一种可用于多路复用离轴数字全息的匹配自适应滤波方法技术

本发明专利技术公开了一种可用于多路复用离轴数字全息的匹配自适应滤波方法。首先对复用全息图进行傅里叶变换得到复用全息谱，并且根据其中频谱项的个数设置滤波算法的初始值；然后将复用全息谱进行归一化并进行K均值阈值聚类得到聚类中心集合；再将复用全息谱进行标准化和取相位得到标准化相位谱并对标准化相位谱进行区域点亮；接着用标准化相位谱和聚类中心集合匹配定位得到多个滤波中心，再以各个滤波中心到频域零点距离的三分之一为截止频率生成巴特沃斯滤波窗口对复用全息谱进行多次滤波得到多个原始项频谱；最后对各个原始项频谱进行傅里叶逆变换和使用反向传播算法得到重建结果。在离轴角未知的情况下，本发明专利技术实现了对多路复用离轴数字全息的精确自适应滤波和目标波前重建。标波前重建。标波前重建。

【技术实现步骤摘要】
一种可用于多路复用离轴数字全息的匹配自适应滤波方法


[0001]本专利技术涉及多路复用离轴数字全息匹配自适应滤波方法，属于计算光学成像领域，尤其涉及多路复用离轴数字全息成像领域。

技术介绍

[0002]数字全息是一种基于光的干涉和衍射原理的“光学记录
‑
数字重建”成像技术，因其具有高分辨率、无接触、实时快速等优势，已经广泛应用于定量相位成像、粒子场检测、信息安全加密等多个领域。在数字全息中，由物光与参考光发生干涉得到全息图，然后利用计算机数值模拟衍射过程计算出目标的波前信息。通常情况下，在全息图进行一次傅里叶变换得到的全息谱中可以看到三个主要的频谱项分布，分别为自相关项、原始项和共轭项。在离轴数字全息中，这三个频谱项由于离轴角的引入而彼此分开，然后通过频域滤波选取原始项频谱进行重建即可得到正确的目标波前信息，但这需要预先知道离轴角的准确信息，然而在实验中，离轴角的微小误差也会对重建结果产生严重的影响。
[0003]为了克服离轴角微小误差的影响，研究者们提出了许多针对不同情况的自适应滤波方法，但这些方法仍然需要知道离轴角的方向，从而确定原始项频谱在全息谱中的位置。此外，由于离轴角的引入，使得离轴数字全息的空间带宽积很低，为了提高空间带宽利用率，出现了很多基于“多路复用”思想构成的多路复用离轴数字全息成像系统。在多路复用离轴数字全息中，通常是多个物光和一个参考光发生干涉得到一幅复用全息图，所以在复用全息谱中存在着多个原始项频谱，而以往的自适应滤波方法并不适用于这种情况。为此，本专利技术提出了一种可用于多路复用离轴数字全息的匹配自适应滤波方法。该方法在离轴角未知的情况下，可对多路复用离轴数字全息实现精确的自适应滤波和波前重建。

