菲涅尔转换的数值计算

精品文档 1欢迎下载 菲涅尔转换的数值计算 在这篇论文中 我们通过均匀空间采样所获得的有限数值来处理计算菲涅尔转换积分 这一问题 通常简单的数值采样规则能够让使用者对于任何散射距离都能计算出他的分布 这些规则是如何被扩展到利用基于快速傅里叶变换这一算法来提高计算效率的 在这篇论文 中也有所解释 这篇论文也把本方法与其他理论方法做了比较 1 1 引言引言 光的传播和衍射是个经典问题 在当下仍十分重要 麦斯威尔等式为检测 光的行为提供了一个严格的框架 他把光描述成一种电磁波 电场和磁场组成 部分的行为都应该特别的考虑 例如 当分析数值孔径高的镜头 就如在显微 镜中或者是为平面等离子体匹配模式时发现的 然而在许多场合 对于一个给 定的物理问题进行模式匹配时 电磁场的全矢量描述是不需要的 一个简单地 标量模型可以用在这里 用一个标量模型去表示一个光学场是一个有用的近似 表示 在光学制度中 它为光通过孔径 在这里孔径的大小远大于光波长 的 衍射提供了一个高度准确的预测 可参见 1 的实验结果 其他相关理论和数 值计算在 2 3 中被提出来了 在这篇论文中我们假设一个标量模型对于我们 的目的是足够精确的 在光传输的标量描述中 区分以下两个定义是非常有用的 即傍轴和非傍 轴衍射积分 两类衍射积分来自于麦斯威尔等式 参见 4 5 然而在傍轴处 理过程中 在推倒时应做更多的近似处理 因此 傍轴模式更加脱离于真实的 衍射基础物理过程 伴随着这个结论还有非傍轴衍射积分被认为是更加的准确 我们参见在 4 的 3 4 章中写的衍射处理 并且据此把基尔霍夫定律或瑞利 索末菲第一和第二定律归类为非傍轴衍射积分 菲涅尔转换是一个傍轴衍射积 分 在这篇论文中我们用有限的采样数值来研究菲涅尔转换的数值计算问题 这是因为数值模拟技术对模拟光传输和为没有解析解的普通衍射问题计算解析 解是相当重要的 菲涅尔转换在数字全息术 6 12 迭代相位检索 13 15 和估计相位分布的强度方式的传输中扮演着不可缺少的角色 估计相位分布的 强度方式的传输在生物图像应用 16 17 中起着重要的作用 菲涅尔转换也广 泛应用于针对波束成形 18 19 的衍射光学元件的设计中 在计量应用中衍射 光斑区域的去相关也被应用于判定变形 例如 在测试时光学粗糙表面的压力 应变以及裂缝 20 22 或者是位移和倾斜的检测 23 24 在这所有的应用 当中 菲涅尔转换的数值计算是必要的 因此完全明白如何执行运算具有显著 的理论和实践重要性 或许在理论计算过程中遇到的第一个问题会是如何选择一个合适的均匀分 布的抽样值来代替输入平面的复杂标量波场 在文献中有许多通过检测需要多 少抽样值来处理这个问题的手稿 因此在检测内核或者是菲涅尔啁啾函数时尼 奎斯特采样率 或者是一个相关的标准 被采用了 参见例子 25 31 然而 这个处理可以等效于准确的理论计算 它往往可以是不必要的数值密集型 28 用于计算输入输出信号的范围大小被发现也影响光学采样率 然而在文献中也 出现了一些关于理想采样率的意见分歧 例如 29 31 通常也不是很清楚当 违反采样规则时数值计算是为何变得不准确的 因为这些因素 很有必要来重 精品文档 2欢迎下载 新审视这个问题 即为衍射积分运算提供一个合适的采样率 尽管我们的分析 是针对于菲涅尔转换 但是这一结果可以概括到在 29 31 中讨论的傍轴积分 中 在此 我们以一种完全不同的方式来处理采样问题 即依靠一种对数值衍 射过程的直观的物理描述 这一描述对分析普遍的衍射问题和准确的确定通过 采样所引进的理想误差都是有帮助的 和文献中的其他手稿不同的是我们在决 定合适的采样率时不考虑菲涅尔内核和啁啾函数在计算中的作用 相反地 我 们依靠输入域的空间和空间频率范围并依靠衍射平面中重现波的位置来定义采 