一种基于误差补偿的移相干涉信息处理方法技术

本发明专利技术涉及一种基于误差补偿的移相干涉信息处理方法，属于光学检测和数字信息处理技术领域；本发明专利技术基于移相激光干涉检测随机误差源对移相干涉测量的敏感方程，通过在最小二乘方法中添加待定的权重获取约束方程组，通过解多组约束方程组确定权重从而确定对误差源不敏感的移相干涉信息处理方法；本方法基于误差补偿的思想，能消除多种误差源对移相干涉检测的影响，显著提高移相激光干涉仪的重复性、复现性和精度，从而促进移相干涉仪技术在超高精度光学检测中的应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光学检测和数字信息处理
，具体涉及一种基于误差补偿的移相干涉信息处理方法，主要应用于移相干涉信息处理。
技术介绍
随着现代光学技术的发展，高精度光学系统对光学加工和光学检测提出了越来越高的要求。传统的干涉信息处理方法是条纹跟踪法，通过直接判断干涉条纹中心确定其序号来计算被测量。由于受到条纹判断准确性、待测波面的起伏程度影响，这种方法精度有限，不能满足高精度光学检测的要求。1974年Bruning提出移相干涉技术以来，移相干涉技术有了广泛的应用。这种技术能够减小噪声的影响，在干涉条纹对比度不好的情况下也能获得较好的结果；降低了光强分布不均匀对测量精度的影响，避免了激光高斯分布带来的影响。这种技术的关键之一是利用移相干涉图处理算法获得待测的相位分布。移相干涉测量技术发展到至今已经有多种模式，主要包括等步长移相、定步长移相和随机移相。Novak提出了几种移相量为任意值的等间隔多步移相算法，并且通过理论分析和仿真实验找到每一种算法的最佳移相量，当移相量为最佳移相量时相位误差最小。这种算法对移相误差抑制能力较好，但是无法有效抑制光源的不稳定和振动。ShouhongTang提出了一种相移量为已知量的非等间隔五步移相算法，这种算法能有效抑制移相误差，但是无法抑制光源的光强不稳定。基于等步长移相干涉检测技术，在进行等步长移相干涉测量时，干涉场的光强分布可表示为In(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)cos[φ(x,y)+δn(x,y)](1)式中A(x,y)为背景光强，B(x,y)为调制光强，Φ(x,y)为待求解的相位分布，它包含了待测光波波面的信息，δn(x,y)为引入的移相量。通过微位移移相控制系统在参考光和测试光之引入按某种规律变化的移相量δn(x,y)，从而获得多组方程以求解出Φ(x,y)。令Bcos(x,y)＝B(x,y)cos[φ(x,y)]Bsin(x,y)＝-B(x,y)sin[φ(x,y)](2)那么待求的相位分布可表示为φ(x,y)=arctan[-Bsin(x,y)Bcos(x,y)]---(3)]]>设定代表实际采集的移相干涉图，每一幅干涉图对应的权重为wn，误差函数ε可表示为ϵ=Σn=1Nwn(In-I~n)2=Σn=1Nwn[A+Bcoscos(δn)+Bsinsin(δn)-I~n]2---(4)]]>对等式(5)分别求A,Bcos,Bsin的偏导数，当偏导数分别为零时误差函数受这三个参量变化的影响最小。由此得到等式(6)Σn=1NwnΣn=1Nwncos(δn)Σn=1Nwnsin(δn)Σn=1Nwncos(δn)Σn=1Nwncos2(δn)Σn=1Nwnsin(δn)cos(δn)Σn=1Nwnsin(δn)Σn=1Nwnsin(δn)cos(δn)Σn=1Nwnsin2(δn)×ABcosBsin=Σn=1NwnI~nΣn=1NwnI~ncos(δn)Σn=1NwnI~nsin(δn)---(5)]]>设定合适的权重，满足Σn=1Nwn=1Σn=1Nwnsin(δn)=Σn=1Nwncos(δn)=0Σn=1Nwnsin(2δn)=Σn=1Nwncos(2δn)=0---(6)]]>由等式(4)、(6)和(7)得到待测相位可表示为φ=arctan[-Σn=1NwnI~nsin(δn)Σn=1NwnI~ncos(δn)]---(7).]]>
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种移相干涉图相位提取算法设计方法，以消除移相干涉检测中多种误差源引入的影响，提高干涉检测的重复性、复现性和精度。本专利技术的技术方案如下：一种基于误差补偿的移相干涉信息处理方法，其特征是，包括以下步骤，第一步，确定移相干涉检测的误差源的敏感方程；所述误差源为移相不准误差、探测器的响应误差、光源的光强不稳定和频率不稳定；各种误差源的敏感方程如下：移相不准误差，实际移相量和移相不准可用理想移相量的多项式表示为δ′n＝(1+ε1)δn+ε2(δn)2+ε3(δn)3+....Δδn＝ε1δn+ε2(δn)2+ε3(δn)3+....(8)＝ε1(n-1)δ+ε2[(n-1)δ]2+ε3[(n-1)δ]3+....对待测相位等式求偏微分，并带入待测相位等式，可得到移相不准的敏感方程Δφ=cos2(φ)Σn=1Nwnsin2(δn)Δδn+sin2(φ)Σn=1Nwncos2(δn)Δδn+2sin(φ)cos(φ)Σn=1Nwnsin(δn)cos(δn)Δδn---(9)]]>探测器响应误差，探测器存在二阶非线性响应误差时，探测器输出的干涉图信号与干涉图光强信号之间的关系以及响应ΔIn偏差可表示为，I′n(x,y)＝In(x,y)+ηIn2(x,y)ΔIn＝In′-In＝η[A2+2ABcos(φ+δn)+B2cos2(φ+δn)](10)对待测相位等式求偏微分，并带入等式(10)，可得到探测器响应非线性的敏感方程：Δφ=-1B...

