǎn)處的光強(qiáng)值，為當(dāng)入射光束不含像差時(shí)，坐標(biāo)原點(diǎn) 的光強(qiáng)值，D為有效探測口徑，I,:是光斑光強(qiáng)分布的質(zhì)心坐標(biāo)，S是坐標(biāo)矢量； 其次，從選中的預(yù)處理遠(yuǎn)場圖像開始，利用相位反演算法迭代反演出位相分布。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于連續(xù)遠(yuǎn)場的波前復(fù)原方法，其特征在于：具體的相位反 演算法迭代過程如下三步： 第一步，假定初始入射光場中相位為平面分布，振幅為入射光瞳，對該入射光場進(jìn)行傅 里葉變換，獲得理論遠(yuǎn)場場強(qiáng)分布，將遠(yuǎn)場場強(qiáng)中的振幅替換為選中的遠(yuǎn)場圖像開平方即 原圖像每一點(diǎn)數(shù)據(jù)開平方后的圖像，并保持位相不變；對替換后的遠(yuǎn)場場強(qiáng)進(jìn)行逆傅里葉 變換，獲得理論的近場場強(qiáng)分布，同樣的方法，將近場振幅數(shù)據(jù)用光瞳代替，并保持相位不 變，該過程為一輪迭代，重復(fù)上述迭代過程，直至近場相位穩(wěn)定即前后兩輪獲得的位相分布 之差的均方根小于給定的閾值ZDIF，ZDIF為大于零的實(shí)數(shù)； 第二步，更改選中的預(yù)處理遠(yuǎn)場圖像為與上一次選中圖像后續(xù)的預(yù)處理遠(yuǎn)場圖像，而 后再進(jìn)行第一步的迭代過程； 第三步，重復(fù)N次前兩步，N為大于零的整數(shù)，直至迭代獲得了理論遠(yuǎn)場分布與預(yù)處理 后的遠(yuǎn)場圖像相近即理論遠(yuǎn)場分布與預(yù)處理后的遠(yuǎn)場圖像之差的均方根小于給定的閾值 FDIF，F(xiàn)DIF為大于零的實(shí)數(shù)； 最后，以上述相位反演算法迭代獲得的近場位相分布作為初始值，利用上述相位反演 算法中的第一步和第二步迭代出其余遠(yuǎn)場對應(yīng)的近場位相分布。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于連續(xù)遠(yuǎn)場的波前復(fù)原方法，其特征在于：所述的一定的 記錄速度指采集的遠(yuǎn)場前后兩幀之間光束質(zhì)量變化要求平均半徑指標(biāo)小于〇. 〇5。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于連續(xù)遠(yuǎn)場的波前復(fù)原方法，其特征在于：所述的降噪指 通過傅里葉濾波，或小波濾波或多幀疊加的處理方法獲得高信噪比圖像。
6·根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于連續(xù)遠(yuǎn)場的波前復(fù)原方法，其特征在于：所述的去背景 指將被處理圖像的每一點(diǎn)與無入射光時(shí)圖像對應(yīng)點(diǎn)相減，并將相減后數(shù)值為負(fù)值點(diǎn)強(qiáng)制為 零的過程。 7_根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于連續(xù)遠(yuǎn)場的波前復(fù)原方法，其特征在于：N選?。?至10 之間。
【文檔編號】G06F19/00GK104215339SQ201410466063
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月14日
【發(fā)明者】黃林海, 顧乃庭 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所