样率 这些重现波的出现是由于采样操作 平面 1 中的复杂信号的离散化 看 图 1 和第 3 部分 这些重现波和他们特性之间的离散化取决于菲涅尔转换是如 何运算的 鉴于我们正在计算的信号的输出范围小于相邻重现波之间的离散这 一事实 我们认为我们的信号是被合适采样的 这篇论文的论据基于以下考虑 1 在空间和空间频率域有一个有效的有限的支持的信号被定义为使用来 自在 27 28 32 35 中描述的空间 带宽产品的概念 这种信号包含定义的 或使用者选择的 最大的空间频率 和一个有限的输入范围 衍射的真 x f 正的物理过程使得这个信号在衍射平面中有一个无限的输出空间范围 我们后 边会定义为 SE 2 从一个有限的采样值而不是从 1 中考虑的连续情形来计算衍射分布从 根本上改变了这一问题的性质 这一理论计算的信号将重新产生一个来自于能 够产生范围为 SE 的输出平面的点 1 的分析结果 然而除此之外 重现波的一个 无限集产生于衍射平面 这些重现波的特性取决于这一运算是如何运行的 3 对于数值计算衍射积分考虑了两种方法 直接计算衍射积分会产生彼 此间隔为的复制平面 在此 是波长 z 是传输距离 是在输入空间 X z X 域的采样间隔 通过运算在输入域中信号的空间频率没有发生相位移动 并且 不是通过尼奎斯特标准采样获得的空间频率也将会传播并会加强在衍射域中的 场 基于光谱的运算在衍射平面中产生了一个彼此间隔的重现波的无限集 v 1 在此是空间频率域的采样间隔 在光谱运算过程中衍射信号的空间频率成分 v 经常被限制在空间频率域 精品文档 3欢迎下载 图 1 衍射过程的图示 一个无线平面波入射进平面 1 中的孔径中 该平面以空间变量 X 表示 考虑 到如何计算 P x z 中的复振幅 仅仅是开放孔径的光对 P x z 中的复振幅有贡献 我们把开放孔径内的 光设想成由无穷多个点光源发光组成的 每一个点光源都带有强度值和相位值 图中只画了一部分点光源 因为这个孔径是被理想平面波照明的 每一个第二级点光源都带有相同的强度值和相位值 尽管当考虑 到距离 l1 和 l4 时 由于光的路径不同每一点光源将积累不同的相位值 4 我们建议的抽样规则遵从以上 1 3 点 SE 比和都小 当这 v 1 X z 一点确定后 这个衍射信号被认为是被很好抽样的 我们再一次标注 以上所 采取的方法不同于文献中所提出来的方法 这是因为我们在思考时没有用到菲 涅尔啁啾函数的特性 在 2 5 节中 我们得出了以上的点 1 4 在第六节中 我们把注意力转移到 计算菲涅尔转换的高效计算算法 对于这一点我们用到了快速傅里叶变换 两 种算法被明确的命名为 直接算法和光谱算法 其中光谱算法是我们在第 4 和 5 节中讨论过的直接和光谱计算的快速实现 基于快速傅里叶变换 我们的 理论结果与文献中的其他分析方法所得的结论做了对比 最后 在第七节中 我们考虑一个重要的案例在这个案例中我们在第 4 和 5 节中提出的抽样规则是 不合适的 也就是说 在衍射区被抽样时我们希望对这个结果做菲涅尔逆变换 这后一种情况对数字全息照相术有重要的寓意 然后我们总结这篇论文的主要 发现 2 一个分析解决方案一个分析解决方案 在随后的介绍中为了表述简单 我们执行一维分析 在图 1 中 我们简绘 了问题的特性 平面 1 中的场我们以大写字母 U x 表示 并假设它是已知的 我们的任务是推导出衍射场的表达式 即平面 2 的表示式 通过 4 中 xuz 的分析 我们现在写出菲涅尔转换的定义式 xXUFSTxu zz 1 X dXx z j XU zj z j exp 2exp 2 在这里是单色相干光 在时间和空间上的 的波长 z 是平面 1 和平面 2 的 轴距离 参见图 1 j 变量 X 和 x 分别代表在平面 1 