Fienup Algorithm With Sparsity Constraints: Application to Frequency-Domain Optical-Coherence Tomography

算法 相位恢复 频域 迭代重建 计算机科学 信号重构 傅里叶变换 数学 信号处理 人工智能 数字信号处理 计算机视觉 数学分析 计算机硬件
作者
Subhadip Mukherjee,Chandra Sekhar Seelamantula
出处
期刊:IEEE Transactions on Signal Processing [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:62 (18): 4659-4672 被引量:52
标识
DOI:10.1109/tsp.2014.2338832
摘要

We address the problem of reconstructing a sparse signal from its DFT magnitude. We refer to this problem as the sparse phase retrieval (SPR) problem, which finds applications in tomography, digital holography, electron microscopy, etc. We develop a Fienup-type iterative algorithm, referred to as the Max- K algorithm, to enforce sparsity and successively refine the estimate of phase. We show that the Max- K algorithm possesses Cauchy convergence properties under certain conditions, that is, the MSE of reconstruction does not increase with iterations. We also formulate the problem of SPR as a feasibility problem, where the goal is to find a signal that is sparse in a known basis and whose Fourier transform magnitude is consistent with the measurement. Subsequently, we interpret the Max- K algorithm as alternating projections onto the object-domain and measurement-domain constraint sets and generalize it to a parameterized relaxation, known as the relaxed averaged alternating reflections (RAAR) algorithm. On the application front, we work with measurements acquired using a frequency-domain optical-coherence tomography (FDOCT) experimental setup. Experimental results on measured data show that the proposed algorithms exhibit good reconstruction performance compared with the direct inversion technique, homomorphic technique, and the classical Fienup algorithm without sparsity constraint; specifically, the autocorrelation artifacts and background noise are suppressed to a significant extent. We also demonstrate that the RAAR algorithm offers a broader framework for FDOCT reconstruction, of which the direct inversion technique and the proposed Max- K algorithm become special instances corresponding to specific values of the relaxation parameter.

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