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GuizhouMinzuUniversity《信息光学》课题论文论文题目：空间滤波实验学院(系)：信息工程学院专业：光信息科学与技术年级：2012级姓名：学号：完成时间：2015年06月24日学校代码10672编号空间滤波实验第1页目录摘要..............................................................................................................................................21前言...............................................................................................................................................21.1什么是空间滤波................................................................................................................21.2空间滤波技术的发展现状................................................................................................31.3研究光学空间滤波的意义................................................................................................42实验原理.......................................................................................................................................52.1阿贝成像原理....................................................................................................................52.2空间滤波原理....................................................................................................................63实验步骤.......................................................................................................................................73.1光路布置............................................................................................................................73.2实验内容............................................................................................................................83.2.1实验仪器..................................................................................................................83.2.2实验操作..................................................................................................................83.3实验中的相关问题及处理办法.......................................................................................113.4实验现象...........................................................................................................................124实验总结.....................................................................................................................................13参考文献........................................................................................................................................14空间滤波实验第2页空间滤波实验论文摘要：空间滤波是一种对影像采用滤波处理增强的方法，其理论基础是空间卷积，目的是改善影像质量，包括去除高频噪声与干扰，影像的边缘增强，线性增强，以及去模糊等。也分为低通滤波，高通滤波，和带通滤波。处理方法主要有光学处理和计算机信息处理两种。