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1、文章编号：!#$%$&（!）!%!()%!(利用!#$%&%光折变晶体提高光学图像相关模式识别鉴别率!郭庆林傅广生梁宝来张金平魏艳红（河北大学物理科学与技术学院，保定!*)!）摘要：给出了在相干匹配滤波系统中利用+,-./0 1/光折变晶体非线性特性实现图像边缘增强光学相关模式识别的理论分析和实验结果。实验中自相关峰半最大值宽度降低了*#2，自相关峰与互相关峰的强度比增强了近一倍，自相关峰的边瓣强度和互相关峰的强度得到抑制，系统的信噪比和相关鉴别率得到显著提高。关键词：模式识别；边缘增强光学相关；光折变中图分类号：3*&-3($4文献标识码：5!河北省自然科学基金（)!)!#&）资助课题。6%
2、7 8 9:：;9 =:9?!9 8 A B?7收稿日期：!)%!#%4；收到修改稿日期：!)%!4%!&)引言光学相关和光学模式识别是光学信息处理领域的重要研究课题，尤其是匹配滤波光学相关器在多目标光学识别中具有不可取代的地位)$。光折变材料由于具有实时处理、易于写入等诸多优点而在匹配滤波光学相关模式识别中得到了广泛的应用$*。掺杂钾钠铌酸锶钡（./0 1/）晶体是我国率先开发成功的一种性能优异的新型光折变材料，在光信号放大、自抽运相位共轭、光全息存储等领域具有重要的应用价值。在光全息记录应用中，全息图的线性再现要求衍射效率!随光栅条纹调制度!的变化规律满足“平方律”4，但对于+,-./0
3、1/光折变晶体体全息图，由于写入光之间的耦合作用使得衍射效率不再遵从“平方律”，而是具有自己的非线性衍射特性&，衍射效率随光栅条纹调制度的整个变化曲线呈一环状，最大光栅衍射效率对应!C!A#，并非象理想体相位光栅对应!C)。这种非线性变化特性一方面会造成全息再现像的失真，制约+,-./0 1/晶体在全息存储中的应用；另一方面，它又可以用于光学信息处理领域，实现光学图像的边缘增强操作)!。本文将+,-./0 1/光折变晶体置于相干匹配滤波光学信息处理系统的傅里叶频谱平面，利用晶体的非线性特性，选择合适的光栅写入光强比，实现了图像的边缘增强实时光学相关模式识别，系统的信噪比和相关鉴别率得到显著提高
4、。实验装置和原理实验装置如图)所示。晶体为#7 7D#7 7D#7 7+,-./0 1/（山东大学晶体所生长）。偏振分束器1 0把5 EF#)(A#7激光分为两束，一束由反射镜G)反射作为写入参考光H，另一束由反射镜G反射作为写入物光0，H、0的偏振态和光强由半波片IJ H)、IJ H和偏振片H)、H调节。K)为焦距#)C(!7 7的傅里叶变换透镜，输入物L H)置于K)前焦平面，晶体置于K)后焦平面。0与H相互作用在晶体内写入输入物L H)的傅里叶变换全息图。在晶体另一侧以I,%/,的$A 4 ,，!#$%&()*+,-.)/0)1 *)2,+3 4),5 0参考光波选取强度为!6的平面波，
5、其傅里叶变换为：（#，$）78)/0 9:!;%，这样导致在晶体中所记录的全息图条纹调制度分布极度不均匀。由文献?结果可知，不同调制度对应的光栅衍射效率不同。若选择合适的!&!6的值，使得输入物中高空间频率成分对应于光栅条纹调制度为&!8$;，而输入物直流成分对应于光栅条纹调制度为&!8，则当再现晶体记录的全息图时，输入物直流成分相应的衍射效率受到抑制，而输入物边缘所对应的高频分量的衍射效率得到增强，此时晶体相当于一个高通滤波器，其透过率函数可表示为%8：)A（#，$）#%)A（#，$）#（#，$），（B）其中下角标“)A”代表边缘增强，“#”表示共轭，#7:!（!B B()B*).），(为晶
6、体的厚度，)为折射率，*).为有效电光系数。假设全息图再现光波为平面波，且为写入参考光的共轭光#（即在图%中取走C:和=6:，以!D为平面波读出晶体中所记录输入物=6%的傅里叶变换全息图），经晶体滤波后其出射光!E的复光波场分布为：+)A（#，$）7#)A（#，$）#（#，$），（）再经过透镜CB作逆傅里叶变换，在CB后焦平面得到系统的输出：,)A（-B，.B）7$%#)A（#，$）F)/0:!B B/B（#-BG$.B）A#A$，（;）式中，（-B，.B）为CB后焦平面的坐标，当条件!;%/%7!B B/B得到满足时，系统的输出为输入物0（-%，.%）的边缘增强再现实像：,)A（-B，.B）
