1 西安工业大学 光电工程学院， 陕西西安70032
2 西安交通大学 机械制造系统工程国家重点实验室， 陕西西安710049
为满足点衍射干涉测量对解包算法高精度、高效以及抗干扰的检测需求。提出一种基于空洞空间卷积的相移点衍射干涉图像的相位解包方法，通过将自编码器结构和空洞空间卷积结合获得更高的相位解包精度，实现对包裹相位图像可控的多尺度特征提取。根据点衍射图像特点制作的大量多样化数据集对其进行训练和优化，从而实现准确识别包裹相位所在阶次，最终可以快速处理包裹图像得到高精度的解包结果。利用所提方法对实际点衍射干涉图像进行处理，并与ESDI专业干涉图像处理软件以及其他解包算法处理结果进行比对，结果表明：本文解包结果与软件枝切法解包处理结果均方根误差值为0.022 2 rad，面形拟合结果与软件面形拟合结果峰谷差值仅为0.012 1λ、均方根差值仅为0.004 2λ；时间效率上，完成一幅图像的处理平均仅需0.035 s，而传统方法均大于1 s。与其他方法相比，所提方法在处理包裹相位方面具有快速、高精度的特性，为点衍射干涉图像处理的高精度相位解包提供了新的可行方案。
干涉测量 面形检测 干涉成像 神经网络 相位解包 interferometry surface measurement interference fringe neural networks phase unwrapping
1 上海市计量测试技术研究院，上海 201203
2 上海在线检测与控制技术重点实验室，上海 201203
3 桂林电子科技大学 计算机与信息安全学院，广西 桂林 541004
提出了一种结合深度学习的空间相位解包裹方法，采用基于改进U-Net网络的编码器-解码器架构，同时加入包含双向长短期记忆网络（BILSTM）的CBiLSTM模块，并且结合注意力机制，避免了典型卷积神经网络学习全局空间依赖关系的固有缺陷的同时增强了深度学习模型对相位解包裹任务中的关键信息的关注能力。通过大量的模拟数据，验证了文中方法在严重噪声(SNR=0)、不连续条件和混叠条件下的鲁棒性，在以上三种情况下，同其他深度学习网络模型进行对比，文中所提出的网络模型的归一化均方根误差（NRMSE）分别为0.75%、1.81%和1.68%；结构相似性指数（SSIM）分别为0.98、0.92和0.94；峰值信噪比(PSNR)分别为40.87、32.56、37.38；同时计算时间显著减少，适合应用到需要快速准确的空间相位解包裹任务中去。通过实际测量数据，验证了文中提出网络模型的可行性。该研究将双向长短期记忆网络（BILSTM）和注意力机制同时引入光学相位解包裹问题中，为解决复杂相位场的解包裹提供了新的思路和方案。
相位解包裹 深度学习 注意力机制 长短期记忆网络 卷积神经网络 phase unwrapping deep learning attention mechanism long short-term memory network convolutional neural network 红外与激光工程
2024, 53(2): 20230564
1 东北大学秦皇岛分校控制工程学院，河北 秦皇岛 066004
2 苏州中科行智智能科技有限公司，江苏 苏州 215000
针对合成波长方法动态范围较小的问题，提出一种用于相敏谱域光学相干层析（PSSD-OCT）的大动态范围合成波长相位解包裹方法，解决了传统合成波长方法的相位包裹限制问题，实现了大动态范围、快速及高灵敏度的PSSD-OCT成像。通过选取全长度干涉光谱和位于光谱仪中间的半长度干涉光谱，计算合成相位缺失的周期数；利用全长度干涉光谱及半长度干涉光谱解调结果的分段组合，消除易受噪声影响的相位周期数跳变问题。通过阶差规、硬币及电路板的成像实验，证明该方法可以用于大动态范围（毫米级）的高灵敏度位移解调。
相干光学 相敏谱域光学相干层析 合成波长 相位解包裹 动态范围
1 中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室，陕西 西安 710119
2 西安电子科技大学物理学院，陕西 西安 710071
定量相位显微成像在工业检测、生物医学和光场调控等领域具有重要的应用价值。常用的定量相位显微成像技术通过干涉的方法来获取相位的定量分布，干涉装置的稳定性、光学衍射极限的限制、相位再现时的解包裹问题、激光照明下的相干噪声，以及动态观测过程中的样品离焦等因素都会影响定量相位显微成像的分辨率和精度。本文围绕高精度定量相位显微成像中的上述关键问题展开研究，通过构建物参共路的同步相移数字全息显微结构实现稳定的实时测量；采用结构光照明的超分辨相位成像方法实现对微小物体的超分辨相位成像；利用双波长照明将纵向无包裹相位测量范围扩大到微米量级；使用低相干LED照明解决相干噪声问题；提出了基于结构光照明和双波长照明的数字全息显微自动调焦方法，可以满足对不同类型样品的长时间跟踪观测。
定量相位显微成像 物参共路 结构光照明 相位解包裹 自动调焦
1 中国科学院 空间光电精密测量技术重点实验室, 成都 610209
2 中国科学院 光电技术研究所, 成都 610209
3 中国科学院大学 电子电气与通信工程学院, 北京 100049
4 中国科学院大学 光电学院, 北京 100049
为了解决周期性跳变引起的相位解调问题, 提出了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的自动相位解缠算法。采用数据流水线结构, 通过状态机自动寻求跳变周期数, 由跳变周期数实现自动相位补偿, 并对提出的算法进行了理论分析和实验验证。结果表明,在FPGA内设置跳变周期数计数位宽为8位, 能适用256次以下跳变情况; 当增加跳变周期数计数位宽, 可适应更多跳变次数的情况; 自动相位解缠算法几乎不占用存储资源; 能解决因振动调制范围增大引起的反正切相位跳变问题; 相位解调误差在1‰以内, 满足高精度振动检测实时性需求。此自动相位解缠算法为激光多普勒振动测量时反正切相位计算结果存在周期性跳变问题提供了更为简洁的解决方案。
