一种用于光声检测的干涉条纹相位提取方法技术

本发明专利技术公开了一种用于光声检测的干涉条纹相位提取方法，首先利用极值—中心取点法确定单幅干涉条纹中需要提取辐照度的五个位置点；然后设置线阵图像传感器的驱动频率和积分时间；利用高速模数转换器获取一幅干涉条纹图并进行中值滤波；提取五个位置点的辐照度并计算干涉条纹相位值；计算前后相邻干涉条纹相位差；对相位差做累加并对累加和结果做低通滤波；连续获取多幅干涉条纹图，依次重复上述过程即可得到反应光声变化情况的连续相位曲线。该方法可自动实现干涉条纹的相位提取，减轻噪声和随机误差的影响，并且算法实时性好，资源开销低。

A Phase Extraction Method of Interference Fringes for Photoacoustic Detection

【技术实现步骤摘要】
一种用于光声检测的干涉条纹相位提取方法
本专利技术涉及一种用于光声检测的干涉条纹相位提取方法，适用于光声光谱痕量气体检测，也可用于其他应用干涉仪且需要提取干涉条纹相位的场合，属于光学检测领域。
技术介绍
光学干涉检测以光学干涉原理为基础，是光学检测中精度和灵敏度较高的检测方法。其原理是利用相互干涉的两束光在感光器件上产生干涉条纹，当测量光束相对于参考光束发生变化时，感光器件上就会产生左右移动的干涉条纹。通过高速高精度采集装置获取变化的干涉条纹图，经过理论计算，提取干涉条纹相位变化，即可得到测量光束的位移量。在光声检测中，按照一定调制规律驱动激光器，并控制其在一定波长范围内扫描，这样就能得到该波长范围内每个扫描波长处的干涉条纹相对位移量，对该位移量做处理，与标准谱库对比，就能得到待测气体中含有的气体种类及浓度信息。由此可见，干涉条纹相位提取方法是光学检测中最基础和重要的部分。目前已有的干涉条纹相位提取算法可根据提取相位所需干涉条纹图幅数，大致分为单幅和多幅干涉条纹相位提取算法。单幅干涉条纹相位提取算法是指仅需要一幅干涉条纹图即可提取相位信息，适用于动态和对实时性要求较高的测量上，包括同步法、锁相法、傅里叶变换法、正则化相位跟踪法和基于遗传算法的相位分析方法等，同步法通常需要有载波生成器、移相模块、两路乘法器和两路低通滤波器等模块；锁相法需要乘法器、低通滤波器和压控振荡器等模块；傅里叶变换法、正则化相位跟踪法和基于遗传算法的相位分析方法等都更适于在计算机上实现；总之该类算法在可编程逻辑器件上实现时硬件和逻辑资源开销大，性价比低；多幅干涉条纹相位提取算法是指提取相位信息需要多幅干涉条纹图，适用于静态和对实时性要求不高的测量上，主要包括相移法等。由于光声光谱痕量气体检测要求检测连续，实时性高；考虑成本，对器件资源敏感。已有的干涉条纹相位提取算法均存在不足，无法高效的应用到光声检测中。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术不足，提供一种用于光声检测的干涉条纹相位提取方法，适用于实时性要求高、对资源敏感的场合，能够自动实现相位检测，避免人为相移误差。本专利技术的技术解决方案为：一种用于光声检测的干涉条纹相位提取方法，包括如下步骤：(1)利用极值—中心取点法确定单幅干涉条纹中需要提取辐照度的五个位置点；(2)设置线阵图像传感器的驱动频率、积分时间；(3)利用高速模数转换器采集线阵图像传感器的输出模拟信号，所述线阵图像传感器的输出模拟信号为单幅干涉条纹的所有像素点模拟量，高速模数转换器对采集的模拟信号进行模数转换后，得到包含一幅干涉条纹各个像素点处辐照度的数组，即一幅数字化的干涉条纹；(4)从干涉条纹中提取步骤(1)确定的五个位置点处的辐照度，据此计算干涉条纹的相位值；(5)继续获取下一幅干涉条纹；(6)重复步骤(4)，得到新获取的干涉条纹的相位值；(7)判断步骤(6)得到的本次干涉条纹相位值与上次干涉条纹相位值的大小，若本次比上次大π，则将本次结果减去2π后作为本次干涉条纹相位值的最新结果；若本次比上次小π，则将本次结果加上2π后作为本次干涉条纹相位值最新结果，将本次干涉条纹与上次干涉条纹的相位差保存；(8)对步骤(7)得到的干涉条纹相位差做累加，并对累加和结果做低通滤波；(9)连续获取多幅干涉条纹，每次获取一幅干涉条纹，即重复步骤(6)-(8)；(10)对累加和滤波后的曲线进行锁相处理，得到曲线的幅值，该幅值即为对应的光声变化量。所述步骤(1)中，利用极值—中心取点法确定单幅干涉条纹中五个位置点的具体实现方式如下：(2.1)以单幅干涉条纹上辐照度最高的像素点为相位π点；(2.2)相位π点左边最近，且为辐照度极小值的点为相位0点；(2.3)相位π点右边最近，且为辐照度极小值的点为相位2π点；(2.4)根据相位0点和相位π点的位置，采用取像素坐标中值方法或取平衡点的方法获得相位π/2点的位置，根据相位2π点和相位π点的位置，采用取像素坐标中值方法或取平衡点的方法获得相位3π/2点的位置。