23-光学信息处理2-相干光学信息处理、应用.

1、 8-3相干光学信息处理1、相干光学信息处理系统相干光学信息处理：采用的方法多为频域调制，即对输入光信号 的频谱进行复空间滤波，得到所需要的输出。输入面1FTL2输出面相干点光源准直透镜、物面）一频申面（像面）基本运算 8-3相干光学信息处理2、多重像的产生利用正交光栅调制输入图像的频谱， 有望得到多重像的価 设输入图像为J ）置于P|平面；几平面放置一正交朗奇（Ronchi）光栅，其振幅透过率为尸（人，几）二nul )/2 18工rectrA-nd、1J光栅常数* comb厶2,d!2j1 reel基本系统* conib 8-3相干光学信息处理几平面后的光场将是图像频谱和光栅透过率的乘积:”

2、2=笳 X（兀*） F（人 Q 8 3相干光学信息处理2、多重像的产生产尸笳尸伉,)匕平面得到的输岀光场为两者逆变换 略去无关紧要的常系数，最终可得到11sine0sine二 YH, = g(x.y” E刀_ I -力p23、(1)用一维光栅调制co ZAAAAAAAAA形成了5函数二维 阵列，物函数与之 卷积的结果是在乙 平面上构成输入图 形的多重像 8 3相干光学信息处理图像的相加和相减实验及结果:3、单光栅滤波器用于图像相加和相减：分析实际上是二个平面波干沸的涉条纹;或者倾斜平面波的全息图g 条纹初位相（心=o处的位相），取决于光栅平面上坐标原点的选取10=0：余弦条纹 5x它们作为滤波

3、器函数，其衍射级的相对位相有区别3、单光栅滤波器一用于图像相加和相减：分析它们作为滤波器函数，其衍射级的区别（土丄级的相对位相）:F = + cos(2牙f x2)= + exp (j2/r f x2)+ exp(一j2兀f x2) 2 2 244（）级K/WWV0 x0=0：0 = 71/2：滤波器函数:振幅型 余弦光栅=K/2：正弦条纹F = -.inf x2) = + exp(J2jr fX2) exp ( jin f x2)222440级反位相改变光栅的位相可由移动光栅（1/4个条纹）来实现。3、单光栅滤波器一用于图像相加和相减：分析3、单光栅滤波器一用于图像相加和相减：分析输入频谱:

4、光学系统:为厂的光栅滤波器频谱面：放置空频物平面:放置待处理的两个物体4与沿心方向相对原点对称放置，与原点距离均为/. 条件：心W/为透镜焦距 -物分布为：tA(xuyx)和S( (*i，儿)：两物4各自放在坐标原点时的复振幅透过率物分布为:/ ）_/ ）“（W）7 （匚=/人刁已=TA（/宀人）exp（- j2 兀 fD）+ 几（人,/,）exp（J27r fx2）TAfxJ Tfg):两物A,各自放在坐标原点时的频谱.3、单光栅滤波器一用于图像相加和相减：分析3、单光栅滤波器一用于图像相加和相减：分析 经傅里叶逆变换，在巴平面得到的输出光场分布为:|Mjx处于巴平面原点附近 分列两边,距原

5、点为厶位相相同 分列两边,距原点21,位相不同 根据 e值的不同，在原点附近可得到不同的结果：=0（或7：的整数倍）得到：一（尤33）+加兀3*3）卜乙（/）exp (-丿2门2) )十TB(/X,fy)exp (y2r /x2)取谱：7 exp(一 丿2元门2)+ 7赫exp (j2/ .r2):丿 _+ TAexP (”)+丁匚exp (y4/A2)exp(J0 ) 44+ 丄乙exp (- /4/xJexp(一 ”)+ 丄7；exp (- “) 4 4亍7 exp (丿2刀 /.j )十TNexp (j2n f x.十TK exp - J(4/X2+ 0) )十Tcxpj(4jrfx2十

