自适应信号降噪眼轴长测量方法

技术领域

本发明涉及眼部测量设备技术领域，特别是一种自适应信号降噪眼轴长测量方法。

背景技术

雪崩光电二极管(以下简称为APD)是一种建立在内光电效应基础上的光电器件。雪崩光电二极管具有内部增益和放大的作用，一个光子可以产生几十甚至上百对光生电子空穴对，从而起到放大光功率的作用。雪崩光电二极管工作在反向偏压下。在一定范围的反向偏压下，偏压越高，产生的光生电子空穴对越多，即发生雪崩效应，使信号电流放大。

目前，在使用相干光干涉原理实现的眼轴长测量方法中，通过基于APD的泰曼格林干涉系统采集光强度数据后，需要对APD采集的电流信号(光强度信号)进行滤波降噪处理，从而提取出干涉信号，进一步计算出眼轴长，由于APD采集的微小电流信号在10nA-1mA范围内，容易受到噪声影响使得SNR较小，使得干涉信号的识别准确度降低，从而影响眼轴长测量的准确度，因此，需要设计一种能够适应针对APD采集的微小电流信号(光强度信号)进行处理的眼轴长测量方法和装置。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在提供自适应信号降噪眼轴长测量方法。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

第一方面，提出一种自适应信号降噪眼轴长测量方法，应用于数据处理模块，包括如下步骤：

S20对基于泰曼格林干涉系统获取的光照强度信号进行归一化处理，其中光照强度信号的横坐标表示信号长度，其与泰曼格林干涉系统中的参考臂移动距离相对应，纵坐标表示信号的光照强度大小；

S30对光照强度信号进行递推式平滑滤波处理，包括：采用设定大小的窗口遍历光照强度信号，计算窗口内的局部信号标准差，当局部信号标准差满足设定的条件时，则对当前遍历位置的信号进行放大处理并完成信号更新；遍历完成后输出当前光照强度信号；

S40判断当前光照强度信号是否达到稳态，当信号还没达到稳态时，返回步骤S30，对当前光照强度信号进行新一轮的递推式平滑滤波处理；当信号达到稳态时，输出当前光照强度信号为滤波后的光照强度信号；

S60根据滤波后的光照强度信号计算眼轴长度。

在一种实施方式中，步骤S30包括：当窗口内的局部信号标准差大于设定的阈值时，则对当前遍历位置的信号进行放大处理。

在一种实施方式中，步骤S40还包括：

当信号达到稳态时，对当前光照强度信号进行小波阈值滤波处理，输出小波阈值滤波处理后的光照强度信号为滤波后的光照强度信号。

在一种实施方式中，步骤S40中，判断当前光照强度信号是否达到稳态，具体包括：

获取当前光照强度信号的峰值点，当某一峰值点的坐标与其相邻峰值点的坐标之间的差值在设定的标准范围内时，则标记该峰值点为稳态；当光照强度信号中被标记为稳态的峰值点的占比大于设定的阈值时，则判断该光照强度信号达到稳态。

在一种实施方式中，步骤S40后还包括：

S50对滤波后的光照强度信号进行峰值点校正，包括：对滤波后的光照强度信号进行后向差分计算检测信号中的峰值点并进行标定，将峰值点与其附近n个周期的局部范围的信号均值进行比较，当峰值点小于其局部范围的均值则剔除该峰值点。

在一种实施方式中，步骤S60中，根据滤波后的光照强度信号，包括：

根据滤波后的光照强度信号的峰值点坐标位置获取相应的信号长度信息，并根据获取的信号长度信息计算眼轴长度。

在一种实施方式中，该方法还包括：

S10采集光照强度信号，其中采集的光照强度信号为基于泰曼格林干涉系统采集的光照强度信号，其中该泰曼格林干涉系统中设置APD采集光照强度信号。

第二方面，提出一种自适应信号降噪眼轴长测量装置，包括接收模块和数据处理模块；其中，

接收模块用于接收基于泰曼格林干涉系统获取的光照强度信号；其中光照强度信号的横坐标与泰曼格林干涉系统中的参考臂移动距离相对应，纵坐标表示信号的光照强度大小；

数据处理模块用于执行上述一方面中前6种实施方式中任一种实施方式提供的自适应信号降噪眼轴长测量方法，输出眼轴长测量结果。

在一种实施方式中，该装置还包括检测模块，检测模块包括泰曼格林干涉系统，其中该泰曼格林干涉系统中设置APD采集光照强度信号。

本发明的有益效果为：

1)本发明提出的自适应信号降噪眼轴长测量方法，能够根据光照强度信号的状态进行自适应滤波处理，能够适应不同仪器、不同参数条件下采集的光照强度信号进行滤波处理，起到良好的滤波效果。

