1 哈尔滨工业大学卓越工程师学院，黑龙江 哈尔滨 150001
2 哈尔滨工业大学郑州研究院，河南 郑州 450018
3 国家管网集团科学技术研究院，河北 廊坊 065000
4 哈尔滨工业大学航天学院，黑龙江 哈尔滨 150001
相位敏感光时域反射计（Ф-OTDR）系统通常用于振动监测中，具有响应速度快和检测灵敏度高的优势，但受相干衰落效应的影响，导致振幅较低位置提取的振动信号相位信息失真。为此，本文提出一种基于宽带声光调制的高保真Ф-OTDR传感方案，实现对振动信号相位信息的高保真提取。该方案具有调制结构简单紧凑、相位延迟控制精确、频率分量灵活可控、不牺牲响应带宽和空间分辨率等优点。在验证实验中，灵活调制脉宽为100 ns，且同时将包含三个非等间距频率的多频探测光脉冲注入2 km的传感光纤，并以幅值评估的方式对多频拍频信号进行复用。结果表明，该方案中相干衰落的概率从17.541%降低到0.045%，并实现了对模拟振动信号相位信息的高保真重构。
相位敏感光时域反射计 相干衰落效应 相位信息 多频脉冲调制
1 北京科技大学自动化学院, 北京市工业波谱成像工程技术研究中心, 北京 100083
2 北京科技大学材料科学与工程学院材料物理系, 北京 100083
经过二十年的发展, 太赫兹光谱技术已经在生物医疗、 工业质检、 **安全、 新材料研发等多个领域证明了其强大的应用潜力, 然而传统太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)对飞秒激光器的依赖, 严重限制了太赫兹技术在实际工业领域中的应用, 近年来, 以商业成熟的中红外激光混频作为产生与探测机制的太赫兹频域光谱技术(THz-FDS), 凭借其高集成度、 低成本以及高分辨率等适用于实际应用的特点得到了广泛的研究关注。 但是, 作为新型光谱技术, THz-FDS的数据处理算法与传统THz-TDS相比仍处于起步阶段, 此前所开展的物质表征研究大多局限于信号幅值的利用, 而其相干探测机制所蕴含的太赫兹波相位信息并未得到充分挖掘, 与相位信息紧密相关的样品折射率、 介电常数、 极化率等关键参数因此无法准确获取。 从THz-FDS的相干探测原理出发, 结合实测数据, 详细阐述了太赫兹波相位信息与THz-FDS原始光电流数据周期振荡之间的联系, 建立了由原始光电流数据振荡周期求取样品折射率的理论模型。 在此基础上, 指出了传统零频基点求取折射率方法在低频段表现欠佳的原因, 提出了所改进的双基点折射率求取算法。 为了验证所提出的折射率测定方法的可靠性, 选取了在太赫兹波段应用广泛的聚合物聚四氟乙烯作为表征对象, 制备了厚度不同的多个样片, 对所有样品测定折射率的结果为1.456±0.006, 不同样片间折射率的测量不确定度仅为0.5%, 且平均值与前期报道值吻合, 充分验证了该方法复现性。 此外, 选取其中一枚样片考察了实验参数设置变化对折射率测定结果的影响, 使用THz-FDS多种积分时间和采样步长的设置组合采集原始光电流数据, 结果显示实验参数设置对折射率测定结果没有显著影响, 验证了算法的鲁棒性。 提出的折射率测定方法丰富了太赫兹频域光谱系统的表征参数, 结合频域光谱系统相比传统时域光谱系统在工业应用方面的优势, 该方法对太赫兹光谱技术的实际应用发展具有重要意义。
太赫兹折射率谱 太赫兹频域光谱技术 相位信息 相干探测机制 Refractive index Terahertz frequency-domain spectroscopy Phase information Coherent detection mechanism
针对探测波段为3.7~4.8 μm的中波红外图像和探测波段为8~14 μm长波红外图像融合过程中存在场景对比度低, 显著性目标不够凸出, 伪影引入严重的问题, 采用快速自适应二维经验模态分解(FABEMD)对红外中波和长波图像进行多尺度分解以得到二维内蕴模函数(BIMFs)和残余分量(Residual)。 对于每一层内蕴模函数选用改进的局部能量窗口融合规则, 首先配置好加权算子以增加区域窗口中心像素的能量占比; 选用不同的加权算子, 经实验验证能有效突出红外中波和长波图像的能量特征信息; 其次充分利用内蕴模函数的相位信息, 当相位相反时, 采用能量加权平均的方式, 以解决融合系数的正负符号极性难以确定的问题; 当相位相同时, 判断二者的能量差距并依据差距大小选择设定的融合规则, 融合规则基于红外中波和长波图像的灰度差异特性设定。 