6、 /)继续整理，得:厂F 土 匚exp ( )+ 7；exp (- ” )I重点关注K( ( V)=土exp (”AXyKvjexpJ /20) )魁+ -孔(”-2人才)exp (- ”)+W+2/才)exp() 4门匚人)尸(/八人)=卜(刀 /j| * + * exp (丿2頁/x Jcxp ()+：exp (-；2/xa)cxp (- ”)1=铲兀/2,得到：皿3*3）- 5（兀3必）思考：在实验中，“原点”是什么？ 8 3相干光学信息处理3、图像的相加和相减 物理解释余弦型光栅有三个衍射级：o级和土1级. 故对每个物可成三个像.对于中心在x =/的图像/U零级、正 一级和负一级分别位

7、于：原点x=2Z对于中心在的图他零级、正 一级负一级分别位L_ 疋=2?原点 只要几b的间隔/与光栅空频匹配A的+1级像与的_1级像在像面原点重叠。 奂用的光学系统是相加还是相减取决于此二 个像的位相关系。位相关系取决于光栅滤波函数的位相竝可通过微调光栅位置实现。 8-3相干光学信息处理3、图像的相加和相减:用复合光栅调制复合光栅:指两套取向一致、但空间频率有微小差异的一维正弦 光栅，用全息方法可在同一张底片上迭合二套光栅制成复合光栅。复合光栅的制作第一次曝光：两束光对称入射，得到光栅的频率为女)(1)用一维光栅调制当扩束镜与干板的距离足够远时， 干板上接收到的可近似看成平行光 8 3相干光学

8、信息处理第二次曝光：转台转过微小角度得到光栅频率为 f 冃典 Z 28-3相干光学信息处理复合光栅的制作曝光后经处理便得到复合光栅。 复合光栅的振幅透过银正比 于两次曝光强度之和，即：G(xf9yf) =2+exp(/2族吟)+ixp( J2/oX/)/4 +2+exp(/2rrf)+exp(-/2xz)/4=l+cos(20 xz)/2+ cos2宓o_M) )xy/2，条纹密度取决于曲产 fefg的 大小，必越大，莫尔条纹越密。在频谱面上用复合光栅取代上例 中的一维光栅，亦可在适当条件下得 到图像的相加或相减输出.莫尔条纹( (Moir。Fringes)将图像A、B对称置于输入面上坐标原点

9、两侧，间距为Ax,并使它满足关系式：2 =、人戏=故输入函数表示为：r = _(x+/2) + r(x fi/2)在频谱面后得到复合光栅透过率馬图像频谱的乘积：“2= T FT :将M、看成同一幅图像时的频谱两套光的空间频率分别为人利 7,复合的结果，会在其表面产生明显的F(人也)=1 +cos 2/r(b一/ cos( 2兀叭yfxF J 入 f，b= AJ典,6 = 8 3相干光学信息处理相干光学信息处理图像的相加和相减H平面上的光扰动应为 严莎i7J*騎|G因为G是两套光栅复合而成，因而它的傅里叶逆变换应包括六项， 即每套光栅都各有一个零级，一个正一级和一个负一级衍射斑 像面将出现六重图

10、像，其位置由两套光栅的空间频率、透镜焦距T和波长决定。I空频较低的光栅产生的三重像 8-3相干光学信息处理3、图像的相加和相减当复合光栅相对坐标原点的 位移量恰等于半个莫尔条纹时(原点处在暗纹中心)，两个正 一级像的位相差等于兀，该处得到 图像力、的相减结果注意待处理图像的尺寸 不得大于Ar,否则会出现图 像的重聲而干扰相减结果当复合光栅亮纹中心恢复到坐标原点位置时，两个像 的位相差为0,得到图像勺、的相加的结果思考:用一维光栅滤波器和复合光栅滤波器作图像相减各有什么优缺点？8-33、根据傅里叶变换原理,空频较高的光栅产_生的三重像I(b)图像相诚的实验结果原图像(ai込算的示恵图原图像 8-

11、3相干光学信息处理5、光学图像识别Optical Pattern Recognition-、匹配滤波与图像识别1.匹配滤波器的概念:在噪声中检测信号的最佳滤波器仍考虑#系统，输入光场包含待检测信号（比凶）和噪声/心0必）， 彼此是可加的。：输入光场:h(-Voo) = 9(X() )Ju) + W( (xotyo)输入频谱：TEHW + NtfMS:信号谱,M噪音谱 如果滤波器函数正比于信号频谱的复共轨：= 则滤波后的频谱为：T.（fxJy）S（fxXfy） =SS* +NS*经F T）后，巴平面上的输出复振幅分布为:W3（,y）= /0心仗*）（&）2）$ （0,门 屮n（xy召煮自