和平面 2 上的空间1 坐标 为了余下的分析我们将降低开始的相位项 即 2 exp zj 在有些衍射问题中有可能能解出等式 1 的解析解 由于一些原因这些解决办 法非常重要 他们洞察了这个衍射过程 他们也可以作为一种评估数值方法准 确度的方法 这个可以通过将数值计算结果和通过对的分析方法而获得的结果 作比较而获得 一些与菲涅尔转换有关的特性在 27 36 41 中讨论过了 我 们用下面这个等式第一次检验等式 1 的分析方法 U x expcos 2X 2 2 2 i a X x f 精品文档 4欢迎下载 它也可以表述为下式 3 2exp 2 exp exp 2 1 2 2 XfjXfj a X XU xx i 在上式中 和 U x 的空间扩展有关 然而严格的说 U x 扩展到一个无穷 i a 的区域 信号的超过 99 9 的能量存在于以下的范围中 2 33 i a i aX2 U x 也有空间频率成分 将等式 3 带入等式 1 就得到了如下结果 x f 4 2 1 xuxuxu zzz 并且 5 exp exp 2 2 2 xxj a zfx Kxu q z l z z x zz 6 1 2242 za a a i i z 7 exp 1 2242 224 1 2 za zfaj a jz K i xi i z 8 2242 43 2 za af i ix l z 9 3342 22 zza z i q z 我们注意输入的调制高斯函数已经被转换成带有 4的空间扩展的高斯函数 z a 高斯函数的中心位置在 x 存在于 x 因此在菲涅 xUz x zf xUZ x zf 尔转换之后我们会看到 U x 在平面 2 将有一个大小为 SE 的空间扩展 SE 2 2 10 x zf z a 这代表了我们的第一个重要结论 它表示一个带有有效有限支持并知道它的空 间频率成分的信号由于他的两个独立分量 和 所以它将随着它的传播 x f x f z a 程度而增强 由于结果相对简单我们选择了这个分析形势 它使得人可以看到 和特定空间频率有关的能量是如何随着传播而远离光学轴的 然而仍然有部分 处于高斯外壳以内 参见 42 和 43 的 18 6 节 空间频率越高它随着传播 偏离空间轴越远 尽管如此 对于相对简单的衍射问题这也是一个解决办法 它的结论可以被扩展到其他更多的复杂案例中 几乎所有的我们希望去数值估计的衍射问题都在输入平面内有一个有限的扩 精品文档 5欢迎下载 展 和等式 2 很相似 总的来说这些信号在输入平面内都有一些和他们相似的 空间结构 当我们试图去推广等式 10 的结果到更多的普通信号时出现了一个问 题 这是因为等式 10 的结果来自于等式 2 等式 2 有一个明确的空间频率成分 对于一般信号 我们如何去选择一个合适的空间频率值呢 这个问题更详细 x f 的在第五节被检验了 在那儿我们展示了通过研究信号在它的傅里叶区的能量 是如何分布的去为选择一个合适的值 也可以参看 27 34 42 44 我们假 x f 设如果信号的傅里叶转换能量具有多余一个具体数值存在于某个空间频率下 这上一个空间频率值就变为 通过计算输入波在整个输入面的卷积可以计算 x f 出这个信号在空间区的总能量 3 3 数值计算的输入数值计算的输入 在接下来的一节中 我们介绍可以用来计算菲涅尔转换的两种不同的方法 我们以直接计算和光谱计算来提出它们 这些方法不同于接下来将要在第 6 节 中介绍的快速数值计算 因为它们没有利用快速傅里叶转换算法并且输出空间 的坐标轴 x 可以被任意选取 这一节的目的是清楚的描述我们数值计算方法的 输入 这个输入将采用两个坐标矢量的形式 一个空间矢量和一个代表我们输 入信号的复杂值 这些值一旦被选取 我们就可以比较每个计算方法的相关表 现 为了开始我们的数值分析 