【技术保护点】
一种基于误差补偿的移相干涉信息处理方法，其特征是，包括以下步骤，第一步，确定移相干涉检测的误差源的敏感方程；所述误差源为移相不准误差、探测器的响应误差、光源的光强不稳定和频率不稳定；各种误差源的敏感方程如下：移相不准误差，实际移相量和移相不准可用理想移相量的多项式表示为δn′=(1+ϵ1)δn+ϵ2(δn)2+ϵ3(δn)3+...·Δδn=ϵ1δn+ϵ2(δn)2+ϵ3(δn)3+...·=ϵ1(n-1)δ+ϵ2[(n-1)δ]2+ϵ3[(n-1)δ]3+...·---(8)]]>对待测相位等式求偏微分，并带入待测相位等式，可得到移相不准的敏感方程Δφ=cos2(φ)Σn=1Nwnsin2(δn)Δδn+sin2(φ)Σn=1Nwncos2(δn)Δδn+2sin(φ)cos(φ)Σn=1Nwnsin(δn)cos(δn)Δδn---(9)]]>探测器响应误差，探测器存在二阶非线性响应误差时，探测器输出的干涉图信号与干涉图光强信号之间的关系以及响应ΔIn偏差可表示为，I′n(x,y)＝In(x,y)+ηIn2(x,y)ΔIn＝I′n‑In＝η[A2+2ABcos(φ+δn)+B2cos2(φ+δn)]   (10)对待测相位等式求偏微分，并带入等式(10)，可得到探测器响应非线性的敏感方程：Δφ=-1Bcos(φ)ηA2Σn=1Nwnsin(δn)+sin(φ)ηA2Σn=1Nwncos(δn)+2cos2(φ)ηABΣn=1Nwnsin(δn)cos(δn)-sin2(φ)ηABΣn=1Nwncos(δn)sin(δn)+2sin(φ)cos(φ)ηABΣn=1Nwncos2(δn)-2sin(φ)ηABΣn=1Nwnsin2(δn)+cos(φ)ηB22Σn=1Nwnsin(δn)+cos(φ)ηB2cos(2φ)2Σn=1Nwnsin(δn)cos(2δn)cos(φ)ηB2sin(2φ)2Σn=1Nwnsin(δn)sin(2δn)+sin(φ)ηB22Σn=1Nwncos(δn)+sin(φ)ηB2cos(2φ)2Σn=1Nwncos(δn)cos(2δn)sin(φ)ηB2sin(2φ)2Σn=1Nwncos(δn)sin(2δn)---(11)]]>光源的光强不稳定和频率不稳定，存在光强波动时，干涉图可以用帧数的多项式表示，第n帧干涉图以及探测器输出的干涉图信号与理想干涉图光强信号之间的偏差可表示为可分别表示为，In′(x,y)=[1+ϵ1(n-1)+ϵ2(n-1)2+......+ϵk(n-1)k]In(x,y)ΔIn′=In′-In=[ϵ1(n-1)+ϵ2(n-1)2+......+ϵk(n-1)k]In---(12)]]>对待测相位等式求偏微分，并带入等式(12)，可得到光强不稳定的敏感方程：当仅存在激光器的频率波动时，引入的额外相位差可表示为Δδ=[(OPD+ΔOPD)×(υ+Δυ)C-OPD×υC)×2π≈[OPD×&Delta...

【技术特征摘要】
1.一种基于误差补偿的移相干涉信息处理方法，其特征是，包括以下步骤，
第一步，确定移相干涉检测的误差源的敏感方程；
所述误差源为移相不准误差、探测器的响应误差、光源的光强不稳定和频率不稳定；
各种误差源的敏感方程如下：
移相不准误差，实际移相量和移相不准可用理想移相量的多项式表示为
δn′=(1+ϵ1)δn+ϵ2(δn)2+ϵ3(δn)3+...·Δδn=ϵ1δn+ϵ2(δn)2+ϵ3(δn)3+...·=ϵ1(n-1)δ+ϵ2[(n-1)δ]2+ϵ3[(n-1)δ]3+...·---(8)]]>对待测相位等式求偏微分，并...

【专利技术属性】
技术研发人员：于杰，张海涛，马冬梅，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林;22