一种基于振幅加权与约束限制的相位恢复改进算法制造技术

本发明专利技术公开了一种基于振幅加权与约束限制的相位恢复改进算法，属于光学测量中的相位恢复技术领域。以随机相位作为初始估计相位，并将其与测量振幅结合作为输入，利用快速傅里叶变换在整个系统内传输，在输出面进行振幅加权并保留相位，然后逆向传输至输入面，再进行振幅加权与约束限制，如此经过多次迭代最终计算出待测波前相位。仿真结果表面，基于此算法恢复出的相位图像误差更小，抗噪性能良好，与传统相位恢复算法相比收敛速度大幅提升。传统相位恢复算法相比收敛速度大幅提升。传统相位恢复算法相比收敛速度大幅提升。

【技术实现步骤摘要】
一种基于振幅加权与约束限制的相位恢复改进算法


[0001]本专利技术属于光学测量中的相位恢复
，具体设计了一种基于振幅加权与约束限制的相位恢复改进算法。

技术介绍

[0002]对于光波场而言，其振荡频率接近10^15Hz，我们利用人眼及已有成像器件只能得到光的强度信息，而无法记录相位信息。相位虽然难以测量，却具有很强的重要性。相位检测主要分为两部分：非定量相位检测方法(又称为相位成像方法)，以及定量相位检测方法。传统的干涉测量法依赖于光的干涉，对光源的相干性、测试设备与测试环境提出了很高的要求。除了基于几何光学的夏克
‑
哈特曼波前传感器，非干涉测量法中还有另一类应用更为广泛的方法：相位恢复(Phase retrieval)方法。相位恢复在生物医学显微、X射线成像、自适应光学、光学元件几何形貌表征、天线面形重构等方面发挥着重要的作用。
[0003]相位恢复方法在数学上是一个经典的不适定非凸“逆问题”，因而精确的数值求解存在极大的困难。其求解方法主要分为基于强度传输方程(Transport of Intensity Equation，TIE)的直接法和迭代型相位恢复算法(Iterative Phase Retrieval Algorithm，IPR)。迭代型相位恢复算法主要有：(1)1971年，Gerchberg和Saxton两人在研究电子显微成像时正式提出的GS算法；(2)Soifer等人提出的自适应附加(Adaptive
‑
additive，AA)算法；(3)Fienup提出误差下降(Error Reduction，ER)算法、混合输入输出(Hybrid Input
‑
Output，HIO)算法等。以上算法大多应用于单次正反傅里叶变换的系统，这极大限制了相位恢复算法的适用性，且收敛速度与精度有局限。