技术实现思路

[0004]一种可用于多路复用离轴数字全息的匹配自适应滤波方法，本方法通过使用K均值聚类算法和标准化相位谱匹配定位的方法，实现了无离轴角先验信息的多路复用离轴数字全息的自适应滤波和重建。
[0005]本方法包括以下五个步骤：S1，复用全息图频域变换与初始参数设置；S2，归一化全息谱K均值阈值聚类；S3，标准化相位谱和区域点亮；S4，匹配滤波中心与生成滤波窗口；S5，复用全息谱滤波重建。
[0006]S1：由多路复用离轴干涉装置记录得到复用全息图，以双目标两路复用进行说明，其表达式为I
M
＝|O1+O2+R|2＝|O1|2+|O2|2+|R|2+O1R
*
+O2R
*
+O
1*
R+O
2*
R+O1O
2*
+O
1*
O2式中，I
M
为复用全息图，O1为第一目标物光，O2为第二目标物光，R为参考光；等式右边前三项为零级像，第四项和第五项为原始像，第六项和第七项为共轭像，最后两项为第一目标物光与第二目标物光发生干涉形成的干扰像；
·
*
为取共轭。
[0007]对复用全息图I
M
进行一次傅里叶变换得到复用全息谱，其表达式为式中，为I
M
的频域表示；为零级像的频域表示，称为自相关项；和为第一目标与第二目标原始像的频域表示，称为原始项；和为第一目标与第二目标共轭像的频域表示，称为共轭项；和为干扰像的频域表示，称为干扰项。因此该复用全息谱共有7个频谱项，其中有2个为原始项，则匹配自适应滤波算法的初始参数设置为“q＝7”。
[0008]S2：在使用聚类算法之前，需要先对复用全息谱进行归一化处理，使复用全息谱中的每个像素点的值归一化到[0,1]之间。因为全息图或全息谱在计算机中被存储为一个二维数据矩阵，所以归一化全息谱可以按照下式记为一个集合式中，为归一化全息谱；m和n为数据矩阵的二维尺寸，i∈[1,m]，j∈[1,n]；(r
i
,c
j
)为其数据矩阵中行和列的位置坐标，a
ij
为(r
i
,c
j
)处的归一化值且有a
ij
∈[0,1]。
[0009]在全息谱中，每一项频谱中心处的能量大、边缘处和背景处能量小，而在归一化全息谱中，能量越大的像素点处的值越接近“1”，能量越小的像素点处的值越接近“0”。为了保证聚类的准确性，需要设置阈值，选取有效的像素点集。将a
ij
从大到小排序，阈值设为“0.2”，即为取中前20％的“大值”像素点作为聚类算法的数据集。本专利使用K均值聚类算法，聚类个数由S1中“q”确定，此外，还需将初始聚类中心全部设置为数据矩阵的中心点(r0,c0)。最后，将得到q个聚类中心KC＝{(r
′
,c
′
)1,(r
′
,c
′
)2,...,(r
′
,c
′
)
q
}式中，KC为聚类中心集合；(r
′
,c
′
)
s
为聚类中心的坐标位置，s∈[1,q]。
[0010]S3：先对复用全息谱进行标准化处理，使复用全息谱中的每个像素点的值标准化到[
‑
1,1]之间，即得到式中，为标准化全息谱；b
ij
为(r
i
,c
j
)处的归一化值且有b
ij
∈[
‑
1,1]。
[0011]接着，使用下式将标准化全息谱变为标准化相位谱式中，为标准化相位谱；arctan(
·
)为反正切函数，Im(
·
)为取实部，Re(
·
)为取虚部。在标准化相位谱中，原始项频谱所在的位置会呈现为“亮点”，共轭项频谱所在的位置会呈现为“暗点”。为了便于观察，将这些“亮点”与“暗点”区域进行3个像素大小的区域点亮。
[0012]S4：根据标准化相位谱中的“亮点”位置和聚类中心集合KC中的聚类中心坐标(r
′
,
c
′
)
s
进行匹配定位，并将匹配后的中心坐标记为(r
″
,c
″
)
t
,t为原始项的个数。之后可以在无离轴角先验信息的情况下确定出各个“原始项”频谱的位置，而不是“共轭项”频谱，因此在最后重建时得到的是目标的原始相位信息而不是共轭相位。然后，以匹配后的聚类中心坐标位置到频域零点距离的1/3作为滤波窗口的截止频率，即
[0013]采用巴特沃斯滤波型低通滤波窗口，其表达式为式中，H
t
(r,c)为巴特沃斯低通滤波窗口，α为滤波器斜率控制参数，本专利中α＝4，因为这是介于理想滤波器和平滑滤波器之间的最佳值。
[0014]S5：先根据“原始项”频谱的个数对复用全息谱进行多次滤波得到各个“原始项”频谱分布
[0015]然后，将移至频域中心位置并进行一次傅里叶逆变换，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可用于多路复用离轴数字全息的匹配自适应滤波方法，其特征在于，包括以下五个步骤：S1：复用全息图频域变换与初始参数设置：通过多路复用离轴干涉装置记录得到的干涉条纹图为复用全息图，对所述复用全息图进行一次傅里叶变换得到复用全息谱，观察所述复用全息谱中“频谱项”的个数，记为“q”，并将其设置为匹配自适应滤波算法的初始参数；S2：归一化全息谱K均值阈值聚类：将所述复用全息谱进行归一化处理，使其每个像素点的值归一化到[0,1]之间；然后将所有像素点的值进行从大到小排序，根据阈值设置，将符合阈值的像素点进行K均值聚类，聚类后可以得到q个聚类中心；S3：标准化相位谱和区域点亮：将所述复用全息谱进行标准化处理，使其每个像素点的值标准化到[
‑
1,1]之间，提取标准化全息谱的相位得到标准化相位谱，之后为了便于观察，将所述标准化相位谱中“亮点”与“暗点”位置进行区域点亮；S4：匹配滤波中心与生成滤波窗口：匹配所述标准化相位谱中的“亮点”位置和所述聚类中心，可以在无离轴角先验信息的情况下确定各个“原始项”频谱的位置；然后将匹配后的聚类中心点作为滤波中心，并以此点到频域中心零点距离的1/3作为滤波窗口的截止频率，生成滤波窗口，有多少个“原始项”，就会生成多少个不同的滤波窗口；S5：复用全息谱滤波重建：将所述复用全息谱分别与所述不同的滤波窗口相乘，实现滤波过程；然后将滤波后的全息谱移至频域中心位置并进行一次傅里叶逆变换；最后，使用反向传播算法进行重建得到各个“原始项”的重建结果。2.如权利要求1所述的一种可用于多路复用离轴数字全息的匹配自适应滤波方法，其特征在于：在S1中所述复用全息图是由多路复用离轴干涉装置记录得到的，以双目标两路复用进行说明，其表达式为I
M
＝|O1+O2+R|2＝|O1|2+|O2|2+|R|2+O1R
*
+O2R
*
+O
1*
R+O
2*
R+O1O
2*
+O
1*
O2式中，I
M
为复用全息图，O1为第一目标物光，O2为第二目标物光，R为参考光，等式右边前三项为零级像，第四项和第五项为原始像，第六项和第七项为共轭像，最后两项为第一目标物光与第二目标物光发生干涉形成的干扰像，
·
*
为取共轭；对所述复用全息图I
M
进行一次傅里叶变换得到所述复用全息谱，其表达式为式中，为I
M
的频域表示；为零级像的频域表示，称为自相关项；和为第一目标与第二目标原始像的频域表示，称为原始项；和为第一目标与第二目标共轭像的频域表示，称为共轭项；和为干扰像的频域表示，称为干扰项；因此该所述复用全息谱共有7个频谱项，其中有2个为原始项，则匹配自适应滤波算法的初始参数设置为“q＝7”。
3.如权利要求1所述的一种可用于多路复用离轴数字全息的匹配自适应滤波方法，其特征在于：在所述S2中，需要先对所述复用全息谱进行归一化处理，使所述复用全息谱中的每个像素点的值归一化到[0,1]之间，且因为全息图或全息谱在计算机中被存储为一个二维数据矩阵，所以所述归一化全息谱可以按照下式记为一个集合式中，为归一化全息谱,m和n为数据矩阵的二维尺寸，i∈[1,m]，j∈[1,n],(r
i...

【专利技术属性】
技术研发人员：于雪莲，暴兴旭，解振飞，赵丽杭，章跃辉，李佳，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：