基于压缩感知理论的单光子成像软件系统的设计与实现

发布时间：2020-07-26 23:32

【摘要】：在生命科学、能源科学以及化学等领域,研究快速反应过程中超短寿命、极弱光条件下物质的产生和变化过程有着非常重大的科学意义。然而由于其信号弱、寿命短、稳定性差、反应活性高等特点,需要单光子探测这种具有超高探测灵敏度的技术才能检测到其产生、衰减及变化机理过程。但是由于单光子探测器阵列的规模小并且价格太过于昂贵等缺陷,因此没有被广泛使用。而利用单点的单光子探测器,配合压缩感知采样算法原理,就能够同时解决探测灵敏度、阵列规模和成本问题,能够对极弱光条件下超短寿命的物质进行成像,在生命荧光成像、天文探测成像等领域有非常广阔的应用空间。本课题研究的单光子成像软件系统是单光子时间分辨成像光谱仪系统的核心部件之一。该系统首次采用时间分辨成像光谱技术,创新性的将单光子时间分辨技术和压缩感知原理相结合,从而可以在一次测量中同时获取成分、时间、空间和光谱等多个维度的信息,实现超灵敏和高分辨成像。论文工作在分析了单光子成像硬件系统控制、数据获取和数据处理需求的基础上,确定了软件架构和模块构成。基于单光子成像系统模块众多、外部接口复杂、数据采集量大、工作模式多、数据接口耦合性强和部分模块性能需求高等特点,自主设计一套支持多接口、易用、高性能、覆盖整个单光子成像实验流程的软件系统并成功地应用于“单光子时间分辨成像光谱仪”中。本软件系统中主要设计实现了分布式测量矩阵高速生成模块、DMD驱动控制模块、时间测量与数据分析模块、单光子探测计数模块和压缩感知算法包模块等。在软件设计过程中,针对高分辨测量矩阵生成速度慢的问题,引入了分布式计算技术,从而将768P分辨率100%采样率条件下的测量矩阵的生成时间缩短到45.19分钟;针对空间高频调制对噪声的敏感问题,首次在软件上实现了DMD的动态调频,大大提高了单光子成像质量;针对压缩感知实时成像速度问题,设计了多线程并发压缩感知实时成像算法,在64*64分辨率下达到了4.97Fps的实时成像速度。总之,本系统是一套支持单光子探测精度、具备皮秒时间分辨数据解析能力、最高768P成像分辨率、高性能、高可用的软件系统。在实验室条件下,对软件系统的功能和性能都进行了全面验证测试,实验表明基于压缩感知的单光子成像软件系统,可用性和易用性俱佳,完成了预期设定的功能和性能指标,取得了非常满意的单光子成像效果,为单光子时间分辨成像光谱仪设备的整机研制提供了有力支撑。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP311.52;O572.212
【图文】：

其光路和成像原理如下图2-1 所示，首先光源打在物体上，成像透镜将图像以合适的大小投射在 DMD 上，然后通过测量矩阵调制 DMD 使得其将图像的某些随机的部分反射到收集透镜上，收集透镜将光聚焦到一个单点探测器中，计数器或时间测量装置收集并记录数据[17]。最后通过压缩感知算法，根据已知的测量矩阵和单光子探测器的测量值，就可以解出原图。

图 2-1 单光子成像原理图2.1.2 单光子时间分辨成像光谱仪单光子时间分辨成像光谱仪是由中国科学院、南开大学等多家单位联合研制的新型仪器，首次采用了时间分辨成像光谱技术，创新性的将单光子时间分辨技术和压缩感知原理相结合，从而可以在一次测量中同时获取成分、时间、空间和光谱等多个维度的信息[1][3][4]。其整机原理框图如下图 2-1 所示。

系统需求分析一组微镜阵列，是压缩感知采样过程中的关键部件。DMD 控制模块软件的功能是提供驱动控制 DMD 硬件单元的参数配置入口，能够将测量矩阵数据下位机、实时监视调制工作状态和进行成像实验流程控制。所有的 DMD 参置信息通过软件界面注入，提供参数回读和状态提示功能，以确保实验的正行。

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本文编号：2771446