技术实现思路

[0004]本专利技术为了解决传统相位恢复算法应用于单次正反傅里叶变换系统和收敛速度与精度有局限的不足，提出了一种基于振幅加权与约束限制的相位恢复改进算法，该算法是在整个系统的前向传播与逆向传播间进行迭代，是一种更广义的迭代相位恢复算法，且收敛速度与精度优于传统算法，可实现精确相位恢复。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用以下具体技术方案：
[0006]该基于振幅加权与约束限制的相位恢复改进算法，包括以下步骤：
[0007]首先假设随机分布的相位作为初始估计相位，并与测得输入振幅组成输入光场复分布，利用快速傅里叶变换在整个系统内正向传输，将得到的输出面光场进行振幅加权并保留相位，组成新的输出光场复分布并逆向传输至输入面，再将返回输入面的光场进行约束限制并加权振幅，组成新的输入，如此经过多次迭代最终计算出输入面位置高精度的光场相位。
[0008]本专利技术能够取得以下技术效果：
[0009]1、本专利技术综合采用了振幅加权与约束限制两种手段，进一步提升了相位恢复算法的收敛速度与收敛精度。
[0010]2、本专利技术将传统相位恢复算法的应用范围由单次正反傅里叶变换系统推广到了一个复杂的系统，增强了算法的适用范围。
[0011]3、本专利技术所提的基于振幅加权与约束限制的相位恢复改进算法，抗噪性能良好，可广泛应用于高精度波前测量、系统像差矫正、生物成像、自由空间通信等领域。
附图说明
[0012]图1为本专利技术的流程示意图；
[0013]图2为本专利技术一个实施例的输入振幅与相位；
[0014]图3为本专利技术一个实施例的系统结构图；
[0015]图4为本专利技术一个实施例的随机初始相位；
[0016]图5为本专利技术一个实施例的使用该算法恢复所得相位；
[0017]图6为本专利技术一个实施例的归一化误差MSE曲线与余弦相似度CS曲线；
[0018]图7为本专利技术一个实施例的各算法仿真重建图像；
[0019]图8为本专利技术一个实施例的各算法CS曲线对比图；
[0020]图9为本专利技术一个实施例的不同噪声条件下算法CS曲线；
[0021]图10为本专利技术另一个实施例的仿真结果图。
具体实施方式
[0022]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，而不会构成对本专利技术的限制。
[0023]本专利技术是一种基于振幅加权与约束限制的相位恢复改进算法，主要步骤是：首先假设随机分布的相位作为初始估计相位，并与测得输入振幅组成输入光场复分布，利用快速傅里叶变换在整个系统内正向传输，将得到的输出面光场进行振幅加权并保留相位，组成新的输出光场复分布并逆向传输至输入面，再将返回输入面的光场进行约束限制并加权振幅，组成新的输入，如此经过多次迭代最终计算出输入面位置高精度的光场相位。
[0024]本专利技术的算法流程图如图1所示，其具体步骤如下：
[0025]Step1：初始假设输入平面光场复分布为f(x1,y1)＝|A
i
(x1,y1)|exp[jφ0(x1,y1)]，其中振幅为|A
i
(x1,y1)|，相位为φ0(x1,y1)，(x1,y1)表示输入面的二维坐标分布。
[0026]Step2：计算f(x1,y1)经过系统正向传输后在输出面的光场复分布F(x2,y2)＝|A
n
(x2,y2)|exp[jφ
n
(x2,y2)]，其中振幅为|A
n
(x2,y2)|，相位为φ
n
(x2,y2)，(x2,y2)表示输出面的二维坐标分布。
[0027]Step3：用A
n
′
(x2,y2)替换Step2中得到的输出振幅A
n
(x2,y2)，其中A
n
′
(x2,y2)是由已知输出面振幅A
o
(x2,y2)和正向传输计算得到的振幅A
n
(x2,y2)按照式A
n
′
(x2,y2)＝m*A
o
(x2,y2)+(1
‑
m)*A
n
(x2,y2)加权得到，加权系数为m，范围是[0,2]，同时保持相位不变，得到修正后的输出光场复分布F
′
(x2,y2)＝|A
n
′
(x2,y2)|exp[jφ
n
(x2,y2)]。
[0028]Step4：计算F
′
(x2,y2)经过系统逆向传输后返回输入面的光场复分布f
′
(x1,y1)＝|A
n
(x1,y1)|exp[jφ
n
(x1,y1)]，并对其进行约束限制，使之满足已知约束条件，然后使用A
n+1
(x1,y1)替换其振幅，其中A
n+1
(x1,y1)是本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于振幅加权与约束限制的相位恢复改进算法，其特征在于，包括以下步骤：首先假设随机分布的相位作为初始估计相位，并与测得输入振幅组成输入光场复分布，利用快速傅里叶变换在整个系统内正向传输，将得到的输出面光场进行振幅加权并保留相位，组成新的输出光场复分布并逆向传输至输入面，再将返回输入面的光场进行约束限制并加权振幅，组成新的输入，如此经过多次迭代最终计算出输入面位置高精度的光场相位。2.根据权利要求1所述的基于振幅加权与约束限制的相位恢复改进算法，其特征在于，具体步骤如下：Step1：初始假设输入平面光场复分布为f(x1,y1)＝|A
i
(x1,y1)|exp[jφ0(x1,y1)]，其中振幅为|A
i
(x1,y1)|，相位为φ0(x1,y1)，(x1,y1)表示输入面的二维坐标分布。Step2：计算f(x1,y1)经过系统正向传输后在输出面的光场复分布F(x2,y2)＝|A
n
(x2,y2)|exp[jφ
n
(x2,y2)]，其中振幅为|A
n
(x2,y2)|，相位为φ
n
(x2,y2)，(x2,y2)表示输出面的二维坐标分布。Step3：用A
′
n
(x2,y2)替换Step2中得到的输出振幅A
n
(x2,y2)，其中A
′
n
(x2,y2)是由已知输出面振幅A
o
(x2,y2)和正向传输计算得到的振幅A
n
(x2,y2)按照式A
′
n
(x2,y2)＝m*A
o
(x2,y2)+(1
‑
m)*A
n
(x2,y2)加权得到，加权系数为m，范围是[0,2]，同时保持相位不变，得到修正后的输...

【专利技术属性】
技术研发人员：王广彪，谭孟，沈衍华，
申请(专利权)人：杭州壹鉴科技有限公司，
类型：发明
国别省市：