7、70#)A（-B，.B）$（）如果读出光路中的透镜C:和靶物=6:不被取走，设靶物平面坐标为（-:，.:），选择靶物=6:和已记录输入参考物=6%相同，=6:的分布函数为0（-:，.:），当条件!;%）这是输入物的边缘增强自相关。如果靶物和参考物不同，=6%为0（-%，.%），而=6:为0（-:，.:）G)（-:，.:），则系统输出结果包含着自相关和互相关项：,)A（-B，.B）7$（#，$）%#)A（#，$）%)A（#，$）)/0:!B B/B（#-BG$.B）A#A$G$（#，$）%#)A（#，$）1（#，$）)/0:!B B/B（#-BG$.B）A#A$，（H）其中1（#，$）是)（-:
8、，.:）的傅里叶变换频谱，因此可以实现输入物的边缘增强相关模式识别检测。:光学学报:卷!实验结果实验中首先取走图中的#$和%&$，以!为平面光波读出晶体中所记录输入物%&的傅里叶变换全息图，实现对输入光学图像的边缘增强再现。以图$（(）中字母“)”的二值化图像（采用高反差!*型黑白胶片制成）作为系统的输入物%&，调整光栅写入光强比为!+!&,-.-，得到输入物的无边缘增强再现像如图!（(）所示。将光栅写入光强比调整为-.，得到的输入物再现像如图!（/）所示，可以看到与低频成分相关的均匀透光部分被明显削弱，而与高频成分相关的图像边缘部分被明显地增强。0 1 2.$3 4 5/1 6(7 8 1
9、9(2 5:(:;4 5 1 6?;4 5:8:;5 90 1 2.!A?;4 5 6:;7=C;5 D1 9(2 5E 1;4 =;5 D 2 5 F 5 6 4(6 C 5 9 5 6;；（/）3 4 57 5 C 6:;7=C;5 D1 9(2 5E 1;45 D 2 5 F 5 6 4(6 C 5 9 5 6;然后在!光路中加入#$和%&$，并使%&$与%&相同，同为字母“)”的二值化图像，实验得到输入物的光学自相关。图G（(）和图G（/）分别给出了无边缘增强和边缘增强的光学自相关实验结果的三维强度分布图，很容易看出边缘增强相关有更尖锐的自相关峰，图G（(）中自相关峰的半最大值宽度（0
10、 HI J）是图G（/）中相关峰的半最大值宽度的G倍。当选择图$（(）中“)”二值化图像作为输入的参考物%&，图$（/）中所示二值化图像作为待检测的靶物%&$时，实现了光学相关模式识别检测，实验结果的三维强度分布图如图*所示。0 1 2.G!F K;:?;4 5 7 7 5 B(;1 67 5:=B;.（(）H 1;4 =;5 D 2 5 5 6 4(6 C 5 9 5 6;；（/）H 1;4 5 D 2 5 5 6 4(6 C 5 9 5 6;0 1 2.*3 4 5 5 A?;1 C(B 2 6 1;1 6.（(）H 1;4 =;5 D 2 5 F 5 6 4(6 C 5 9 5 6;；（
11、/）H 1;4 5 D 2 5 F5 6 4(6 C 5 9 5 6;图*（(）对应无边缘增强结果，图*（/）对应边缘增强结果，对比图*（(）和*（/）可看出，图像边缘增强操作不仅使自自相关峰变得更尖锐，而且抑制了自相关峰的边瓣强度和互相关峰的强度。图*（(）中自相关峰和互相关峰的强度比为.!L，图*（/）自相关峰和互相关峰的强度比约为$.$L，在相同的实验条件下边缘增强操作使自相关峰与互相关峰!GMM期郭庆林等：利用)5 L N O+P O光折变晶体提高光学图像相关模式识别鉴别率的强度比增强了近一倍。众所周知，相关模式鉴别率不仅取决于自相关峰的强度和半值全宽度，而且取决于自相关峰和互相关峰的
12、强度比以及自相关峰和背景噪声的强度比!。在图!（）中自相关峰和背景噪声的强度比约为#!$#，图!（%）中自相关峰和互背景噪声的强度比为&$#，边缘增强操作使自相关峰与背景噪声的强度比也增强了近一倍。因此系统的信噪比和相关模式鉴别率得到了显著的提高。结论利用()$*+,-+晶体的非线性衍射特性，在相干匹配滤波系统中实现了光学图像的边缘增强光学相关模式识别，图像边缘增强操作使自相关峰变得更尖锐，半最大值全宽度降低了!.，自相关峰和互相关峰的强度比提高近一倍，同时还抑制了自相关峰的边瓣强度和背景噪声，提高了系统的信噪比和相关鉴别率。参考文献#/0 0 1 2 3456!#$%&(#)%#%*%$)+