我们假设我们有一个复杂值矢量 U U 它对应于 函数 U x 在均匀空间采样点上的值 采样点以间隔分开 并用空间矢量定 X 义 21N XUXUXUU 11 21N UUU 在此 12 21N XXXX 并且在此 N 是采样总数 在这篇论文的其他地方 我们用黑体字符来表示一个 矢量 这两个矢量还有已经给出的和 z 我们定义为是数值计算的输入参数 4 4 直接计算直接计算 因为我们现在仅使用抽样中的一个有限值来表示平面 1 中的输入场 因此 等式 1 的衍射积分推导得出一个有限和式 exp 2 1 n N n n S z Xx z j U zj X xu 13 2 exp exp exp 1 22 z xXj z Xj U z xj zj X n N n n n 精品文档 6欢迎下载 在这里 n 是一个整数 注意到是一个关于 x 的连续函数 并且它是通过 xuz S 一个有限的数据点集计算出来的 我们用上标 S 来表示它 因此等式 13 可以等 同于以下描述 乘以一个啁啾函数 经过一个傅里叶的尺度变换 再乘以另一 个啁啾函数 我们现在用一个具体例子来检查一下 xuz S 14 2cos XXpXU L 在这里 15 1 0 xpL Lxwhen otherwise 我们现在来抽样 U x 取 N 100 变化区间是 L在此 L 0 1mm 已LX 知 X 为 0 2 m 其它数据取做 z 1cm 505 7nm 30 在图 2 和 3 mm 条 中 我们分别表示出了在区间 mm 和区间 5 02 X z X SE XX 0 mm 上的计算结果 在图 2 中我们表示震级分布 在图 3 中表示相位分布 图 2 衍射计算的结果 重现波的出现在 x 2 5mm 处是清晰可见的 红色虚线表示的位置 解 2 SE 释衍射区域的范围 以黑线画出的分布已被空间滤波 不含有高于 35的空间频率 注意信号的 mm 条 有限范围和蓝线作比较 报告 以蓝色绘制的中央级重现波所画的范围不会超过区间 22 SE x SE 图 3 衍射运算的相位分布结果 两条线都超出了范围 左图是零级重现波的相位 右图是一级重 v 精品文档 7欢迎下载 现波的 在右图中有一个大小为的恒定偏移量和一个斜率为的线性偏移量 4 X 1 对于这一数值例子计算 SE 是有指导意义的 对于这个计算 我们最初选择 随后我们将会看到 等式 14 在空间频率域包含的能量高于 这 x f mm 条 是由于矩形函数它限制了信号有限的空间扩展 为了计算出的值 我们需要 z a 将和等式 15 确定的矩形函数的有限扩展联系起来 例如我们设定 4 2L i a i a 结果画在了图 2 中 在图 2 中我们看到在 mm 处有一个波形的再5 2 X z x 现 比较一阶重现和中心处的相位 我们可以发现一阶相位分布有一个额外的 线性相位和一个恒定相位 我们注意到由于运算在平面 2 中的波形重现中有一 个无穷量 它可以通过在一个很广的区间 x 上绘制的图形而验证 接下 S xUz 来的关系能够保持并能通过附录 A 中的方法概论推导出来 16 2 exp exp 2 2 X mxj X zmj X zm xuxu m z S z 从这些分析中我们可以发现下面的采样规则证明了它本身 例如 SE 17 X z 为了保证相邻的重现波不发生相互重叠 我们在数值计算衍射分布时引入了误 差 当 DC 被用作计算菲涅尔积分时 所有的空间频率都通过媒介传播并且对平 面 2 中的复杂分布有贡献 甚至是那些通过尼奎斯特采样率获得的空间频率也 这样 从图 2 中发现空间频率成分在空间坐标大于的地方出现是很明显的 2 SE 在这里一个振荡信号在时向外扩展 这个震荡是由于输入信号的空间 2 SE x 频率高于 对于这一不理想的取值 