光学干涉测量中时域与空域傅里叶变换的应用研究

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相移干涉测量技术是一种实现高精度测量的光学检测和计量方法,通过在干涉过程中引入整体相移的调制和使用相移相位测量算法的解调制技术,具有测量精度高、抗干扰能力强、横向分辨率高等优点。广泛应用于光学检测、微形变测量、三维形貌测量和数字全息等领域。  相移干涉测量的关键技术是相移量的准确获取,在实际测量中,相移器的非理想相移、机械振动、空气扰动和系统元器件的非一致性等干扰因素,均会使相移干涉图的实际相移量与预设值出现偏差,进而影响测量的准确度和精度。因此在存在干扰的情况下如何准确获取相移量和相位信息,是实际应用必须解决的关键问题,对保证测量结果的可靠性具有重大意义。  本文在调研相移干涉测量技术发展动态的基础上,分析了各种相移技术和算法的特点,针对目前已有的一些相移量标定和相位测量算法中存在的问题,在相移方法和系统、相移干涉图采集、相移量标定,相位提取算法、系统横向分辨率、计算结果的评价等方面,通过理论分析、计算机模拟和实验研究的手段,总结出一种从相移干涉图系列中标定相移量和提取相位的新方法。  论文的研究成果如下:  (1)提出了一种双时域傅里叶变换相位恢复和相移量确定算法,通过两个相移周期的相移干涉图,先采用逐次平移方法进行时域傅里叶变换,再根据平移性质对变换后的结果进行第二次傅里叶变换,获得更高的信噪比,从而提高相位测量精度。  (2)研究了一种应用空间带宽积定理来确定数字全息中最小分辨间隔、物方视场大小及记录距离之间的关系,以降低再现难度和减少运算量的方法。利用这种方法,可以通过菲涅尔算法直接进行一次空域傅里叶变换,就可以实现近距离大孔径数字全息再现,极大地提高了全息图重构的速度。  论文的创新点:  提出了一种双时域傅里叶变换相位提取算法。通过把一段具有两个干涉周期的时域光强信号分成多段一个周期的子段,通过两次使用傅里叶变换把相移器引入的相移频率和其他干扰频率分离出来,该算法在不提高系统复杂性和大幅度减少数据获取量的前提下显著提高了系统抗干扰能力,从采集到待测物体相位的提取,完全无须人工干预,有利于实现自动化。
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