CN110781604A - 一种改进cordic算法的干涉图相位提取psm-ip核设计方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改进CORDIC算法的干涉图相位提取PSM‑IP核设计方法和系统,所述系统包括数字干涉图获取模块、数字干涉图输入缓存模块、数字干涉图相移运算模块、数字干涉图反正切函数运算模块和相位信息输出模块,利用多种干涉图试验平台,可分别获取多组相移增量为π/2rad的数字干涉图,选用四步相移算法对所述数字干涉图进行分析,缓存四步相移操作获取的四幅所述数字干涉图,并进行格式修正,将缓存的所述数字干涉图强度进行两两相减,得到对应相减结果,利用改进的CORDIC算法进行反正切运算,得到所述数字干涉图包裹相位分布图,提高实时性,并可满足多种干涉图的分析。
Description
技术领域
本发明涉及光学测量技术领域,尤其涉及一种改进CORDIC算法的干涉图相位提取PSM-IP核设计方法和系统。
背景技术
随着现代光测技术的发展,在工业测量、航空航天等特定高速处理场合,对干涉图分析的速度和精度同时提出了较高的要求。目前,在计算机平台进行数字干涉图处理的技术较为成熟,且具有开发速度快、灵活度高的优势,但执行速度较慢,仅适用于高内存消耗的复杂算法。而在硬件实现中可供选择的器件主要有GPU、DSP、FPGA等,GPU在开发中会受到计算资源、功耗等因素的限制,且速度慢于FPGA,实时性不强,不能满足多种干涉图分析的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改进CORDIC算法的干涉图相位提取PSM-IP核设计方法和系统,提高实时性,并可满足多种干涉图的分析。
为实现上述目的,本发明提供了一种改进CORDIC算法的干涉图相位提取PSM-IP核设计方法,包括:
利用四步相移操作获取多个有固定相移量的数字干涉图,并分析所述数字干涉图强度;
缓存四步相移操作后的所述数字干涉图;
将缓存的所述数字干涉图强度进行两两相减,得到对应相减结果;
利用改进的CORDIC算法进行反正切运算;
根据运算后的数据,得到所述数字干涉图包裹相位分布图。
其中,所述利用四步相移操作获取多个有固定相移量的数字干涉图,并分析所述数字干涉图强度,包括:
利用多种干涉图试验平台,获取多组有固定相移量的不同的数字干涉图,选用四步相移算法分析所述数字干涉图强度,相移增量为π/2,根据所述数字干涉图的背景强度、调制强度和相移量,计算出所述数字干涉图的待测相位,其中,所述数字干涉图包括仿真干涉图。
其中,所述缓存四步相移操作后的所述数字干涉图,包括:
将所述仿真干涉图先转换成.mif格式后进行缓存。
其中,将缓存的所述数字干涉图强度进行两两相减,得到对应相减结果,包括:
将计算出强度的偶数项按降序排列依次相减得到的第一强度差除以奇数项按升序排列依次相减得到的第二强度差,得到对应所述数字干涉图的相减结果。
其中,所述利用改进的CORDIC算法进行反正切运算,包括:
在圆周系统下,采用数学变换法将圆周划分为第一象限、第二象限、第三象限和第四象限,通过输入的第一强度差与第二强度差的最高有效位,确定所在原始象限,判断所述第一强度差和所述第二强度差的绝对值大小,将原始象限统一转化到收敛范围内的第一象限,进行向量模式的迭代运算。
