[發明專利]基于沙克哈特曼波前傳感器的多光渦渦旋光束拓撲值探測方法

有效

• 申請號: 202110993027.5
• 申請日: 2021-08-25
• 公開（公告）號: CN113686452B
• 公開（公告）日: 2022-06-14
• 發明（設計）人: 劉華鋒;王岱崟
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01J9/00
• 分類號: G01J9/00;G06F30/27;G06N3/08
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 王琛

1.一種基于深度學習和沙克哈特曼波前傳感器的多光渦渦旋光束拓撲值探測方法，包括如下步驟：

(1)利用沙克哈特曼波前傳感器采集多光渦渦旋光束圖像，并獲得其平均相位斜率分布圖；

(2)根據所述多光渦渦旋光束圖像計算得到其對應的強度和分布圖I_sum；

(3)訓練一個基于U-Net結構的網絡模型，用于對強度和分布圖I_sum進行強度脊內和強度脊外兩種區域的分割；其中對網絡模型進行訓練過程中所需的訓練數據通過以下方式來獲得；

3.1準備單光渦圖像的輸入輸出對，其包含輸入圖像和輸出圖像，輸入圖像即為單光渦遠場分布的強度和分布圖，輸出圖像為二值化圖像，其中強度脊內點的強度值為1，強度脊外點的強度值為0，強度脊由分水嶺變換先驗的平均最亮強度環法來確定；

3.2對單光渦圖像的輸入輸出對在統一區域內進行裁剪，且裁剪邊界為強度和分布圖中亮區的外接矩形；

3.3生成像素值均為0的空白多光渦圖像對，并將其等面積地分成2×2的4個區域，然后為每一區域生成一個取值范圍為[0,1]的隨機數，并以其是否大于0.5作為是否要在這一區域中插入裁剪后的圖像對的判斷標志；

3.4對于任一待插入區域，隨機地從所有裁剪后的圖像對中抽選出一對，并將其插入到空白多光渦圖像對中，得到用于模型訓練的輸入圖像以及真值標簽圖像；其中裁剪后圖像對的插入位置由以下公式確定；

其中：(x,y)表示裁剪后圖像對的插入位置坐標，(x_c,y_c)表示待插入區域的中心點坐標，H和W分別為待插入區域的高度和寬度，h和w分別為裁剪后圖像對的高度和寬度，floor()為向下取整算子，rand()表示括號區間內的隨機數生成算子；

對網絡模型進行訓練過程中所采用的損失函數表達式如下：

其中：DiceLoss表示骰子損失函數，Y'和Y分別為網絡模型輸出的分割結果圖及其對應的真值標簽圖像，||表示圖像區域面積算子；

(4)對分割結果進行邊界提取及處理，得到逐光渦的閉合回路；

(5)利用廣義輪廓和法對得到的逐光渦閉合回路進行旋度值計算，從而得到每個光渦的拓撲值。

2.根據權利要求1所述的多光渦渦旋光束拓撲值探測方法，其特征在于：所述步驟(1)中利用沙克哈特曼波前傳感器采集到多光渦渦旋光束圖像后需對其進行背景噪聲的去除工作。

3.根據權利要求1所述的多光渦渦旋光束拓撲值探測方法，其特征在于：所述步驟(2)中通過以下公式計算強度和分布圖I_sum；

其中：I(ξ,η)表示多光渦渦旋光束圖像中坐標點(ξ,η)的光強大小，I_sum(i,j)表示沙克哈特曼波前傳感器透鏡陣列中第i行第j列透鏡對應區域的強度和值，Θ_ij表示透鏡陣列中第i行第j列透鏡對應區域內所有坐標點集合。

4.根據權利要求1所述的多光渦渦旋光束拓撲值探測方法，其特征在于：所述步驟(4)中首先對分割結果進行邊界提取，以獲得逐光渦的閉合回路，然后再對每一閉合回路進行閉運算，以避免其形狀過于凹凸不平。

5.根據權利要求1所述的多光渦渦旋光束拓撲值探測方法，其特征在于：所述步驟(5)中的廣義輪廓和法基于以下表達式計算逐光渦閉合回路的旋度值；

其中：Cir為逐光渦閉合回路的旋度值，K為逐光渦閉合回路上點的數量，和分別為逐光渦閉合回路上第k點處的相位斜率和路徑矢量，S_x,k和S_y,k分別為相位斜率沿水平和豎直方向上的分量，l_x,k和l_y,k分別為路徑矢量沿水平和豎直方向上的分量。

6.根據權利要求5所述的多光渦渦旋光束拓撲值探測方法，其特征在于：所述相位斜率和路徑矢量的分量表達式如下：

其中：表示逐光渦閉合回路上第k點處的坐標，和分別為坐標點處的平均相位斜率沿水平和豎直方向上的分量。

7.根據權利要求1所述的多光渦渦旋光束拓撲值探測方法，其特征在于：所述步驟(5)中通過以下公式計算每個光渦的拓撲值；

其中：Cir為逐光渦閉合回路的旋度值，TC為對應光渦的拓撲值。