13、$,-#)(.（傅里叶光学导论）6 7 8 3 9:;)1%3?9 3 6-)A 3 B：7 ),C )3 C)D 8)9 9，#E E 6#F E!#E G（3(3)9)）&H I,2 3，/I 0J I，H 3 B=)3 K 3 B 6/%0)+1$,-#)(.%23 4%#%$+2$1(#)5+6 2 2+(#（光 折 变 非 线 性 光 学）6-)A 3 B：(3,;3 1 8 1D I%:9 3 BL 0 I 9)，#E E&6&M!&M M（3(3)9)）NO IP7,，4 I;2 I:,6,-#)(1 03 1#+$7+(%8 )#)%6+)QO 0 8 R：(2%8 1 B)S
14、 3 T)8 9 ;U;)8#，&F !N#FV5 ;)4W，O 8 TX6 J):Y;2)2 B)U 8 0 C)9 9 3 BT K 0 I 8 YQ T)2 Z 3 B 3U 0;0 8)K 8 C;T)2)1 I 269-063 4:.6;+#6，#E F G，!（#）：!(0 3 3 0 8 9H，P 0 0;)D，L :74+#1 06 6 P 1):;0 K 8):Y;2)C 0 8 8):;0 3%K 0 I 8 Y Q T)2 Z 3 B 63$%(6 3 C)10%A)C;C 0 8 8):;0 3I 9 3 B 3 C 0 )8)3;8)1 0 I;0 K U 0;0 8
15、)K 8 C;T)-,W6,-#)=，#E E N，$!（V）：#!#M&5 3 B=0 ，=3 BL I，(8;Q 8 B ;(+#1 06 6 1 B)3 3 C)2)3;%9 :C 0 30 Z 1)C 8 )U 0;0 8)K 8 C;T)K K)C;Y 8)T )Q63$%86 1#66 0+(#$%6，#E F!，&（&）：!#V MEH 3 B-0:，5 3 B=0 ，I/I 0 B I 3 B+#1 06 6?K K 8 C;0 3 U 8 0 U)8;)9 0 K;8 3 9 2 9 9 0 3 U 0;0 8)K 8 C;T)T 0:I 2)B 8 ;3 B 9 3()$*
16、+,-+C 8 0 ，P IJ I:3+#1 06 6 W U;C :2 B)1 B)Y)3 3 C)2)3;T ;)3 0 3:3)81 K K 8 C;0 3U 8 0 U)8;0;0 8)K 8 C;T)C 8 3)9)）)*+,-*.*/0 1*2/3/4 0/,5.5/1 2 67 8 1*,0 9:2-5 9 0 1*2/;0 1 1 5-/*0:5$?A B;4 2 1 2-5 6-0,1*C 5:-D+1 0 9/I 0 3 B:3 P I/I 3 B 9 )3 B H 3 B-0:=3 B 4 3 U 3 B 5)O 3 0 3 B（%0 0+8+%23 4:.)(.()+(
17、+1&A+(4%0%8:，B+C+)D )5+$.)#:，E 1%&)8G#G G&）（J)C)T)1&F );)0 8);C :3 :3 C)10 U;C :C 0 8 8):;0 3U ;)8 38)C 0 B 3 ;0 3T ()$*+,-+U 0;0 8)K 8 C;T)C 8 )C 0 )8)3;2 ;C )1K :;)8 9 )K I:Y Q 1;Y ;Y :K Y 2 Z 2 I 2（P 5L）0 K;)I;0 Y C 0 8 8):;0 3U)R 91)C 8)9)1!.67 )3;)3 9 ;)I;0 Y C 0 8 8):;0 3U)R 3 1;)C 8 0 9 9 Y C
18、 0 8 8):;0 3U)R 3 C 8)9)9 3)8:0 3);2)%)1 B)Y)3 3 C)2)3;0 U)8 ;0 3 6 7 ):0%)3 1 3;)3 9 ;)I;0 YC 0 8 8):;0 3U)R 8)0%T 0 I 9:)3 3 C)2)3;90 K9 B 3 :;0 3 0 9)8 ;0 3 11 9 C 8 2 3 ;0 3C U%:;)9 )T)10%T 0 I 9:3 C)10 U;C :C 0 8 8):;0 3；U 0;0 8)K 8 C;T ;VVM光学学报&卷利用Ce:KNSBN光折变晶体提高光学图像相关模式识别鉴别率利用Ce:KNSBN光折变晶体提高光
