[發(fā)明專(zhuān)利]一種基于壓縮感知的日像儀對(duì)日成像方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310247970.7
• 申請(qǐng)日: 2013-06-20
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103473795A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-12-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王書(shū)振;王蘭美;李亞超;張小平
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 西安電子科技大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G06T11/00
• 分類(lèi)號(hào): G06T11/00;H03M7/40
• 代理公司: 陜西電子工業(yè)專(zhuān)利中心 61205
• 代理人: 王品華;朱紅星

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于天文觀測(cè)儀器設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體涉及一種基于壓縮感知的日像儀對(duì)日成像方法。

背景技術(shù)

1932年央斯基(Jansky?KG)用無(wú)線電天線探測(cè)到來(lái)自銀河系中心的射電輻射，這標(biāo)志著人類(lèi)打開(kāi)了在傳統(tǒng)光學(xué)波段之外進(jìn)行觀測(cè)的第一個(gè)窗口，從此開(kāi)創(chuàng)了射電天文學(xué)。

射電天文的觀測(cè)儀器統(tǒng)稱(chēng)為射電望遠(yuǎn)鏡，專(zhuān)門(mén)用于太陽(yáng)觀測(cè)的射電望遠(yuǎn)鏡稱(chēng)為太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡，簡(jiǎn)稱(chēng)日像儀。

日像儀是對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行射電成像的大規(guī)模天線陣。任意相隔一定距離的兩面天線構(gòu)成一對(duì)相關(guān)干涉儀，從而可以采集到太陽(yáng)圖像域上的一對(duì)共軛點(diǎn)數(shù)據(jù)。當(dāng)由m面天線構(gòu)成天線陣時(shí)，不同間距的天線構(gòu)成的m(m-1)/2對(duì)干涉儀可以采集到m(m-1)/2對(duì)共軛點(diǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)這些有限的寶貴的數(shù)據(jù)采用某種圖像重建算法即可得到太陽(yáng)的亮度分布，即太陽(yáng)圖像。

現(xiàn)有的日像儀研制過(guò)程中均依據(jù)Nyquist采樣理論，如密云綜合孔徑28x9米望遠(yuǎn)鏡、青海德令哈13.7米毫米波望遠(yuǎn)鏡、上海佘山25米射電望遠(yuǎn)和烏魯木齊南山25米射電望遠(yuǎn)鏡。

基于Nyquist采樣理論的日像儀中的每面天線因?yàn)椴杉降氖翘?yáng)圖像域的原始數(shù)據(jù)而非壓縮數(shù)據(jù)，故數(shù)據(jù)的利用率較低，重建算法雖然可以在一定程度上提升圖像質(zhì)量，但要獲得高分辨率的太陽(yáng)圖像，則需要大量的采樣點(diǎn)進(jìn)而需要大量的天線單元來(lái)對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行采樣。

在壓縮感知理論中，信號(hào)的采樣和壓縮同時(shí)以低速率進(jìn)行，而將信號(hào)的重建過(guò)程轉(zhuǎn)化為優(yōu)化求解的過(guò)程．從理論上講任何信號(hào)都具有可壓縮性，只要能找到其相應(yīng)的變換基函數(shù)，就可以有效地進(jìn)行壓縮，這一理論自誕生之日就有著極強(qiáng)的生命力，已經(jīng)對(duì)信號(hào)處理、理論數(shù)學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、信息論、概率論、電子工程等諸多領(lǐng)域產(chǎn)生了重要影響。

截至目前，關(guān)于壓縮感知的研究已經(jīng)十分豐富，關(guān)于日像儀的研究則少之又少，國(guó)內(nèi)僅有二十篇左右的論文，所做研究基本上全部是基于Nyquist采樣理論。關(guān)于日像儀方面的專(zhuān)利尚不能檢索到一項(xiàng)。將壓縮感知理論應(yīng)用于日像儀研制，國(guó)外尚未有任何文獻(xiàn)闡述，國(guó)內(nèi)只有筆者寫(xiě)過(guò)一篇《壓縮感知框架下的太陽(yáng)圖像重建方法》（西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2013年第1期，76-80）的文章，但該文僅僅論述了太陽(yáng)圖像的數(shù)據(jù)后處理，而不是對(duì)日像儀的系統(tǒng)研究，即不包括天線單元設(shè)計(jì)與天線陣列拓?fù)湓O(shè)計(jì)。

日像儀的本質(zhì)目的是對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行射電成像，基于壓縮感知的日像儀首先對(duì)太陽(yáng)圖像進(jìn)行某種域上的壓縮或變換，然后對(duì)壓縮后的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，最后利用優(yōu)化算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行太陽(yáng)圖像重建。基于壓縮感知的日像儀成像原理和基于Nyquist采樣理論的日像儀成像原理主要區(qū)別如圖1所示。

由于基于壓縮感知的日像儀可以依據(jù)少量采集點(diǎn)即可恢復(fù)出太陽(yáng)圖像，這有效降低了天線陣天線單元的數(shù)目。換言之，依據(jù)相同數(shù)目的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，則可以獲得更高質(zhì)量的太陽(yáng)圖像。另外，由于日像儀每毫秒成一次像，每天會(huì)產(chǎn)生數(shù)T的數(shù)據(jù)，大量的數(shù)據(jù)對(duì)存儲(chǔ)提出了較高要求。基于壓縮感知的日像儀由于采集到的是壓縮后的數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面較之于基于Nyquist采樣理論的日像儀具有明顯優(yōu)勢(shì)。

發(fā)明內(nèi)容

基于Nyquist采樣理論的日像儀因?qū)μ?yáng)原始信號(hào)進(jìn)行采樣，數(shù)據(jù)利用率低，進(jìn)而影響了日像儀成像質(zhì)量并對(duì)存儲(chǔ)造成了一定的負(fù)擔(dān)，本發(fā)明的目的是為了解決日像儀在研制和運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的上述問(wèn)題，提出一種基于壓縮感知的日像儀對(duì)日成像方法。該方法每個(gè)天線采集到的是太陽(yáng)圖像經(jīng)過(guò)某種壓縮后的數(shù)據(jù)，通過(guò)優(yōu)化算法對(duì)這些采樣的壓縮數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像重建，最終得到太陽(yáng)圖像。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出的基于壓縮感知理論的日像儀對(duì)日成像方法是通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

步驟一：以變換后盡可能稀疏為原則，確定太陽(yáng)圖像變換基函數(shù)；

為了實(shí)現(xiàn)采集到的數(shù)據(jù)是太陽(yáng)圖像經(jīng)過(guò)某種壓縮后的數(shù)據(jù)的目的，需要對(duì)太陽(yáng)圖像進(jìn)行壓縮，即對(duì)太陽(yáng)信號(hào)進(jìn)行稀疏表示，也就是將太陽(yáng)圖像表示成基函數(shù)的加權(quán)和。每個(gè)權(quán)重系數(shù)代表的含義為太陽(yáng)信號(hào)包含對(duì)應(yīng)基函數(shù)的數(shù)量。太陽(yáng)圖像經(jīng)過(guò)稀疏表示后變成一組大部分為接近零的權(quán)重系數(shù)。日像儀天線陣只需采集權(quán)重系數(shù)比較大的值即可，從而實(shí)現(xiàn)采樣點(diǎn)數(shù)目的下降，即天線單元數(shù)目的降低。

步驟二：依據(jù)變換基函數(shù)設(shè)計(jì)天線陣天線單元；