所述步骤(2.4)中，取像素坐标中值方法适用于相位0点和相位π点间及相位2π点和相位π点间均为奇数个点的情况，具体实现方式如下：设相位π点的像素坐标为(x3,y3)，相位0点的像素坐标为(x1,y1)，相位2π点为(x5,y5)，则相位π/2点的像素坐标(x2,y2)满足：相位3π/2点的像素坐标(x4,y4)满足：所述步骤(2.4)中，取平衡点方法适用于相位0点和相位π点间或相位2π点和相位π点间有偶数个点的情况，具体实现方式如下：若相位0点和相位π点间有奇数个点，而相位π点和相位2π点之间有偶数个点，则采用取像素坐标中值方法获得相位π/2点的像素坐标，若相位π/2点的辐照度大于相位0点和相位π点间的辐照度中值，则取相位π点和相位2π点中间两个点中右边的点作为相位3π/2点，若相位π/2点的辐照度小于相位0点和相位π点间的辐照度中值，则取相位π点和相位2π点中间两个点中左边的点作为相位3π/2点；若相位π点和相位2π点间有奇数个点，而相位0点和相位π点之间有偶数个点，则采用取像素坐标中值方法获得相位3π/2点的像素坐标，若相位3π/2点的辐照度大于相位π点和相位2π点间辐照度中值，则取相位0点和相位π点中间两个点中左边的点作为相位π/2点，若相位3π/2点的辐照度小于相位π点和相位2π点间辐照度中值，则取相位0点和相位π点中间两个点中右边的点作为相位π/2点；若相位0点和相位π点间及相位π点和相位2π点间均为偶数个点，则取相位0点和相位π点间距离辐照度中值最近的点作为相位π/2点，若相位π/2点的辐照度大于相位0点和相位π点间辐照度中值，则取相位π点和相位2π点中间两个点中右边的点作为相位3π/2点，若相位π/2点的辐照度小于相位0点和相位π点间辐照度中值，则取相位π点和相位2π点中间两个点中左边的点作为相位3π/2点。所述辐照度中值计算方式如下：设相位0点处的辐照度为I1(x1,y1)，相位π点处的辐照度为I3(x3,y3)，则相位0点和相位π点间辐照度中值Im(xm,ym)满足：所述步骤(4)中，利用如下公式计算干涉条纹相位值φ(x,y)：I1(x1,y1)为相位0点的辐照度，I2(x2,y2)为相位π/2点的辐照度，I3(x3,y3)为相位π点的辐照度，I4(x4,y4)为相位3π/2点的辐照度，I5(x5,y5)为相位2π点的辐照度。五个位置点的辐照度满足如下公式：I1(x1,y1)＝Idc(x1,y1)+Iac(x1,y1)cos[φ(x,y)]I2(x2,y2)＝Idc(x2,y2)-Iac(x2,y2)sin[φ(x,y)]I3(x3,y3)＝Idc(x3,y3)-Iac(x3,y3)cos[φ(x,y)]I4(x4,y4)＝Idc(x4,y4)+Iac(x4,y4)sin[φ(x,y)]I5(x5,y5)＝Idc(x5,y5)+Iac(x5,y5)cos[φ(x,y)]I1(x1,y1)表示相位0点的辐照度，Idc(x1,y1)表示相位0点处辐照度的直流分量，Iac(x1,y1)表示相位0点处辐照度的交流分量幅值，I2(x2,y2)表示相位π/2点的辐照度，Idc(x2,y2)表示相位π/2点处辐照度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于光声检测的干涉条纹相位提取方法，其特征在于包括如下步骤：(1)利用极值—中心取点法确定单幅干涉条纹中需要提取辐照度的五个位置点；(2)设置线阵图像传感器的驱动频率、积分时间；(3)利用高速模数转换器采集线阵图像传感器的输出模拟信号，所述线阵图像传感器的输出模拟信号为单幅干涉条纹的所有像素点模拟量，高速模数转换器对采集的模拟信号进行模数转换后，得到包含一幅干涉条纹各个像素点处辐照度的数组，即一幅数字化的干涉条纹；(4)从干涉条纹中提取步骤(1)确定的五个位置点处的辐照度，据此计算干涉条纹的相位值；(5)继续获取下一幅干涉条纹；(6)重复步骤(4)，得到新获取的干涉条纹的相位值；(7)判断步骤(6)得到的本次干涉条纹相位值与上次干涉条纹相位值的大小，若本次比上次大π，则将本次结果减去2π后作为本次干涉条纹相位值的最新结果；若本次比上次小π，则将本次结果加上2π后作为本次干涉条纹相位值最新结果，将本次干涉条纹与上次干涉条纹的相位差保存；(8)对步骤(7)得到的干涉条纹相位差做累加，并对累加和结果做低通滤波；(9)连续获取多幅干涉条纹，每次获取一幅干涉条纹，即重复步骤(6)‑(8)；(10)对累加和滤波后的曲线进行锁相处理，得到曲线的幅值，该幅值即为对应的光声变化量。...