导致了在处没能反映出衍射 x f 2 SE 信号准确的输出扩展 选择一个合适的值应该基于输入信号的能量在傅里叶 x f 区的分布 在下一节中 我们将验证更多的基于信号产生的空间 带宽概念来为 选择一个合适的值 x f 然而 让信号在傅里叶区通过一个空间滤波系统来限制的空间频率 xuz S 扩展并因此控制 SE 是很有可能的 在这里我们移动所有的频率到高于 35 处 连续的的采样率非常高 这些样本是使用了 FFT 操作的傅里 mm 条 S xUz 叶转换 并且这个结果的空间频率分布被乘了一个矩形孔径 这一滤波空间频 率分布后又经过了快速傅里叶逆变换 在图 2 中 经过这样一个滤波系统的 精品文档 8欢迎下载 结果可以通过检测黑点来获得 这一分布有一个非常清晰有限的空间扩展并且 它与等式 10 以 计算出的 SE 非常一致 这一分布 以黑线画30 x f mm 条 出 有一个遵从于第 2 节中说过的结论的空间扩展 然而这一分布当与正确的 分析方法做比较时并不是那么准确 滤波系统非常明显的移动了位于mm5 2 x 处的重现波的结构细节的一部分 尽管如此 如果图 2 所表示出的空间滤波结果 这一分布以黑线表示 被 认为是满足于我们的要求的 那么我们要注意到可以通过减少抽样数量来得出 一个几乎相同的结论 对于一个给定的输入 减少抽样数量就降低了重现波之 间的间隔 空间频率滤波系统控制 SE 在第 5 节中 我们发现对于的一个合 x f 理的取值是 60 它在确保重现波之间有少许交叉时来保持高度准确度 mm 条 提供了一个合理的平衡点 我们建议当输入信号的空间和空间频率扩展已经知道时 等式 17 的关系式 可以作为一个抽样规则来使用 对于等式 14 所讨论的具体案例 我们发现对于 z 和的一系列不同取值 信号至少有 98 的能量存在于上 22 SE x SE 当 时 参见等式 18 尽管 SE 的标准在等式 14 中已经被具体验60 x f mm 条 证了 我们发现对于一系列不同的信号类型它仍然满足 包括有限空间频率扩 展的随机信号 与第一抽样规则有关的重要一点是当 z 变小时 重现波彼此之间距离减小 这一效应可以通过增加 N 仍保持 2L 的输入扩展 来补偿 因此降低了 X 然而当过了某一确定点后 这一计算变得极其的数值密集 因此对于实际计算 很难 在这一节的最后我们用下式来计算输入信号的总能量 i P 18 Xi dXUP 2 对于在这里出现的数值案例平面 1 的任意单元都达到了 0 0001 i P 5 5 光谱运算光谱运算 为了执行菲涅尔转换这个方法使用了傅里叶转换 对于一些复杂信号 在这里定义正向和逆向傅里叶变换是很合适的 xf 19 x dxvjxfvxfFTvf 2exp 20 v dxvjxfvvfIFTxf 2exp 在这里 空间频率坐标 函数和是傅里叶转换对儿 v xf vf 从 4 中等式 1 也可以写成以下形式 精品文档 9欢迎下载 21 exp 2 xvXUFTzvjIFTxuz 等式 21 和 1 是数学上的等价命题 在下面的小节中我们研究当使用有限的抽样 数值来对等式 21 进行数值计算时出现的不同的步骤 为此介绍离散形式的傅里 叶变换是有帮助的 在这里再一次声明大写的 S 表示这一连续函数来自于由复 杂数据组成的有限集 在我们的案例中是来自于矢量 U U 在第三节中明确定义 22 N n nn S vXjUXvU 1 2exp 在这里是一个整数 n 我们注意到等式 22 描述的分布也包含了一个无穷数量的重现波 他们在傅 里叶区是彼此分离的 彼此间隔为 为了把它们和在第 4 节讨论的重 X B 1 现波区别开来我们这些重现波为傅里叶重现波 A A 傅里叶逆变换操作傅里叶逆变换操作 用等式 22 来替换等式 21 中的函数 我们得到下式 