2)通过迭代的递推式平滑滤波处理，能够针对可能为干涉点的信号进行放大，同时有效抑制噪声，提高了信号的性能。

3)通过自适应峰值点校正可以有效过滤干涉点附近的误差点，进一步提升干涉信号测量的准确度。

4)本申请提出的眼轴长测量方法和装置对硬件要求低，同时准确性高，能够满足不同应用场景的需要。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1为本发明的自适应信号降噪眼轴长测量方法流程图；

图2为本发明一种实施方式中提出的检测装置的光路原理图；

图3为本发明一种实施方式中提出的检测装置的结构图；

图4为本发明一种实施方式中提出的检测装置的结构图。

具体实施方式

结合以下应用场景对本发明作进一步描述。

参见图1，其示出一种自适应信号降噪眼轴长测量方法，包括如下步骤：

S10采集光照强度信号，其中采集的光照强度信号为基于泰曼格林干涉系统采集的光照强度信号，其中该泰曼格林干涉系统中设置APD采集光照强度信号。

在一种实施方式中，APD采集的光照强度信号以电信号的形式反馈光强度的强弱。

其中光照强度信号的横坐标表示信号长度，其与泰曼格林干涉系统中的参考臂移动距离相对应，纵坐标表示信号的光照强度大小。

在一种场景中，该光照强度的横坐标可表示为参考臂的位移距离，参考臂在匀速移动的过程中，APD采集模块以设定的采样频率同步输出其采集的光照强度信号，因此该光照强度的横坐标与参考臂的位移信息相对应。

在一种场景中，该光照强度的横坐标表示为时间信息，通过时间信息，结合参考臂匀速移动的速度，同样可以换算与参考臂的位移信息相对应。

通过基于泰曼格林干涉系统的采集模块采集相干光信号，其中获取的光照强度信号其横坐标与泰曼格林干涉系统中的参考臂位移相对应，纵坐标表示幅值反映光照强度的大小；同时泰曼格林干涉系统中设置APD作为接收器采集系统中的相干光信号，并以电流信号的形式输出至数据处理模块。

S20对获取的光照强度信号进行归一化处理。

对光照强度信号进行归一化处理，方便后续对信号峰值点以及干涉信号位置的检测，同时也有利于在滤波处理时将不同条件、参数下采集的光照强度信号进行归一，以适应滤波处理。

S30对光照强度信号进行递推式平滑滤波处理，包括：采用设定大小的窗口遍历光照强度信号，计算窗口内的局部信号标准差，当局部信号标准差满足设定的条件时，则对当前遍历位置的信号进行放大处理并完成信号更新；遍历完成后输出当前光照强度信号。

在一种实施方式中，步骤S30包括：当窗口内的局部信号标准差大于设定的阈值时，则对当前遍历位置的信号进行放大处理。

在一种场景中，当检测到窗口内的局部信号标准差大于设定的阈值时，对窗口中心位置对应的信号进行指数放大或倍数放大处理，并将放大后的信号替换信号中的原值完成更该信号位置的一次更新；更新后窗口继续向前遍历，直到完成整个光照强度信号的遍历滤波处理；通过上述放大滤波处理，提高信号在信噪比较低的情况下，微弱信号容易被噪声淹没的情况。

上述实施方式，能够根据信号自身的状态进行自适应滤波处理，有效对光照强度信号中的特征部分进行突出和放大，为之后根据光照强度信号进行测量计算奠定了基础。

S40判断当前光照强度信号是否达到稳态，当信号还没达到稳态时，返回步骤S30，对当前光照强度信号进行新一轮的递推式平滑滤波处理；当信号达到稳态时，输出当前光照强度信号为滤波后的光照强度信号。

在一种实施方式中，步骤S40还包括：

当信号达到稳态时，对当前光照强度信号进行小波阈值滤波处理，输出小波阈值滤波处理后的光照强度信号为滤波后的光照强度信号。

对稳态后的光照强度信号再次进行小波软阈值滤波处理，能够进一步去除信号中的噪声干扰，进一步提高信号的质量。

在一种实施方式中，步骤S40中，判断当前光照强度信号是否达到稳态，具体包括：

获取当前光照强度信号的峰值点，当某一峰值点的坐标与其相邻峰值点的坐标之间的差值在设定的标准范围内时，则标记该峰值点为稳态；当光照强度信号中被标记为稳态的峰值点的占比大于设定的阈值时，则判断该光照强度信号达到稳态。