其中,判断所述第一强度差和所述第二强度差的绝对值大小,包括:
若所述第一强度差的绝对值大于或等于所述第二强度差的绝对值,则所述第一强度差的绝对值和所述第二强度差的绝对值的大小不变;
若所述第一强度差的绝对值小于所述第二强度差的绝对值,则所述第一强度差的绝对值和所述第二强度差的绝对值互换,原始象限则被限制在0~π/4。
其中,所述利用改进的CORDIC算法进行反正切运算,包括:
利用统一的多级流水线结构进行向量迭代,当第i级y值大于零时,顺时针旋转,加/减法控制信号为负,当第i级y值小于等于零时,逆时针旋转,加减法控制信号为正,计算出向量迭代值,同时传递初始输入值的符号位,再根据象限及互换的对应关系恢复到原始象限。
其中,所述根据运算后的数据,得到所述数字干涉图包裹相位分布图,包括:
根据利用改进的CORDIC算法进行反正切运算后得到运算结果,得到所述数字干涉图的相位值,进而得到所述数字干涉图包裹相位分布图。
第二方面,本发明提供一种改进CORDIC算法的干涉图相位提取PSM-IP核系统,所述改进CORDIC算法的干涉图相位提取PSM-IP核系统包括数字干涉图获取模块、数字干涉图输入缓存模块、数字干涉图相移运算模块、数字干涉图反正切函数运算模块和相位信息输出模块,所述数字干涉图获取模块、所述数字干涉图输入缓存模块、所述数字干涉图相移运算模块、所述数字干涉图反正切函数运算模块和所述相位信息输出模块依次电性连接,
所述数字干涉图获取模块,所述数字干涉图获取模块,用于利用四步相移操作获取多个有固定相移量的数字干涉图,并分析所述数字干涉图强度;
所述数字干涉图输入缓存模块,用于输入并缓存数字干涉图,并进行格式化修正;
所述数字干涉图相移运算模块,用于将缓存的四幅数字干涉图进行两两相减,得到对应所述数字干涉图相减的结果;
所述数字干涉图反正切函数运算模块,用于通过输入值的修正,利用改进的CORDIC算法进行反正切运算;
所述相位信息输出模块,用于根据运算完成后数据,得到所述数字干涉图包裹相位分布图。
其中,所述数字干涉图反正切函数运算模块包括预处理单元、CORDIC迭代运算单元和后处理单元,所述预处理单元、所述CORDIC迭代运算单元和所述后处理单元依次电性连接,
所述预处理单元,用于输入值的寄存和数据修正;
所述CORDIC迭代运算单元,用于采用多级流水线结构进行迭代运算;
所述后处理单元,用于输出值的寄存和象限恢复。
本发明的一种改进CORDIC算法的干涉图相位提取PSM-IP核设计方法和系统,所述系统包括数字干涉图获取模块,数字干涉图输入缓存模块、数字干涉图相移运算模块、数字干涉图反正切函数运算模块和相位信息输出模块,利用多种干涉图试验平台,可分别获取多组相移增量为π/2rad不同的数字干涉图,选用四步相移算法进行强度分析,,缓存四步相移操作获取的所述数字干涉图,并进行格式修正,将缓存的所述数字干涉图强度进行两两相减,得到对应相减结果,利用改进的CORDIC算法进行反正切运算,根据运算后的数据,得到所述数字干涉图包裹相位分布图,提高实时性,并可满足多种干涉图的分析。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的一种改进CORDIC算法的干涉图相位提取PSM-IP核设计方法的步骤示意图。
图2是本发明提供的PSM-IP核硬件设计总体结构示意图。
图3是本发明提供的利用计算机获得的加噪仿真干涉图.