激光技术 相位解缠 自动相位解缠 相位跳变 振动检测 激光多普勒效应 laser technique phase unwrapping automatic phase unwinding phase jump vibration detection laser Doppler effect
1 光场调控科学技术全国重点实验室,成都 610209
2 中国科学院空间光电精密测量技术重点实验室,成都 610209
3 中国科学院光电技术研究所,成都 610209
4 中国科学院大学 电子电气与通信工程学院,北京 100049
5 中国科学院大学 光电学院,北京 100049
为实现微弱振动信号的实时、高精度解调,提出一种基于现场可编程逻辑门阵列（FPGA）的激光多普勒微弱振动检测及信号处理方法。采用全光纤结构的光学系统,振动信号处理系统则以FPGA为核心设计。改进相位解缠模块,在增大振动测量范围的同时,使其能适用于简谐振动与复杂振动。通过模拟振动实验验证了改进后相位解缠模块,且当振幅在80 μm以内时,测量精度在5‰以内。通过对压电陶瓷实际振动目标测振实验,其频率测量误差在1 Hz以内,振幅与频率的测量精度均在1%以内。实验验证了该振动信号处理方案对于扩大振动测量范围与实现高精度目标振动解调的有效性。
激光技术 激光多普勒测振 现场可编程逻辑门阵列 信号处理 相位解缠 laser technique laser doppler vibration measurement field programmable logic gate array signal processing phase unwrapping
1 武汉理工大学理学院，湖北 武汉 430070
2 梁园区科学技术局科学技术情报研究所，河南 商丘 476000
相位型表面等离子体共振（SPR）技术具有极高的检测灵敏度。然而，理论求解SPR信号的相位差时通常会出现相位跳变的情况，致使理论与实验结果不能直接对应，需要人为修正。提出一种新的相位求解方法——相位解卷绕法，通过不同厚度金膜修正前后的SPR相位差的计算结果与实验结果对比表明：相位解卷绕法修正后的解调结果不再出现相位跳变现象；且相位差变化量随金膜厚度的增加呈先增加后减少的趋势，即存在一个对应于相位差极大值的最佳金膜厚度。相位解卷绕法解决了SPR相位解调中的相位跳变问题，使理论计算能直接对应实验结果。
表面等离子体共振 相位解调 相位解卷绕法 干涉测量 金膜 光学学报
2023, 43(20): 2024003
1 河北工业大学 机械工程学院，天津 300130
2 赫德斯菲尔德大学 精密技术中心，赫德斯菲尔德 HD13 DH
结构光三维形貌测量方法越来越多地应用于逆向工程、航空航天、生物医学、文物保护等领域。相位展开作为结构光三维测量中的一个关键环节对测量精度、速度和可靠性起着决定性作用。文中综述了相位展开技术的基本原理、国内外研究现状、各类方法的优缺点和未来发展方向。首先根据相位展开计算方法不同，将现有的用于结构光三维形貌测量技术的相位展开技术分为以下四类进行详细的介绍：时间相位展开技术、空间相位展开技术、基于深度学习的相位展开技术和其他相位展开技术；然后详细比较了各种技术的优缺点；最后总结了相位展开技术的特点并展望了该技术的未来研究方向。基于文中综述的内容，研究者们可用于了解各类相位展开技术的原理与进展，进而根据不同方法的特点对比结合应用需求和测量条件选择最有效的相位展开技术，实现三维形貌的精确测量。
相位展开 三维形貌测量 条纹投影 绝对相位 phase unwrapping 3D shape measurement fringe projection absolute phase 红外与激光工程
2023, 52(8): 20230126
1 河北工程大学 数理科学与工程学院, 邯郸 056038
2 河北省计算光学成像与光电检测技术创新中心, 邯郸 056038
为了实现高精度的数字全息相位解包裹, 采用基于Unet网络框架中集成MobilenetV3的轻量级深度学习网络, 设计了UMnet网络以实现全息相位的精准解包裹。网络中融和轻量级注意力机制、多尺度卷积来增强网络精度与泛化能力, 同时运用hard-Swish激活函数提高网络学习能力; 运用模拟数据集进行网络训练, 对生成网络模型进行降噪能力测试, 并经过了实际样品全息图的测试验证。结果表明, UMnet比深度学习相位解包裹网络的结构性相似指数值提升了6.6%。UMnet能够简单、快速、高效地实现数字全息相位解包裹。
全息 相位解包裹 注意力机制 多尺度卷积 holography phase unwrapping attention mechanism multi-scale convolution
为了使用高频条纹实现对物体三维形貌高精度快速测量, 提出了一种利用双频外差和时空相位展开实现三维测量的方法。该方法仅投影两套高频条纹图片, 利用双频外差方法计算出一个频率较低的截断相位分布, 经空间相位展开得到其对应的连续相位, 用于指导高频条纹截断相位展开, 获得三维重建需要的绝对相位分布。该方法对双频外差后的低频截断相位上进行空间相位展开, 降低了空间相位展开难度, 增加了双频条纹投影三维测量的适用范围。实验结果表明该方法的STD误差为0.06 mm。该方法利用两套高频正弦条纹、不增加投影第三个频率条纹图的情况下, 实现了高精度快速三维形貌测量。
三维形貌测量 条纹投影 相位展开 双频外差 空间相位展开 3D shape measurement fringe projection phase unwrapping dual-frequency heterodyne Spatial-temporal phase unwrapping