在一种场景中，检验当前光照强度信号是否达到稳态时，根据设定的峰值点检测方法检测信号中的各峰值点，并获取各峰值点对应的坐标信息，进一步检测相邻峰值点的坐标差，如果当某峰值点与其相邻峰值点的横坐标差在设定范围内时，则判断该峰值点部分信号达到稳态；同时根据信号中达到稳态的部分占整个信号的比重获取稳态占比，当稳态占比大于设定的阈值时，则判断该信号达到稳态。

在一种场景中，相邻峰值点坐标差设定范围可以根据光照强度信号的采样频率来设定；根据信号的采样频率，结合相邻峰值点的理论范围，加上适当的允许误差范围，合理设定判断峰值点是否稳态的判定范围。

在一种场景中，该判定范围为峰值点间隔的理论平均值的正负10范围。

通过判断稳态占比限定对信号进行放大的迭代次数，能够在保证信号特征点得到放大突出的同时，准确限制信号放大的迭代次数，有效地避免信号的滤波过渡或滤波不足的情况，增强干涉信号的信息。

在步骤S40中，光照强度信号中每个信号周期都会对应有一个峰值点；通过判断峰值点之间的距离，能够准确检测信号的放大滤波程度是否已经达到标准，通过重复的递推式平滑滤波处理，能够增大光照强度信号的信噪比，突出信号的特征部分。

S50对滤波后的光照强度信号进行峰值点校正，包括：对滤波后的光照强度信号进行后向差分计算检测信号中的峰值点并进行标定，将峰值点与其附近n个周期的局部范围的信号均值进行比较，当峰值点小于其局部范围的均值则剔除该峰值点。

上述实施方式中，针对光照强度信号中干涉位置附近的噪声峰值点进一步进行剔除；对与眼球眼表和眼底对应的两个干涉信号附近存在的峰值点进行剔除，减少后续眼轴长计算被误判为干涉信号的峰值点的数量，通过S30中的递推式平滑滤波处理，可以对光照强度信号的大部分噪声进行过滤，但是针对有效信号点(干涉信号)的周围的误差点往往无法有效剔除，因此通过峰值点校正，对有效信号附近的误差峰值点进行进一步剔除，间接提高了针对光照强度信号的滤波性能。

S60根据滤波后的光照强度信号计算眼轴长度。

在一种实施方式中，步骤S60中，根据滤波后的光照强度信号，包括：

根据滤波后的光照强度信号的峰值点坐标位置获取相应的信号长度信息，并根据获取的信号长度信息计算眼轴长度。

在一种实施方式中，以步骤S50中剩余的被标定的峰值点为基础，根据设定的眼轴长理论范围，结合峰值点的幅值，从中获取光照强度信号中(两个)干涉信号对应的峰值点坐标位置，并进一步根据该干涉信号对应峰值点坐标间距计算眼轴长度。

在一种场景中，由于步骤S50中，针对干涉信号附近的峰值点，仅保留了幅值最高的峰值点，其余幅值较小的峰值点由于在幅值最大的峰值点的影响下被剔除了。因此在获取对应眼表和眼底的干涉信号时，设定信号幅值大于一定比例或者一定值，且两个获取的峰值点之间的距离在根据人眼轴长理论范围内作为筛选条件，能够准确获取干涉信号准确的位置。

在一种场景中，光照强度信号的横坐标对应参考臂的位移信息，通过获取滤波后的光照强度信号的峰值点获取信号中发生干涉信号的位置，根据峰值点的坐标间距乘以眼部结构的折射率，得到眼轴长度。

在一种实施方式中，作为参考，针对上述提供的自适应信号降噪眼轴长测量方法，其中设定光照强度信号的采样频率为：2MHz、参考臂的移动速度为：0.110736m/s、即相邻信号采样点之间的时间间距信息为：0.5μs；设定滤波处理窗口的宽度为：10；设定的标准差判断阈值为：4.0。