vXUFT 23 v SS z dxvjvUzvjxu 2exp exp 2 在等式 23 中我们已经明确包含了傅里叶逆变换积分来强调积分是发生在整个傅 里叶平面 因此这个积分就包含了来自这个平面的所有傅里叶重现波的贡献 这一沿着整个傅里叶平面的分布乘以一个有无限扩展和有效焦距为的透 2z 镜或啁啾函数 更多细节参见 40 然而实际上 在等式 23 中的傅里叶逆变换的积分被限制在一个傅里叶区 的有限范围内和有限的抽样数值上 通常当计算基于 SM 运算的快速傅里叶变换 时在计算积分时所采用的有限扩展是 它包含了 N 个采样值 正是这种限制B 的程度和傅立叶二次采样过程发生在这里 使基于快速傅里叶变换的 DM 和 SM 计算对于输出幅度具有根本不同的性质 我们建议读者参见下面的介绍 在这 里对傅里叶重现波对于菲涅尔转换的输出的影响做了详细的研究 45 B B 选择傅里叶范围 功率因素选择傅里叶范围 功率因素 因为实际是一个连续函数 我们可以随意选择一个抽样间距和傅 vU S v 里叶域范围 根据 Parseval 定理 傅里叶转换节省功率并且我们应该希望在整 个傅里叶域的总功率等于 采样操作的特征是功率包含在每个重现波窗口 i P 例如在变化区间上 我们现在观察到这个说法是另一个说法 22 B v B 这个误差是通过采样操作引进的 精品文档 10欢迎下载 信号在一个域中有一个有限范围 参见 36 因为 U X 是有边界的 因 此它的傅里叶转换对必须分布到整个傅里叶域 这意味着当一个有限程度 vU 的信号被采样时 相邻重现波 在傅里叶域 的功率相互渗透是不可避免的 以这样的方式传播每一个重现波的总功率是 这个功率泄露实际上是混叠效 i P 应 并且它可以通过增加 对于一个恒定的输入范围可以增加抽样数量 N B 来任意缩小 以这种形式定义空间范围和空间频率范围就产生了一个空间 带宽 生产理念 这个概念已经被其他作者经过了一些细节的讨论 参见 27 28 34 35 44 在傅里叶域的一个区可以这样定义 在此 R P P i v 24 v FR FR v dvUP 2 2 2 并且在这儿 R 是某个比值 或许是 0 9 当等式 24 中的 FR 增长和 R 接近 1 时 和的分布在区间上变得越来越相似 这就表示由交 S vU vU 22 B v B 叉引起的误差的降低 从这些考察中 我们可以定义在傅里叶域的一个区它包 含信号的功率 90100 R 我们可以通过回归到第 4 节讨论的数值案例来更详细的研究这个问题 从 这些模拟值中我们发现在傅里叶域中的相邻重现波之间的距离是 当我们用等式 24 来研究信号的功率在傅里叶域是500000 1 X B m 条 如何分布时 我们发现信号的功率存在于区间 96100 R 内 这就表示我们仅利用位于区间内的6000060000 v6000060000 v 信号就可以获得合理的计算准确度 执行这个运算并将他的结果与在图 2 和 3 中描绘的 DC 的结果作比较是具有指导意义的 降低影响的空间频率分布可以用 来降低计算量 正如我们将在 6 3 节中看到的 可以通过去除高空间频率来降 低混叠效应和相邻重现波的交叉并因此降低 SE C C 光谱计算 抽样规则光谱计算 抽样规则 在前几小节中 我们考虑了在傅里叶域如何基于功率因素来定义范围 我 们现在定义一个在傅里叶平面描述我们信号的复杂值的矢量 保持 N 100 我 们可以定义一个空间频率步长和空间频率矢量 N FR v 25 2 2 2 VV FRFRFR v 并且我们用这个矢量来抽样连续场 精品文档 11欢迎下载 26 2 1 2 1 S N SS N SSSS UUUvUvUvUU 将这些矢量带入等式 23 中 并用有限求和来替换这些积分我们可以得到以下结 果 27 