对于残余分量则利用红外中波图像和改进区域能量窗口的最大对称环绕显著性权重图指导基础层系数的融合, 自适应的局部环绕窗口充分利用了低频显著性信息, 对无用背景的抑制效果也相当出色, 能够在复杂背景图像中突出显著性对象, 最终得到细节信息丰富, 对比度明显的指导图像。 最后通过FABEMD的逆变化重构过程得到融合图像, 对4组不同背景、 不同大小的红外中长波图像进行主观和客观性能评价, 4组图像均来自多波段红外采集系统且都经过严格配准并和7种相关算法进行对比实验, 在主观性能上显著性对象突出、 清晰度度高; 客观性能上在平均梯度和空间频率这两个评价指标上性能优异, 验证了该算法的有效性。
图像融合 快速自适应二维经验模态分解 相位信息 区域能量窗口 显著性图 Images fusion Fast and adaptive bidimensional empirical mode decomposition Phase information Regional energy window Saliency map 光谱学与光谱分析
2021, 41(7): 2043
1 苏州大学物理科学与技术学院, 江苏 苏州 215006
2 山东师范大学物理与电子学院, 山东 济南 250014
3 山东省光场调控工程技术中心, 山东省光学与光子器件技术重点实验室, 山东 济南 250014
相位恢复技术在材料科学、生物医学、天文学等领域有着广泛的应用,不同的相位恢复技术及应用领域,需要用到不同的光源。光源的波长、相干性以及能量等参数都会影响最终的相位恢复效果。在以往的研究中,就空间相干性而言,往往将光源当作完全相干光处理,但是在实际应用中,X射线、电子束等光源都是部分相干光,且完全相干光经过介质时其空间相干性也会降低,因此,如何在部分相干照明下恢复物体正确的相位信息尤为重要。本文概述了空间部分相干照明下相位恢复技术的研究背景及研究进展,重点介绍了常用的几种相位恢复方法:模式分解法、强度传输方程、微扰法以及焦移法等,并对这些方法的优劣进行了对比分析。此外,还概述了微扰法相位恢复技术在特殊关联部分相干光场测量及部分相干涡旋光束拓扑荷数测量中的应用。
相干光学 相位恢复技术 部分相干光 相位信息
1 长春理工大学光电工程学院, 吉林 长春 130022
2 中国移动通信集团吉林有限公司网络优化中心, 吉林 长春 130000
针对光学多图像认证方法中,多路复用图像中的串扰噪声,以及不同认证级别下的信息安全问题,提出了一种基于超混沌振幅型掩模和Gyrator变换域下相位信息复用的光学多图像认证方法。利用分数阶超混沌Rabinovich系统构造超混沌随机振幅掩模;基于改进的Gerchberg-Saxton算法对原始图像进行低级或高级编码,利用超混沌掩模作为振幅约束,迭代获得目标图像,并将得到的N个目标图像编码成复合图像;再次通过Gerchberg-Saxton迭代将复合图像转化为两个便于传输的纯相位掩模。实验结果表明:在认证过程中,不同安全级别的用户拥有各自的认证密钥,低级认证过程中可以通过检索图像与原始图像的非线性相关峰值,判断认证图像的正确性,而高级认证过程中则可以获得与原始图像相似度较高的认证图像,峰值信噪比和相关系数分别可达25.2817 dB和0.9844。所提方法对遮挡攻击和噪声攻击具有良好的稳健性,为多幅图像在不同级别下的光学认证提供了新的思路。
图像处理 光学安全及加密 光学图像认证 超混沌 Gyrator变换 相位信息复用
1 上海大学机电工程及自动化学院， 上海 200072
2 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所江苏省医用光学重点实验室， 江苏 苏州 215163
3 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所中国科学院生物医学检验技术重点实验室, 江苏 苏州 215163