19、学图像相关模式识别鉴别率作者：郭庆林，傅广生，梁宝来，张金平，魏艳红作者单位：河北大学物理科学与技术学院,保定,071002刊名：光学学报英文刊名：ACTA OPTICA SINICA年，卷(期)：2002，22(6)被引用次数：4次 参考文献(10条)参考文献(10条)1.GoodmanJW 傅里叶光学导论 19792.Liu Simin.Guo Ru.Ling Zhenfang 光折变非线性光学 19923.Yu F T S.Jutamulia S Optical Pattern Recognition 19984.White J O.Yariv A Real-time image pro
20、cessing via four-wave mixing in a photorefractive medium1980(01)5.Connors L.Foote P.Hall T J Fidelity of real-time correlation by four-wave mixing 19846.Wang Z Q.Soutar C.Gillespie W A Real-time edge-enhanced object correlation using incoherent readoutof photorefractive BSO 1993(04)7.Wang Zhaoqi.Zha
21、ng Hui.Cartwright C M Edge enhancement by use of moving gratings in bismuth siliconoxide crystal and its application to optical correlation 1998(20)8.Hall T J.Jaura R.Conners L M The photorefractive effect-a review 1985(02)9.Liang Baolai.Wang Zhaoqi.Mu Guoguang Diffraction properties of transmission
22、 photorefractive volumegratings in a Ce:KNSBN crystal 1999(38)10.Liang Baolai.Wang Zhaoqi.Fu Rulian Optical image edge-enhancement via the nonlinear diffractionproperty of Ce:KNSBN photorefractive crystal 2001(01)相似文献(1条)相似文献(1条)1.学位论文 梁宝来 Ce:KNSBN晶体光折变特性及其在光学信息处理中的应用 2000 该文系统的研究了Ce:KNSBN光折变晶体两波耦合和
23、四波耦全体光栅的非线性特性,并 利用晶体的非线性特性在两波耦合和四波耦合相干光学系统实现了图像的边缘增强处理和边缘增强光学相关,同时还研究了Ce:KNSBN晶体正交偏振光写入体光栅的两波耦合特性和衍射特性.(1)测量了两波耦合写入体光栅的衍射效率随写入光栅振态、光强比和调制度等变化 规律,首次揭示了光栅衍射效率随光栅条纹调制度的环非线性衍射规律.(2)对于不同的光 栅条纹调制度测量了光栅衍射效率随总写入光强的变化关系,然后首次在傅里叶变换和菲涅耳变换相干光学系统中利用Ce:KNSBN两波混频体光栅的非线性特性的参物光强比无反转条件下实现了光学图像的边缘增强处理和边缘增强相关光学模式识别,自相关
24、峰的半强度宽明显变窄,系统的相关鉴别率得到显著的提高.(3)研究了Ce:KNSBN晶体简并四波混频特性,测 量了共轭光光强随总入射不强、参物光强比和光束偏振态的变化规律以及共轭光的时间行为.(4)在正交偏振光记录条件下测量了光栅两波耦合增益系数、光栅衍射效率及光栅响应时 间随泵浦光偏振旃方向与晶体c轴夹角的变化的规律,并给出了增益系数、衍射效率随变化规律的数值计算结果.引证文献(4条)引证文献(4条)1.李盼来 写入光调制光折变晶体两波耦合及其图像存储学位论文硕士 20052.郭庆林.刘峰.梁宝来.张金平.魏艳红 Ce:KNSBN晶体两波耦合中的光扇效应期刊论文-光学学报 2004(4)3.张金平.郭庆林.魏艳红.怀素芳.傅广生 光扇效应对CeKNSBN记录偏振组态的影响期刊论文-光学学报 2004(3)4.张金平.刘峰.李盼来.郭庆林.魏艳红.梁宝来 Ce:KNSBN晶体中扇形光的时间演化期刊论文-河北大学学报(自然科学版)2003(4)本文链接：http:/