[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

摘要

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。

主权项

1.一种基于优化量子粒子群算法准确提取未知相移量的方法，其特征在于，包括以下步骤：/n第1、依据实验光路图搭建光路，控制偏振片来引入任意相移量a1,a2,a3，用CMOS在时间序列上采集四帧全息图，并记录下物光和参考光的强度；假设物光波前经菲涅耳衍射后在记录平面P_H上的复振幅分布为假设与记录平面P_H垂直的轴向平面波为参考波，其复振幅分布为其中，A_o(x,y)和A_r(x,y)分别表示物光和参考光的振幅分布，可分别取物光光强I_o(x,y)和参考光光强I_r(x,y)的平方根，和分别表示物光和参考光的位相分布；记录平面P_H上的总光场为(为表达简便，省略(x,y))：/nU＝O+R (1)/n强度分布为：/n /n则可以将四帧全息图分别表示为：/n /n第2、对采集到的四帧全息图之间进行减法操作，并对得到的差值的绝对值进行取平均运算，从而形成三个中间值：/n /n其中，<|...|>是四帧全息图之间作差后取绝对值，然后作取平均运算，根据相位随机条件，不管相移量α取何值，均有近似条件成立，即(4)式中的因此(4)式中等号右边的<|...|>项近似相等，记为中间变量c，即则有：/np＝csin(α₁/2),q＝csin(α₂/2),r＝csin(α₃/2) (5)/n当物光和参考光的强度被记录时，则c可以直接计算得出近似值，再经过简单的变换计算可得：/nα₁＝2arcsin(p/c),α₂＝2arcsin(q/c),α₃＝2arcsin(r/c) (6)/n即求得四步GPSI相邻步长之间的相移量的近似值α₁,α₂,α₃；/n第3、将所求得的α₁,α₂,α₃作为初始值，使用优化量子粒子群算法进一步逼近它们的真实值：/n首先，将(6)式计算得到的初始值α₁,α₂,α₃和测量得到的参考光强度I_r＝A_r²，以及记录的四帧全息图，带入到(7)式中(由(3)式推导出)：/n /n计算可得振幅A_o和相位的初始近似值；/n其次，构造一个使振幅A_o、相位和相移量α₁,α₂,α₃相关联的平均误差函数ε作为量子粒子群算法的适应值函数：/n /n其中，“∑”表示对整帧图像求和；/n再次，根据p_ed(m)＝p_ed(m)±N(0,ξ₁·Δn_range)对α₁,α₂,α₃进行第一次高斯变异操作，优化初始粒子群的分布；/n最后，按照优化的量子粒子群算法计算得出使平均误差函数ε最小的一组α₁,α₂,α₃，该组α₁,α₂,α₃则是相移过程中的真实值或最接近真实值的最优值；/n第4、将第3中求得的α₁,α₂,α₃的最优值，测量得到的参考光强度I_r＝A_r²，以及记录的四帧全息图再次带入(7)式(由(3)式推导出)，可以恢复出记录平面P_H上的物波场，从而得到振幅A_o和相位的准确值。/n