12、嬴峰互籲乐散）（4）应用3、图像的相加和相减像的相加和相减应用对卫星拍摄的照片 的图像相减处理对侦察卫星发回的 照片进行相减操作监测海洋面积的改变监测陆地板块移动的速度晡测地壳运动嬴提高监测敌方军事部署 变化的敏感度和准确度hA 8 3相干光学信息处理平面斗丹0：在记录平面得到3（丸凶）的频谱燈为物光二7/）离轴参考光与光轴夹角为R =b = fsinO全息图的振幅透过F（J；J；） = （T+R）（T+R）*戶、考点源卑 ”皿,.）|2 +以位置参数；+（/r）exp（-j2v* ）+ R$（fxJy）exp（j2/F）率函数与曝光强度 成正比，可表达为:需要的匹配滤波 器的振幅透过率= X

13、f/ Af由于参考光离轴，各项在空 间可以分 开.5、光学图像识别根据输出中是否出现自相关峰而判断信息中是否包含待测信号。:.P(fxxfy) =称为匹配滤波器( (Matched Filter)它的脉冲响应为：F TF（M）=护（h,夕）2.匹配滤波器的制作一Vander Lu吐滤波器 全息方法:傅里叶变换全息图的光路：n光学理解；滤波器函数沪皿）是信号频谱smj的复共钝，即 与信号谱有相同的振幅分布，但位相分布正好相反。不论信 号谱的位相分布如何复杂，在通过滤波器后位相抵消，成为 位相均匀的平面波，继续经过F T“后形成亮点（自相关峰）。5、光学图像识别冲响应，实际上可 以用待识别的目标

14、函数$（“!）5、光学图像识别采用匹配滤波器的卷积和相关运算采用倾斜平面波作参考光，记录目标物$的傅里叶变换 的全息图,作为滤波器。F(fx9fy)=S(fx)卩 +RJ+ 心s (Jy)exp( jlxb ) + RQ ( fx9fy)cxp(j2nfxb )=（尺+|S|为（人，厶.）+心卩（人，人）S（人，厶）exp（-J27Tbfx）5、光学图像识别釆用匹配滤波器的卷积和相关运算_输出平面的复振幅分布为：输入的几何像+皐轮状光 输入与目标函数的 卷积，出现在巴平面工,=方附近输入与目标函数的 互相关，出现在匕平 面*= 的附近注意相关与卷积是不同的，只有在S为实偶函数时， 相关才等输入

15、平面:频谱平面:心oJo）将此滤波器放置在4/系统的频谱平面, 设爭系统的焦唧与记录时用的/相同。输出平面的复振幅分布为:+ (人,/Js 痔(人,/Jexp (_/2 池匚)（注意|S|2不是常数）心”)十(5(xy9)t(x y*)+ 心心）*“）于卷积I与S越接近，越接近自相关，相关项会岀现峰值5、光学图像识别 釆用匹配滤波器的卷积和相关运算光学相关运算对于输入而言具有平移不变性质 p尺加（兀）=/（X）（X）=屛广（占）力*（_兀+庄）纟.八卞 一 ）（弋）=R少（* -v（）因此，在匹配滤波系统中，输入物体的平移仅仅改变 相关输出的位置，而不影响匹配滤波操作.光学相关具有位移不变性5、光学图像识别釆用匹配滤波器的卷积和相关运算光学相关具有位移不变性中若含有与&相同的部分，则在相应位置处出现自相关峰值，从而识别出目标物。采用体全息图像库的光学相关系统原理参考光记录和相关时的输入图像B (x, y) + f(x, y)在晶体的同一位置记录了17 X 60 = 1020幅全息图像。图像记录和相关时图像的位置和大小保持不变背景相关输出集内图像的相关输出集外图像的相关输出指纹识别信息锁对“钥匙”的识别 大量文字资料中特殊信息的提取（内容寻址）里