2exp exp 2 1 nn S n N n v SSC z xvjzvjUxu 在这里我们再一次声明是一个连续函数 它是经过一个有限的数字点集 SSC xu 计算出来的 这个函数是我们光谱运算的数值计算的结果 并且我们用上标 S U 来标记 和相似 一个无穷多个重现波的点集也在平面 2 上产生 然 sc s s xu 而 这里有两个不同点 1 在等式 27 中重现波的间隔是 2 高阶重 v 1 现波没有任何和他们有关的线性或常数相位 参见等式 16 比较等式 13 和 27 括号里的形式 我们可以观察到他们是一些相似的数学 操作 1 都采用采样的有限矢量 2 都乘以一个啁啾函数 3 对结果 都做了菲涅尔转换操作 这一特别研究使得我们可以对 SC 方法总结一个和采用 直接计算方法所总结的一个相似的采样规则 这一规则可总结为以下公式 28 V SE 1 在这里 SE 通过公式 10 已经给出 这一结论表明在由 SC 和 DC 方法计算所产生的重复波之间有根本的不同 最重要的是他们的间距不同 DC 和 SC 的间距分别为和 X z v 1 6 6 快速傅里叶变换算法快速傅里叶变换算法 在这一节中 我们描述在先前几节中讨论过的 DC 和 SC 方法在利用基于快 速傅里叶算法时是如何运行的 执行 DC 和 SC 运算意味着我们可以保持控制真 个的输出空间变量并能够对给出的任意值计算连续函数的值 对于灵活性xx 的不利方面是运算所需的时间长度 因此我们希望以某种方式来使用 FFT 算法 我们提前声明我们的重点是勾勒出一个对这个问题的特殊的解决办法 我们希 望为达到相同的目标而执行更加数字高效的计算方法是可能的 精品文档 12欢迎下载 A A 零补充 在输出窗口增加抽样数量零补充 在输出窗口增加抽样数量 快速傅里叶变换采用带有 N 个复杂值的矢量 返回一个 N 值矢量 在这篇 论文的第 3 节 我们讨论了对于手边的数值计算问题给定输入 定义空间矢量 X X 和与之联系的复杂值 U U 的集 每个抽样彼此之间的物理距离已经给出是 X 因此空间频率范围 即理想的重现波在空间频率域的间隔 已经给出是 我们再次声明在空间频率域 每次抽样之间的空间间隔是 X B 1 现在我们对矢量 U U 进行零补充 因此有了一个新的矢量 N B v 29 0 0 0 0 0 0 UUZP 在这里下标 ZP 代表零补充 矢量现在有 M 个抽样值 在这里 零补充操作不改变的值 ZP UNM X 因此空间频率范围仍是一个常量 我们再次声明快速傅里叶算法从 M 抽样值B 映射到 M 抽样值 带有的影响是我们在空间频率域相同的范围上增加了采样B 数量 在空间频率域现在的采样值之间的距离变为 并且 ZP v vvZP B B 插零 增大输出窗口的范围插零 增大输出窗口的范围 在这里我们规定一个不同的计算 在这个计算中我们可以通过在我们的输入 复杂坐标中插零来增大快速傅里叶算法的输出范围 这个方法已经在 9 46 中被讨论过了 对于该方法的更多细节我们建议读者参阅附录 B 中的 9 我 只想说定义一个以下矢量是可能的 30 0 0 0 0 0 0 0 0 321 UUUUiz 精品文档 13欢迎下载 在这里下标 iz 代表插零 复杂值是矢量 U U 的个别元素 随着我们在 21 UU 和 U U 中插零 我们增大了快速傅里叶变换的输出范围 然而在任何形式上都没有 改变傅里叶分布 然而正如我们将要在下面的数值例子中看到的 在更大的空 间频率范围上研究分布和研究输出重现波的特性是有可能的 C C 另外一个数值例子另外一个数值例子 在这一节中 我们计算二级数值计算的结果 我们重复被 Voelz 和 Roggemann 在文献 30 中的 2 D 节提出的计算过程 并建议读者参阅他们出 版物中的图 