[发明专利]基于优化量子粒子群算法准确提取未知相移量的方法

说明书

本发明涉及一种基于优化量子粒子群算法准确提取未知相移量的方法，其首先基于衍射场的统计性质近似计算四步相移中各相移量的菲涅尔衍射场统计平均值；其次，根据相位随机条件求取中间值，用其表示近似相移量；最后，设置平均误差函数作为适应值函数，并改进量子粒子群算法以进一步逼近相移量的真实值，其中，量子粒子群算法中添加高斯变异操作，使算法符合粒子的初始分布规律。本发明构思合理，理论完善，不仅可以实现四步相移中未知相移量的近似预估计，提高计算方向的准确性，而且可以提高计算未知相移量的真实值的准确度和速度，有效克服传统迭代方法中出现在真实值附近的“锯齿解现象”，具有极快的速度和优秀的求解质量等优点。

技术领域

本发明涉及一种基于优化量子粒子群算法准确提取未知相移量的方法，属于相移干涉测量以及相位提取等领域，特别是适用于通过迭代算法来提取未知相移量的领域。

背景技术

光学三维测量技术是一种非接触、高精度投影结构光或自然光的表面微观形貌测量技术，这种技术已经广泛应用在电子、汽车、机械加工、纺织等现代工业中。相移干涉测量(Phase-shifting interferometry，PSI)是光学三维测量技术中的一种主动测量方式，其具备光学三维测量技术的优点，已广泛应用于从相位测量到显微镜系统的各种应用中。传统的PSI需要特殊且恒定的相移量(2π/N,N为大于等于3的整数)，例如多步定步长方法和多步等步长方法，这些方法要求每次的相移量都是一个固定值，而在实验过程中，由于受到相移器件标定误差、机械振动以及空气扰动等因素的影响，这个要求很难在实际中完全满足，导致波前重建及测量精度会受到影响。因此，为了克服这一不足，研究能够提取未知相移信息的广义相移干涉术(GPSI)对提高PSI的实际应用价值具有重要意义。

广义相移干涉术(GPSI)不需要严格控制每一步的相移量，而是从干涉图中提取任意未知相移值，再由相应的波前重建方法得到物光波，由于其相移值可以是任意未知的，所以GPSI可以减少对相移器件精度和环境稳定性的依赖，提高对系统误差的免疫能力。目前已有的相移提取算法可以分为迭代算法和非迭代算法两种类别，迭代算法根据迭代原理的不同可以分为交替式迭代算法和渐进式迭代算法，两种迭代方式都需要物光波相位分布或者误差函数和相移值之间的多次迭代，以逐渐逼近准确的相移值和物光波相位分布，其实验精度受到迭代步数的影响，而且运算时间较长，很难做到实时应用。非迭代算法根据提取相移值的原理的不同可以分为基于衍射场相位分布统计特性的相移值求解法、干涉图极值法、代数拟合法等，其中，基于衍射场相位分布统计特性的相移值求解法的基本依据是利用菲涅尔衍射场的振幅分布和相位分布相互独立且衍射场的相位分布近似随机变化这一特性，该方法会计算出相移量的近似值，实际上，由于各种实际因素，例如全息图大小及采样点个数的有限等因素的影响，求取的近似值存在较大的误差，需要进一步使用以干涉图的匹配为依据的迭代方法逐步逼近真实值，但是，相移量迭代步长的选择对计算速度有较大的影响：步长太小，需要增多迭代次数达到真实值；步长太大，又容易错过真实值，还需要减小步长反向寻找，会出现真实值附近的“锯齿解现象”。因此需要探究能够更好的契合基于衍射场相位分布统计特性的相移值求解法的新迭代方法。

发明内容

本发明的目的是克服传统相移法中每步相移是固定值的限制，结合智能算法——量子粒子群算法，设计一种与基于衍射场相位分布统计特性的相移值求解法结合更好的迭代方法。本发明提出基于优化量子粒子群算法准确提取未知相移量的方法，以基于衍射场相位分布统计特性的相移值求解法为算法基础，在计算出相移量的近似值后，使用优化量子粒子群算法进行迭代计算以求取相移量的真实值，其中，在量子粒子群算法中增加一次高斯变异操作，以增加初始粒子群的多样性，提高求解速度。使用从(3)式推导出的相移量的表达式(7)式恢复出记录平面P_H上的物波场，从而得到A_o和的准确值。本发明实验操作简单方便，算法流程完善，求取相移量精度高，能更好的满足实际应用。

本发明提供的基于优化量子粒子群算法准确提取未知相移量的方法，具体步骤如下：