基于上述自适应信号降噪眼轴长测量方法，还提出一种自适应信号降噪眼轴长测量装置，包括检测模块、接收模块和数据处理模块；其中，

检测模块包括泰曼格林干涉系统，其中该泰曼格林干涉系统中设置APD采集光照强度信号；用于采集光照强度信号；其中光照强度信号的横坐标与泰曼格林干涉系统中的参考臂移动距离相对应，纵坐标表示信号的光照强度大小；

接收模块用于接收基于泰曼格林干涉系统获取的光照强度信号；

数据处理模块用于执行上述自适应信号降噪眼轴长测量方法中任一种实施方式提供的自适应信号降噪眼轴长测量方法，输出眼轴长测量结果。

在一种实施方式中，检测模块采用泰曼格林干涉仪，其中以APD作为接收器采集光照强度信号。

在一种实施方式中，检测模块也可以采用本申请提出的一种基于泰曼格林干涉系统的检测装置，其中该检测装置的光路原理图如图2所示；

目镜4用于对准用户眼球部，激光发射器7发射激光至第二角堆棱镜11上，第二角堆棱镜11上分出激光A和激光B，激光B到达第一角堆棱镜10后，第一角堆棱镜10将激光B进行校正和反射，激光B从第一角堆棱镜10反射回第二角堆棱镜11上与激光A汇聚后成为激光C，激光C从第二角堆棱镜11反射至第一分光棱镜2上，第一分光棱镜2把激光C分成激光D和激光E，激光D反射至用户眼球表面，激光E反射至第二分光棱镜3后分成激光F和激光G，激光F经过反光镜5后到达红外摄像头6，红外摄像头6用于观察激光D打到眼球表面后反射点的位置，以便调整设备使激光D打到眼球瞳孔中心位置，激光G反射至APD16；通过APD采集光照强度信号并发送到数据处理模块。

同时结合该装置的光学原理，本申请还提出一种检测装置的具体结构，如图3、4所示，其包括底座1，底座1上设置有均用于折射、分散激光的第一分光棱镜2和第二角堆棱镜11；

底座1还设有用于发射激光的激光发射器7、用于获取位移数据的磁栅尺8、用于接收激光能量数据的APD16以及用于带动第一角堆棱镜10的移动组件；

移动组件和第一角堆棱镜10连接，组成泰曼格林干涉系统中的参考臂部分；

一种可选的实施方式中，移动组件包括滑板17、支撑板18以及第一固定板19，支撑板 18上设置有驱动电机12，齿轮套设在驱动电机12输出轴上，滑板17下端面和底座1滑动连接，滑板17侧壁设置有齿条13，齿条13和齿轮啮合；

滑板17上还垂直设置第一角堆棱镜10和位置控制挡片14；

第一固定板19和底座1相互垂直，第一固定板19设置有两个，第一固定板19上设置有光电开关15，光电开关15上设置有可容纳位置控制挡片14的凹槽，两个凹槽和位置控制挡片14沿滑板17滑动方向呈同一直线排列，两个光电开关15均和驱动电机12电连接。

其中底座1上还设有目镜4、反光镜5以及红外摄像头6，其中目镜4组成泰曼格林干涉系统的测量臂(样本臂)部分；

激光发射器7的发射头朝向第二角堆棱镜11；

第一角堆棱镜10和第二角堆棱镜11相对设置且位于同一水平面；

第二角堆棱镜11和第一分光棱镜2相对设置且位于同一水平面；

第一分光棱镜2和目镜4相对设置且位于同一水平面；

第二分光棱镜3设置在第一分光棱镜2上方；

反光镜5设置在第二分光棱镜3上方；

红外摄像头6和反光镜5相对设置且位于同一水平面，红外摄像头6的镜头朝向反光镜 5；

APD16和第二分光棱镜3相对设置。

该检测装置的测量过程为：驱动电机12上的输出轴带动齿轮转动，齿轮的转动带动转动齿条13的移动，从而使滑板17和位置控制挡片14发生位移，当位置控制挡片14移动到其中一个光电开关15的凹槽中时，光电开关15检测到凹槽内发出的光被位置控制挡片14遮挡，此时光电开关15控制驱动电机12反转，当位置控制挡片14移动到另一个光电开关15时，运用同样的原理使驱动电机12停止运行；通过上述方法实现第一角堆棱镜10的移动，通过第一角堆棱镜10的移动可以使APD16获取到眼球不同位置反射出的激光G强度信号，APD16 通过串口通信把获取的每个时刻(位置)的激光G强度信号发送至数据处理模块，通过上述提出的自适应信号降噪眼轴长测量方法计算出眼轴长度。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当分析，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。