3 a 3 h 这些作者验证了当一平面波入射到一一维狭缝时 所发生的衍射模式形成过程 在论文 30 的这一节中 两种不同的方法做了 比较 作者们对这两种方法的术语是冲动响应法 IR 和传递函数 TF 法 TF 方法和这里讨论的 SM 方法是一样的 然而他们的 IR 方法概念上不同于我们的 DM 方法 因为 IR 的输出和 SM 有一个相同的输出范围 我们现在考虑 30 中的图 3 h 在这个图中 SM 被显示用来产生不正 确的结果以重现图 4 a 的细节 在这个分布中有及其高频的尖峰出现 图 4 a 的细节比 30 中的图 2 h 有更大的输出窗口 为了在我们的计算 中增大输出窗口的大小 我们已经在傅里叶平面分布中进行了插零 我们现在 可以看到相邻的重现波 模拟值表示出 因此对于 SM 方法的一维重5 0 1 v 现波应该位于这个空间位置 正如可以从图 4 a 中观察到的这确实是这个案 例 现在使用在 6 1 节讨论过的零补充法 对傅里叶分布进行零补充 在 S iz U 保持零插入的出现 现在在相邻抽样之间有精细步长的条件下 我们可以认 识到事实上更高的频率成分在信号中也是会出现的 正如可以通过比较图 4 a 和图 4 b 可以发现的一样 我们希望去按着这篇论文的第 4 和第 5 节中介绍的抽样规则去解释这一数 值结果 在这篇论文中我们第一次声明 DM 为 SM 运算产生正确的结果并展示于 图 4 a 和图 4 b 如果我们在等式 10 中设定为 也就是尼奎斯 x f X 2 1 特采样频率 我们从等式 10 中发现 SE 5 2 因此信号的物理范围主要存在于 输出采样窗口 这和 SM 方法的运算结果相反 在这里 因5 X z SE v 1 此相邻的重现波将会重叠引起错误的人造误差正如我们可以在图 4 a 和图 4 b 中观察到的一样 我们现在希望研究我们是如何控制 SM 计算的因此正确的衍射分布可以计算 出来 我们可以先考虑如何降低值并因此增加 SM 重现波的间隔 这可以通v 过零补充输入复杂矢量 U U 以得到 我们已向读者指出零补充操作发生在空间 zp U 域 在图 4 c 中 我们已将值减半并使得相邻重现波变化使它们在窗口v 精品文档 14欢迎下载 中不可见 在重现波中仍有部分重叠 因此在分布中仍有残余变形 通过进一 步降低的大小 重现波之间的距离可以拉大 这些变形可以变得任意小 v 或者 我们可以通过消除高空间频率部分来改变每一个重现波的物理分布 这就是我们在图 4 d 中展示的 在图中我们使得傅里叶分布被一个矩形孔滤 波因此取得最大值 我们把值返回到图 4 a 和图 4 b 的选择值 x f T8 1 v 中 重现波再次出现并位于 然而 我们声明通过移动高空间频率 相5 0 x 邻重现波之间的交叉或者混叠已经明显降低正如我们从等式 10 中所希望得到的 7 7 结论结论 在这篇论文中 我们已经讨论了如何通过使用有限的抽样值来计算菲涅尔 变换的 这个话题已经被几个其他作者 25 31 验证了 在这篇论文中抽样规 则衍生于二次相位因子和啁啾函数在衍射积分的菲涅尔内核的作用 在这里 对于这个问题我们采用了一个不同的方法 我们所做的第一个观察就是在输入平面的有限范围的解析信号 它还包含 具体的空间频率 这一空间频率随着信号的传播还会在一定程度上增长 在第 2 节中我们研究了具体的函数即等式 2 当把等式插入到菲涅尔衍射积分时可以 积分获得一个已知的解析解 根据这个解析解我们推导出了衍射信号的空间范 围 它的有限的空间范围 与在输入平面的空间频率成分之间的关系 然后我 们尝试将这些特性扩展到其他信号中 在第 3 节中我们规定了数值计算的性质 在第 4 节中 我们发现用有限数量的抽样值来计算菲涅尔变换可以在输出 平面产生一个重现波的无穷集