[發明專利]稀疏光譜的壓縮感知重構系統及其方法

有效

• 申請號: 201710627232.3
• 申請日: 2017-07-28
• 公開（公告）號: CN107389192B
• 公開（公告）日: 2018-12-25
• 發明（設計）人: 楊春勇;劉李興;王潤雨;陳考銘;鄧陽;倪文軍
• 申請（專利權）人: 中南民族大學
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28
• 代理公司: 武漢宇晨專利事務所 42001
• 代理人: 黃瑞棠

本發明公開了一種稀疏光譜的壓縮感知重構系統及其方法，涉及光譜測量技術。本系統是：光學單元（10）、電路調理單元（20）、數據處理單元（30）、傳輸單元（40）和上位機（50）依次相連；數據處理單元（30）與光學單元（10）連接。本方法是：①SAMP壓縮感知重構算法的選取及參數優化；②部分阿達瑪矩陣調制模板生成及DMD控制；③數據稀疏化處理。本發明能夠降低光譜生成代價，減少數據的采樣時間和存儲空間；簡化系統設計的復雜度，降低系統設計的成本；應用無線傳輸網絡傳送采樣數據實現實時處理，提高工作效率。提高工作效率。

技術領域

本發明涉及光譜測量技術，尤其涉及一種稀疏光譜的壓縮感知重構系統及其方法。

背景技術

以奈奎斯特采樣定律為框架的常規光譜儀可以實現高光通量、高分辨率等目標，但在采樣時存在數據冗余的問題，需要耗費大量的采樣時間和存儲空間；同時為了獲取足夠多的信息，要求的采樣速度和處理速度也越來越高。而壓縮感知能夠較好地彌補奈奎斯特采樣定律的缺陷，可為現有光譜儀的研制注入新的活力，并已受到不同領域的廣泛關注。2004年，美國Stanford大學的Donoho和Candes等人首次提出了壓縮感知理論，證明具有稀疏性或可壓縮性的有限維信號，可以通過少量的線性的、非自適應的測量中精確恢復出原來的信號。D.Takhar和J.Lakhar等人研發的單像素數碼照相機，利用數字微鏡器件(Digital Micro-mirror Device，DMD)，通過單個探測元件的采樣值，只需較小規模的測量代價即可重構出原始圖像。基于壓縮感知，Bhattacharya等人改進了合成孔徑雷達成像的方法，在進一步的理論和仿真實驗中，證明了壓縮感知理論應用于實際系統的可行性。壓縮感知理論和磁共振成像相結合，彌補了磁共振成像在成像時間較長的不足，可以大大加快成像速度，縮短掃描時間，進一步推動了生物醫學的發展。

綜合來看，國內外在壓縮感知上的研究已經取得眾多成果，但目前還未見壓縮感知應用于光譜測量技術領域。該技術可較大程度地減少常規光譜儀在還原稀疏光譜過程中的冗余信息。

發明內容

本發明的目的是針對傳統光譜儀在稀疏光譜的還原過程中存在采樣數據冗余、采樣周期長和浪費存儲資源等一系列問題，提供一種稀疏光譜的壓縮感知重構系統及其方法，從而實現以較小規模的測量代價利用壓縮感知重構出光譜。

本發明的設計思路是：

根據壓縮感知理論，壓縮感知完成光譜信號的重構有兩個重要步驟，即重構算法的選取和數據的壓縮感知采樣。對于數據的壓縮感知采樣，通常采用測量矩陣與目標信號乘積的方式間接地獲取采樣值，因此需要選取合適的測量矩陣以提高光譜信號的重構性能。同時，本發明選取稀疏度自適應匹配追蹤算法(Sparsity Adaptive MatchingPursuit，SAMP)作為重構算法完成對光譜信號重構。

本發明設計光譜壓縮重構系統對光信號進行處理。光譜壓縮重構系統包括光學單元、電路調理單元、數據處理單元、傳輸單元、上位機和電源，光學單元以DMD為核心，將DMD作為空間光調制器，完成對光信號的調制，調制后的光信號通過后續光路，被單點探測器接收。此外，由于單點探測器輸出的電信號極其微弱且存在噪聲的干擾，如果直接對其進行采集可能存在誤差，為了提高采樣的精度，本文設計了電路調理單元，完成對電信號的處理。最后，將經數據處理單元采樣后的數據，通過傳輸單元發送至上位機進行數據處理。

具體地說：

一、稀疏光譜的壓縮感知重構系統(簡稱系統)

本系統包括光學單元、電路調理單元、數據處理單元、傳輸單元、上位機和電源；

其連接關系是：

光學單元、電路調理單元、數據處理單元、傳輸單元和上位機依次連接，實現光譜實時測量；

數據處理單元與光學單元連接，控制DMD工作；