将拉曼光谱技术和化学计量学方法相结合实现了对人血和动物血种属的区分， 并提出了一种基于Hilbert变换的拉曼光谱相位提取方法， 提高了人血与动物血区分的准确度。 分别对血液光谱数据和它所对应的相位信息进行主成分分析（PCA）， 通过主成分得分图比较两者对人与动物血液的区分程度， 并建立偏最小二乘判别分析（PLS-DA）模型， 通过设置合适的分类阈值y， 可以实现人与动物血液的有效区分。 结果表明在选取第一、 第二主成分分析时， 利用光谱数据相位信息建立的PCA模型， 识别率更高， 人与动物血液明显区分开来。 其所对应的PLS-DA模型最优主成分数为3， 预测标准误差（RMSEP）和决定系数（R2）分别为0.044 3和0.993 2。 而用血液原始光谱建立的PLS-DA模型最优主成分数为6， RMSEP和R2分别为0.053 7和0.990 1。 说明利用拉曼光谱相位信息建立的PLS-DA模型可以拟合较少的主成分数来获得误差更小的预测结果。 进一步观察PLS-DA模型拟合不同主成分数的预测标准误差曲线图， 当选取同样多的拟合主成分数时， 利用血液拉曼光谱相位信息建立的PLS-DA模型其所对应的预测标准误差均低于原始血液光谱数据。 所以， 通过提取血液拉曼光谱数据的相位信息， 可以降低模型的复杂程度， 提高识别准确度。
拉曼光谱技术 化学计量学方法 血液 相位信息 Raman spectroscopy Chemometrics method Blood Phase information 光谱学与光谱分析
2018, 38(8): 2412
中国计量大学 太赫兹技术与应用研究所，杭州 310018
为了将光子混频的连续太赫兹波透射成像系统应用于样品厚度检测中，采用该系统获得的相位信息对样品进行了2维厚度测量。利用两个外腔半导体结构的激光器搭建了基于光子混频的连续太赫兹波透射成像系统，并利用X-Y 2维电动平移台放置样品进行点点扫描成像。该系统可同时获得样品的幅度信息和相位信息，在太赫兹波辐射频率0.47THz时，系统信噪比可达68dB。计算得出的厚度值与实际样品的厚度值最大相差0.02mm；另外还分析了平行平面样品干涉效应和样品不同透射强度对厚度测量的影响。结果表明，样品折射率越高，平行平面干涉效应对厚度测量影响越大；样品透射系数越大，测量精度也越高。当样品太赫兹波透射系数大于0.5时，厚度测量精度优于2.0%。
测量与计量 厚度测量 相位信息 光子混频 连续太赫兹波成像 measurement and metrology thickness measurement phase information photomixing continuous wave terahertz imaging
1 北京理工大学光电学院光电成像技术与系统教育部重点实验室，北京100081
2 中国空空导弹研究院航空制导武器航空科技重点实验室，河南 洛阳471009
针对复杂背景下，红外目标与背景的亮度或对比度发生变化等因素会影响目标的分割结果的问题，构造了一种基于边缘相位信息的分割算法。该算法首先利用系数间积(ICP)变换获取图像边缘的相位信息，并进行边缘提取；再根据边缘像素点的相位与幅值，确定后续区域生长的种子与判决条件；最后采用区域生长思想对整幅图像实施分割。仿真结果表明，该算法不受亮度和对比度变化影响，准确有效地实现红外图像分割，避免了传统的分割算法所导致的图像边缘信息丢失。
图像分割 相位信息 ICP变换 红外图像 image segmentation phase information ICP transforrn infrared image
嘉应学院 电子信息工程系,广东 梅州 514015
分析了基于局部能量的小波图像融合算法的优缺点,针对该算法存在的对窗口内像素包含独立信息考虑不足的问题,提出了一种改进算法。改进算法利用了窗口中心像索的相位信息,将基于局部能量的选择和加权平均融合规则相结合。当两幅源图像小波分解后的对应高频系数相位相同时,采用局部能量极大值准则选择融合图像对应的高频系数,相位相反时,采用局部能量加权平均方法确定融合图像对应的高频系数。实验证明了改进算法的有效性。
图像融合 小波分解 局部能量 相位信息 image fusion wavelet decomposition local energy phase information
暨南大学 光电工程研究所，广东 广州 510632
在分析利用相位信息进行图像边缘检测原理的基础上，探讨了基于小波域相位信息的边缘检测方法，并将其应用到环境光强变化的目标识别系统中。该算法不需要设定阈值即可对目标边缘进行可靠的检测。实验结果表明，基于相位信息的边缘检测算法受图像的光照和对比度的影响小，在不同光照度的环境下具有良好的目标识别能力
相位信息 小波变换 目标识别 phase information wavelet transform object identification