光学处理是基于傅里叶光学理论，通过空间滤波技术，改变激光信息的空间结，从而实现对激光的调制与处理，著名的构阿贝-波特实验提供了有效的处理方法，它利用空间频谱的语言分析物光场景的结构信息，通过改变物频谱的手段来得到我们所需要的像。本文就是利用实验室有限的器材来完成激光的空间滤波处理，根据实验设计，讨论，实验过程以及结果分析来完成的。空间滤波的应用范围很广，因此通过课程实验来研究空间滤波的原理，具有比较重要的探索和实践意义。关键词：空间滤波实验傅里叶光学理论阿贝成像原理前言1.1什么是空间滤波1873年德国著名的科学家阿贝提出了阿贝成像原理，即二次成像原，这个原理也为当今信息光学的发展奠定了基础，物体的成像，包含了两次衍射过程，当相干光垂直照射物体时，其衍射波能够在透镜的后焦面上形成夫良禾费衍射图像，得到第一次衍射的像，如图1.1所示。2次衍射的过程，也就是2次傅立叶变换的过程，物体的衍射光波被分解为各种频率，即向不同方向传播的平面波分量，在后焦面上得到的频谱是第一次的傅立叶变换过程，而由后焦面各种频谱的分量在相面上再次聚合成像，这是第二次傅立叶变换过程。如果这两次傅立叶变换是完全理想，即没有任何的信息损失，则像和物应完全相同，如果在频谱面上设置各种滤波器，挡住空间中的某一部分频谱，那么像就会发生变化，空间滤波就是在光学系统的频谱面上设置各种空间滤波器，去掉或选择性通过某些频谱，或者改变他们的振幅或者相位，使得物体成像按照我们空间滤波实验第3页的需要得到改善，这也是相干光学处理的实质所在。1.2空间滤波技术的发展现状激光技术在60年代被研究出来以后，光学作为一种信息处理的手段得到了快速的发展和应用，其特点是具有高速的二维并行处理能力，光信息处理采用的技术主要有傅立叶变换，空间滤波，激光全息技术等。八九十年代，各国在空间滤波器的研究上都取得了各种成就，我国在1968年，提出了振幅补偿匹配滤波器，美国的卡耐基大学提出了三阶仅位相振幅滤波器，NASAAmes研究中心提出了最优化相关滤波器，佐治亚学院提出了位相限幅滤波器等。另一方面，在用匹配滤波的方法进行光学模式识别的研究中，对于物体的尺寸和旋转不变以及一个物体的不同面也进行了大量的研究。加州大学圣地哥分校的Leger和Lee在1989年提出位相编码模式的归类函数米实现畸变物体的识别。阿拉巴马大学也提出了Generalizedmatchedfilter。卡耐基梅隆大学也在这方面的研究取得了迸展，它们提出了综合鉴别函数滤波器和最小值的综合鉴别函数滤波器。Horner和Gianino把综合鉴别函数的技术应用在仅位相滤波器中。1982年J.Horner在研究空间滤波器的光能效中，提出了仅位相滤波器。在此之前Oppenheim和Lima认为在复空间滤波中，振幅和位相所引起的作用不同，振幅所起的作用较小，而位相起着主要的作用。Horner通过实验证实了仅位相滤波器具有更锐的相关峰及更好的鉴别率。鉴于仅位相滤波器只反映了位相的信息，没能包括振幅的信息，我们提出了振幅补偿滤波器，与仅位相滤波器相比，它具有更锐的峰，更高的鉴别率，这是因为它考虑了振幅的影响，进一步平空间滤波实验第4页滑了频谱。1989年Awwal等又提出了振幅调制滤波器，把振幅补偿滤波器的分立的补偿变为连续的补偿。1.3研究光学空间滤波的意义空间滤波实验作为光学实验中重要的实验之一，有助于光学信息处理概念的理解，但是在现实实验中，由于受到试验设备和环境的限制，空间滤波的实际效果不是很明显。如果借助计算机的图像、数据处理功能，可以很好地掩饰空间滤波实验中各因素对成像的影响，动态地展现复杂的物理图像，是抽象的概念形象化，枯燥的内容趣味化，对提高实验教学水平和加强多具有积极的意义。阿贝成像原理和空间滤波预示了在频谱平面上设置滤波器可以改变图像的结构，这是无法用几何光学来解释的。前述相衬显微镜即是空间滤波的一个成功例子。除了低通滤波、方向滤波及θ调制等较简单的滤波特例外，还可以进行特征识别、图像合成、模糊图像复原等较复杂的光学信息处理．因此透镜的傅里叶变换功能的涵义比其成像功能更深刻、更广泛。自从1964年，vanderluqt利用全息的方法实现了复空间滤波以后，光学滤波器的研究在世界范围内被广泛的发展和应用起来，由于光学滤波器的二维并行处理能力，它被广泛的应用于民用的卫星导航（比如我国的北斗卫星系统），工业自动化中的产品检测阶段，医疗上的探测器等。以及军事间谍卫星，侦查无人机上，用于提高对探测目标的识别精度。空间滤波实验第5页二实验原理2.1阿贝成像原理图2.1阿贝成像原理以图2.l为例，平面物体的图像可由一个二维函数g(x,y)描述，则其空间频谱G(fx，fy)即为g(x，y)的傅里叶变换：2(,)(,)(,)xyifxfyxyGffgxyedxdy（2.1.1）设,xy为透镜后焦面上任一点的位置坐标，则式中为:xxfF，yyfF（2.1.2）方向的空间频率，量纲为L-1,F为透镜焦距，为入射平行光波波长。再进行一次傅里叶变换，将(,)Gfxfy从频谱分布又还原到空间分布(,)gxy。为了简便直观地说明，假设物是一个一维光栅，光栅常数为d，其空间频率为f0(f0=1/d)。平行光照在光栅上，透射光经衍射分解为沿不同方向传播的很多束平行光，经过物镜分别聚焦在后焦面上形成点阵。我们知道这一点阵就是光栅的夫琅和费衍射图，光轴上一点是0级衍射，其他依次为±1，±2，…级衍射。从傅里叶光学来看，这些光点正好相应于光栅的各傅里叶分量。0级为“直流”分量，这分量在像平面上产生一个均匀的照度。±l级称为基频分量，这两分量产生一个相当于空间频率为f0余弦光栅的像。±2级称为倍频分量，在像平面上产生一个空间频率为2f0的余弦光栅像，其他依次类推。更高级的傅里叶分量空间滤波实验第6页将在像平面上产生更精细的余弦光栅条纹。因此物镜后焦面的振幅分布就反映了光栅(物)的空间频谱，这一后焦面也称为频谱面。在成像的第二步骤中，这些代表不同空间频率的光束在像平面上又重新叠加而形成了像。只要物的所有