【技术特征摘要】
1.一种用于光声检测的干涉条纹相位提取方法，其特征在于包括如下步骤：(1)利用极值—中心取点法确定单幅干涉条纹中需要提取辐照度的五个位置点；(2)设置线阵图像传感器的驱动频率、积分时间；(3)利用高速模数转换器采集线阵图像传感器的输出模拟信号，所述线阵图像传感器的输出模拟信号为单幅干涉条纹的所有像素点模拟量，高速模数转换器对采集的模拟信号进行模数转换后，得到包含一幅干涉条纹各个像素点处辐照度的数组，即一幅数字化的干涉条纹；(4)从干涉条纹中提取步骤(1)确定的五个位置点处的辐照度，据此计算干涉条纹的相位值；(5)继续获取下一幅干涉条纹；(6)重复步骤(4)，得到新获取的干涉条纹的相位值；(7)判断步骤(6)得到的本次干涉条纹相位值与上次干涉条纹相位值的大小，若本次比上次大π，则将本次结果减去2π后作为本次干涉条纹相位值的最新结果；若本次比上次小π，则将本次结果加上2π后作为本次干涉条纹相位值最新结果，将本次干涉条纹与上次干涉条纹的相位差保存；(8)对步骤(7)得到的干涉条纹相位差做累加，并对累加和结果做低通滤波；(9)连续获取多幅干涉条纹，每次获取一幅干涉条纹，即重复步骤(6)-(8)；(10)对累加和滤波后的曲线进行锁相处理，得到曲线的幅值，该幅值即为对应的光声变化量。2.根据权利要求1所述的一种用于光声检测的干涉条纹相位提取方法，其特征在于：所述步骤(1)中，利用极值—中心取点法确定单幅干涉条纹中五个位置点的具体实现方式如下：(2.1)以单幅干涉条纹上辐照度最高的像素点为相位π点；(2.2)相位π点左边最近，且为辐照度极小值的点为相位0点；(2.3)相位π点右边最近，且为辐照度极小值的点为相位2π点；(2.4)根据相位0点和相位π点的位置，采用取像素坐标中值方法或取平衡点的方法获得相位π/2点的位置，根据相位2π点和相位π点的位置，采用取像素坐标中值方法或取平衡点的方法获得相位3π/2点的位置。3.根据权利要求2所述的一种用于光声检测的干涉条纹相位提取方法，其特征在于：所述步骤(2.4)中，取像素坐标中值方法适用于相位0点和相位π点间及相位2π点和相位π点间均为奇数个点的情况，具体实现方式如下：设相位π点的像素坐标为(x3,y3)，相位0点的像素坐标为(x1,y1)，相位2π点为(x5,y5)，则相位π/2点的像素坐标(x2,y2)满足：相位3π/2点的像素坐标(x4,y4)满足：4.根据权利要求2所述的一种用于光声检测的干涉条纹相位提取方法，其特征在于：所述步骤(2.4)中，取平衡点方法适用于相位0点和相位π点间或相位2π点和相位π点间有偶数个点的情况，具体实现方式如下：若相位0点和相位π点间有奇数个点，而相位π点和相位2π点之间有偶数个点，则采用取像素坐标中值方法获得相位π/2点的像素坐标，若相位π/2点的辐照度大于相位0点和相位π点间的辐照度中值，则取相位π点和相位2π点中间两个点中右边的点作为相位3π/2点，若相位π/2点的辐照度小于相位0点和相位π点间的辐照度中值，则取相位π点和相位2π点中间两个点中左边的点作为相位3π/2点；若相位π点和相位2π点间有奇数个点，而相位0点和相位π点之间有偶数个点，则采用取像素坐标中值方法获得相位3π/2点的像素坐标，若相位3π/2点的辐照度大于相位π点和相位2π点间辐照度中值，则取相位0点和相位π点中间两个点中左边的点作为相位π/2点，若相位3π/2点的辐照度小于相位π点和相位2π点间辐照度中值，则取相位0点和相位π点中间两个点中右边的点作为相位π/2点；若相位0点和相位π点间及相位π点和相位2π点间均为偶数个点，则取相位0点和相位π点间距离辐照度中值最近的点作为相位π/2点，若相位π/2点的辐照度大于相...

【专利技术属性】
技术研发人员：郗洪柱，周建发，王伟魁，
申请(专利权)人：北京遥测技术研究所，航天长征火箭技术有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11