图4是本发明提供的利用光栅投影测试平台获取的石膏像眼部干涉图。
图5是本发明提供的利用MI3D-3型云纹干涉仪实测的云纹干涉图。
图6是本发明提供的CORDIC迭代运算第i级流水线结构示意图。
图7是本发明方法获得的数字干涉图包裹相位分布图。
图8是本发明提供的一种改进CORDIC算法的干涉图相位提取PSM-IP核系统的结构示意图。
1-数字干涉图获取模块、2-数字干涉图输入缓存模块、3-数字干涉图相移运算模块、4-数字干涉图反正切函数运算模块、5-相位信息输出模块、41-预处理单元、42-CORDIC迭代运算单元、43-后处理单元。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
请参阅图1至图7,本发明提供一种改进CORDIC算法的干涉图相位提取PSM-IP核设计方法,包括:
S101、利用四步相移操作获取多个有固定相移量的数字干涉图,并分析所述数字干涉图强度。
具体的,利用多种干涉图试验平台,获取多组不同的有固定相移量的数字干涉图,选用四步相移算法分析所述数字干涉图强度,相移增量为π/2,根据所述数字干涉图的背景强度、调制强度和相移量,计算出所述数字干涉图的待测相位,其中,举例来说,所述干涉图试验平台的数量为三个,
如图3所示,第一种是在MATLAB中建立256×256pixels加入了随机噪声的仿真干涉图,相移步进为π/2rad,得到四幅加噪仿真干涉图;
如图4所示,第二种是搭建光栅投影实物测试平台获取石膏像面部干涉图,由软件依次生成相移为π/2rad的四幅数字干涉图,并利用投影仪投射到待测石膏像表面,再通过分辨率为1280×1024pixels的CMOS数字摄像机采集,为便于性能分析,将数字干涉图均下采样到256×256pixels;
如图5所示,第三种是基于MI3D-3型云纹干涉仪实测获取云纹干涉图,测量试件为60mm×10mm的铝合金带孔拉伸铝片,试件表面制作有1200线/mm云纹光栅,同样的,相移步进为π/2rad,将干涉图下采样到256×256pixels,得到四幅云纹干涉图。
所述数字干涉图的强度一般可表示为:
则获得的四幅所述数字干涉图的强度分布为:
其中,控制四次相移量依次为0rad、π/2rad、πrad、3π/2rad。
S102、缓存四步相移操作后的所述数字干涉图。
具体的,对四步相移操作后的所述数字干涉图进行缓存,其中,将在MATLAB中获取的四幅理想仿真干涉图先转换成.mif文件后进行缓存。
S103、将缓存的所述数字干涉图强度进行两两相减,得到对应相减结果。
具体的,将计算出的强度的偶数项按降序排列依次相减得到的第一强度差除以奇数项按升序排列依次相减得到的第二强度差,得到所述数字干涉图的相位分布,举例来说,将获得的四幅所述数字干涉图的强度表达式进行两两相减,将计算出的第四强度减第二强度得到的第一强度差除以第一强度减第三强度得到的第二强度差,得到所述数字干涉图的相位分布,其表达式为:
S104、利用改进的CORDIC算法进行反正切运算,得到所述数字干涉图相位值。
具体的,采用定点数运算方式实现优化的CORDIC算法,并适当扩展数据位宽,一定程度上提高了运算精度和最大工作频率,设定输出相位的量化值用十六进制表示,从而相位输出的十进制数字量范围为[-32768,32768]。在圆周系统下,采用数学变换法将圆周划分为第一象限、第二象限、第三象限和第四象限,通过输入的第一强度差xin与第二强度差yin的最高有效位,确定所在原始象限,判断所述第一强度差xin和所述第二强度差yin的绝对值大小,若所述第一强度差的绝对值大于或等于所述第二强度差的绝对值,则所述第一强度差的绝对值和所述第二强度差的绝对值的大小不变;若所述第一强度差的绝对值小于或等于所述第二强度差的绝对值,则所述第一强度差的绝对值和所述第二强度差的绝对值互换,原始象限则被限制在0~π/4,然后将原始象限统一转化到收敛范围内的第一象限进行然后进向量模式的迭代运算,可减少一级迭代,收敛速度变快,在相同迭代次数下亦可减少误差,利用统一的多级流水线结构进行向量迭代,一般为15级流水线结构,迭代公式为:
流水线结构每一级CORDIC迭代单元均为独立结构,迭代原理如图6所示,尽管占用资源相对较多,但在处理当前数据的同时,仍能继续输入并对后续数据进行处理,数据吞吐量大,每次迭代中有两个移位寄存器和三个加/减法器,符号控制信号为di,由yi决定,在yi>0时,xi选用加法器,yi选用减法器,在yi≤0时,xi选用减法器,yi选用加法器。之后计算出xi+1、yi+1、zi+1的值,同时传递初始输入值的符号位sign,再根据象限及互换的对应关系恢复到原始象限,举例来说,根据测试需求,选用Altera的Cyclone系列EP4CE115F29器件利用Verilog HDL语言进行硬件验证。在Quartus Prime环境下编译、综合、仿真完成对PSM-IP核的设计,以FPGA为硬件核心,可以大大缩短相位提取时间,达到实时相位提取的目的,若提高FPGA的时钟频率,相位提取速度可进一步提高。
S105、根据运算后的数据,得到所述数字干涉图包裹相位分布图。
具体的,根据利用改进的CORDIC算法进行反正切运算后得到运算结果,得到所述数字干涉图生成包裹相位分布图,如图7所示,为通过所述三种干涉试验台获取的数字干涉图生成的对应的包裹相位分布图,可对多种干涉图进行相位分析。
参见图8,本发明提供一种改进CORDIC算法的干涉图相位提取PSM-IP核系统,所述改进CORDIC算法的干涉图相位提取PSM-IP核系统包括数字干涉图获取模块1、数字干涉图输入缓存模块2、数字干涉图相移运算模块3、数字干涉图反正切函数运算模块4和相位信息输出模块5,所述数字干涉图获取模块1、所述数字干涉图输入缓存模块2、所述数字干涉图相移运算模块3、所述数字干涉图反正切函数运算模块4和所述相位信息输出模块5依次电性连接,
所述数字干涉图获取模块1,用于利用四步相移操作获取多个有固定相移量的数字干涉图,并分析所述数字干涉图强度;
所述数字干涉图输入缓存模块2,用于输入并缓存数字干涉图,并进行格式化修正;
所述数字干涉图相移运算模块3,用于将缓存的四幅数字干涉图进行两两相减,得到对应所述数字干涉图相减的结果;
所述数字干涉图反正切函数运算模块4,用于根据所述相位分布,利用改进的CORDIC算法进行反正切运算;
所述相位信息输出模块5,用于根据运算完成后数据,得到所述数字干涉图包裹相位分布图。
在本实施方式中,所述改进CORDIC算法的干涉图相位提取PSM-IP核系统包括数字干涉图获取模块1、数字干涉图输入缓存模块2、数字干涉图相移运算模块3、数字干涉图反正切函数运算模块4和相位信息输出模块5,所述数字干涉图获取模块1、所述数字干涉图输入缓存模块2、所述数字干涉图相移运算模块3、所述数字干涉图反正切函数运算模块4和所述相位信息输出模块5依次电性连接,获取利用多个干涉图试验平台生成的多个不同的数字干涉图,并在所述数字干涉图获取模块1中用四步相移算法对获取的所述数字干涉图进行强度分析,并将所述数字干涉图输入并缓存于所述数字干涉图输入缓存模块2中,其中,需将理想仿真干涉图转换成.mif格式后才能进行缓存,所述数字干涉图相移运算模块3将缓存在所述数字干涉图输入缓存模块2中的所述数字干涉图进行两两相减,得到对应相减结果,根据所述相位分布,通过所述数字干涉图反正切函数运算模块4,利用改进的CORDIC算法进行反正切运算,完成对PSM-IP核的设计,所述相位信息输出模块4,根据得到的所述数字干涉图相位值,得到所述数字干涉图包裹相位分布图,提高实时性,满足对多个干涉图进行分析。
进一步的,所述数字干涉图反正切函数运算模块4包括预处理单元41、CORDIC迭代运算单元42和后处理单元43,所述预处理单元41、所述CORDIC迭代运算单元42和所述后处理单元43依次电性连接,
所述预处理单元41,用于输入值的寄存和数据修正;
所述CORDIC迭代运算单元42,用于采用多级流水线结构进行迭代运算;
所述后处理单元43,用于输出值的寄存和象限恢复。
在本实施方式中,所述数字干涉图反正切函数运算模块4包括预处理单元41、CORDIC迭代运算单元42和后处理单元43,所述预处理单元41、所述CORDIC迭代运算单元42和所述后处理单元43依次电性连接,在所述预处理单元41中输入第一强度差和第二强度差的最高有效位,并进行数据修正,使输入向量统一转换到收敛范围内的第一象限进行计算,所述CORDIC迭代运算单元42根据干涉图实时处理的需求,采用15级流水线结构进行迭代运算,初始输入向量的位宽为8bits,内部计算位宽为17bits,其中MSB为符号位,每一级CORDIC迭代单元均为独立结构,尽管占用资源相对较多,但在处理当前数据的同时,仍能继续输入并对后续数据进行处理,数据吞吐量大,迭代完成后,得到相应数据,同时传递初始输入值的符号位sign进入所述后处理模块43,根据象限及互换的对应关系恢复到原象限,完成对PSM-IP核的设计。
本发明的一种改进CORDIC算法的干涉图相位提取PSM-IP核设计方法和系统,所述系统包括数字干涉图获取模块1、数字干涉图输入缓存模块2、数字干涉图相移运算模块3、数字干涉图反正切函数运算模块4和相位信息输出模块5,利用多种干涉图试验平台,可分别获取多组相移增量为π/2rad的不同的数字干涉图,选用四步相移算法进行强度分析,缓存四步相移操作获取的四幅所述数字干涉图,并进行格式修正,将所述数字干涉图强度的偶数项按降序排列的强度依次相减得到的第一强度差除以奇数项按升序排列的强度值依次相减的第二强度差,然后对应所述数字干涉图相减的结果,利用改进的CORDIC算法进行反正切运算,采用多级流水线结构进行迭代运算,根据运算得到的数据,得到所述数字干涉图包裹相位分布图,提高了实时性,并可满足多种干涉图的分析。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已,当然不能以此来限定本发明之权利范围,本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程,并依本发明权利要求所作的等同变化,仍属于发明所涵盖的范围。
Claims (10)
1.一种改进CORDIC算法的干涉图相位提取PSM-IP核设计方法,其特征在于,包括:
利用四步相移操作获取多个有固定相移量的数字干涉图,并分析所述数字干涉图强度;
缓存四步相移操作后的所述数字干涉图;
将缓存的所述数字干涉图强度进行两两相减,得到对应相减结果;
利用改进的CORDIC算法进行反正切运算;
根据运算后的数据,得到所述数字干涉图包裹相位分布图。
2.如权利要求1所述的一种改进CORDIC算法的干涉图相位提取PSM-IP核设计方法,其特征在于,利用四步相移操作获取多个有固定相移量的数字干涉图,并分析所述数字干涉图强度,包括:
利用多种干涉图试验平台,获取多组有固定相移量的不同的数字干涉图,选用四步相移算法分析所述数字干涉图强度,相移增量为π/2,根据所述数字干涉图的背景强度、调制强度和相移量,计算出所述数字干涉图的待测相位,其中,所述数字干涉图包括仿真干涉图。
3.如权利要求2所述的一种改进CORDIC算法的干涉图相位提取PSM-IP核设计方法,其特征在于,所述缓存四步相移操作后的所述数字干涉图,包括:
将所述仿真干涉图先转换成.mif格式后进行缓存。
4.如权利要求3所述的一种改进CORDIC算法的干涉图相位提取PSM-IP核设计方法,其特征在于,将缓存的所述数字干涉图强度进行两两相减,得到对应相减结果,包括:
将计算出强度的偶数项按降序排列依次相减得到的第一强度差除以奇数项按升序排列依次相减得到的第二强度差,得到对应所述数字干涉图的相减结果。
5.如权利要求4所述的一种改进CORDIC算法的干涉图相位提取PSM-IP核设计方法,其特征在于,所述利用改进的CORDIC算法进行反正切运算,包括:
在圆周系统下,采用数学变换法将圆周划分为第一象限、第二象限、第三象限和第四象限,通过输入的第一强度差与第二强度差的最高有效位,确定所在原始象限,判断所述第一强度差和所述第二强度差的绝对值大小,将原始象限统一转化到收敛范围内的第一象限,进行向量模式的迭代运算。
6.如权利要求5所述的一种改进CORDIC算法的干涉图相位提取PSM-IP核设计方法,其特征在于,判断所述第一强度差和所述第二强度差的绝对值大小,包括:
若所述第一强度差的绝对值大于或等于所述第二强度差的绝对值,则所述第一强度差的绝对值和所述第二强度差的绝对值的大小不变;
若所述第一强度差的绝对值小于所述第二强度差的绝对值,则所述第一强度差的绝对值和所述第二强度差的绝对值互换,原始象限则被限制在0~π/4。
7.如权利要求6所述的一种改进CORDIC算法的干涉图相位提取PSM-IP核设计方法,其特征在于,所述利用改进的CORDIC算法进行反正切运算,包括:
利用统一的多级流水线结构进行向量迭代,当第i级y值大于零时,顺时针旋转,加/减法控制信号为负,当第i级y值小于等于零时,逆时针旋转,加减法控制信号为正,计算出向量迭代值,同时传递初始输入值的符号位,再根据象限及互换的对应关系恢复到原始象限。
8.如权利要求7所述的一种改进CORDIC算法的干涉图相位提取PSM-IP核设计方法,其特征在于,所述根据运算后的数据,得到所述数字干涉图包裹相位分布图,包括:
根据利用改进的CORDIC算法进行反正切运算后得到运算结果,得到所述数字干涉图的相位值,进而得到所述数字干涉图包裹相位分布图。
9.一种改进CORDIC算法的干涉图相位提取PSM-IP核系统,其特征在于,所述改进CORDIC算法的干涉图相位提取PSM-IP核系统包括数字干涉图获取模块、数字干涉图输入缓存模块、数字干涉图相移运算模块、数字干涉图反正切函数运算模块和相位信息输出模块,所述数字干涉图获取模块、所述数字干涉图输入缓存模块、所述数字干涉图相移运算模块、所述数字干涉图反正切函数运算模块和所述相位信息输出模块依次电性连接,
所述数字干涉图获取模块,用于利用四步相移操作获取多个有固定相移量的数字干涉图,并分析所述数字干涉图强度;
所述数字干涉图输入缓存模块,用于输入并缓存数字干涉图,并进行格式化修正;
所述数字干涉图相移运算模块,用于将缓存的四幅数字干涉图进行两两相减,得到对应所述数字干涉图相减的结果;
所述数字干涉图反正切函数运算模块,用于通过输入值的修正,利用改进的CORDIC算法进行反正切运算;
所述相位信息输出模块,用于根据运算完成后数据,得到的所述数字干涉图相位值,进而得到所述数字干涉图包裹相位分布图。
10.如权利要求9所述的一种改进CORDIC算法的干涉图相位提取PSM-IP核系统,其特征在于,所述数字干涉图反正切函数运算模块包括预处理单元、CORDIC迭代运算单元和后处理单元,所述预处理单元、所述CORDIC迭代运算单元和所述后处理单元依次电性连接,
所述预处理单元,用于输入值的寄存和数据修正;
所述CORDIC迭代运算单元,用于采用多级流水线结构进行迭代运算;
所述后处理单元,用于输出值的寄存和象限恢复。
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CN201911069928.4A Pending CN110781604A (zh) | 2019-11-05 | 2019-11-05 | 一种改进cordic算法的干涉图相位提取psm-ip核设计方法和系统 |
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Country | Link |
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CN (1) | CN110781604A (zh) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN112116616A (zh) * | 2020-08-05 | 2020-12-22 | 西安交通大学 | 基于卷积神经网络的相位信息提取方法、存储介质及设备 |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN205066685U (zh) * | 2015-10-09 | 2016-03-02 | 茂莱(南京)仪器有限公司 | 带单幅干涉图处理功能的立式干涉仪 |
CN110243289A (zh) * | 2018-12-27 | 2019-09-17 | 桂林电子科技大学 | 一种实时云纹干涉图高速相位提取系统及提取方法 |
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2019
- 2019-11-05 CN CN201911069928.4A patent/CN110781604A/zh active Pending
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN205066685U (zh) * | 2015-10-09 | 2016-03-02 | 茂莱(南京)仪器有限公司 | 带单幅干涉图处理功能的立式干涉仪 |
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Title |
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CN112116616A (zh) * | 2020-08-05 | 2020-12-22 | 西安交通大学 | 基于卷积神经网络的相位信息提取方法、存储介质及设备 |
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