基于DMD的编码孔径成像光谱仪关键技术研究

发布时间：2017-10-11 21:08

  本文关键词：基于DMD的编码孔径成像光谱仪关键技术研究

  更多相关文章： 编码孔径 信噪比 图谱混叠分析 编码矩阵设计 硬件加速

【摘要】：编码孔径成像光谱技术不同于传统的光机扫描式、推扫式成像光谱技术,它利用多通道的优势来增大光通量,能够在保证高光谱分辨率的前提下提高探测灵敏度和系统信噪比,是成像光谱领域发展的重要方向。本文围绕基于数字微镜器件的编码孔径成像光谱系统的关键技术展开研究,主要研究内容包括以下方面:(1)通过光学系统结构仿真建模完成了基于光线追迹的数字微镜器件表面图谱混叠分析。结合建模统计结果分析了谱线弯曲等畸变偏差的影响,提出2?2微镜单元拼接的方法来进行修正,并计算得到修正后的系统光谱分辨率。借助理论落点分布和高光谱图像数据源合成了图谱混叠仿真图像,详尽阐释了编码孔径成像光谱系统由混叠中重构恢复的工作机理。(2)在深入研究了单矩阵编码的基础上,将HN+/HN-双矩阵编码设计借鉴应用到编码孔径成像光谱系统中,并推导得到其平均均方误差性能公式。通过对系统各类噪声分析后发现HN+/HN-双矩阵设计具备比现有编码矩阵更优的信噪比性能表现。结合数字微镜器件的结构特点,本文提出了一种兼顾实时性和信噪比的编码矩阵设计方法,其中包括SN单矩阵和HN+/HN-双矩阵相结合的双模式编码方法,与共享复原处理资源的快速解码算法。通过空间维编解码仿真实验验证了新方法的信噪比和实时性优势。(3)完成了基于数字微镜器件的编码孔径成像光谱仪样机总体方案设计,并给出了电子学系统各组成部分的详细设计,解决了异步信号跨时钟域处理、并串转换、数据传输通路设计与存储策略等重要技术问题,在此基础上完成了原理样机的搭建。通过加载显示实验验证了所设计驱动逻辑的正确性和数据传输通路的有效性,同时计算结果表明样机设计满足系统的数据采集实时性要求和编码模板数据存储要求。(4)针对编码孔径成像光谱系统的实时性能瓶颈,本文提出了一种基于硬件加速技术的光谱复原数据处理系统设计方法,其中包括异构多核架构下的高速总线传输设计,和流水线结构下的快速哈达玛变换算法设计。解码复原实验结果表明,本设计适用于新型嵌入式处理平台,能够显著提升系统整体的实时性能。
【关键词】：编码孔径 信噪比 图谱混叠分析 编码矩阵设计 硬件加速
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(上海技术物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP391.41;TH744.1
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 1 绪论11-23
• 1.1 成像光谱技术11-15
• 1.1.1 成像光谱技术的意义11-13
• 1.1.2 成像光谱技术的分类13-15
• 1.2 编码孔径成像光谱技术15-20
• 1.2.1 国内外发展情况15-19
• 1.2.2 编码孔径成像光谱系统的关键技术19-20
• 1.3 本文主要研究内容及章节安排20-23
• 2 编码孔径成像光谱技术理论分析与仿真研究23-51
• 2.1 成像方式与信噪比23-29
• 2.1.1 光机扫描式23-24
• 2.1.2 推扫式24-25
• 2.1.3 基于编码孔径的凝视成像式25-29
• 2.2 光学系统结构与关键元件29-37
• 2.2.1 光学系统结构29-30
• 2.2.2 衍射光栅30-31
• 2.2.3 DMD31-34
• 2.2.4 光学系统设计结果34-37
• 2.3 图谱混叠分析37-41
• 2.4 光谱分辨率与谱线弯曲41-45
• 2.5 光谱定标与模板定位45-50
• 2.6 本章小结50-51
• 3 编码矩阵设计与信噪比分析51-81
• 3.1 编码矩阵设计的优良性准则51-56
• 3.1.1 称重设计原理51-52
• 3.1.2 优良性准则52-54
• 3.1.3 二值化方案比较54-56
• 3.2 单矩阵编码56-63
• 3.2.1 对称设计矩阵56-59
• 3.2.2 最大行列式矩阵59-61
• 3.2.3 Hadamard派生矩阵61-63
• 3.3 双矩阵编码63-68
• 3.4 基于DMD结构特点的编码矩阵设计68-74
• 3.4.1 动态范围与编码通道数扩展68-70
• 3.4.2 快速Hadamard变换70-72
• 3.4.3 兼顾实时性和信噪比的编码矩阵设计72-74
• 3.5 空间维编解码仿真实验74-78
• 3.6 本章小结78-81
• 4 基于DMD的编码孔径成像光谱仪样机设计81-103
• 4.1 编码孔径成像光谱系统组成81-87
• 4.1.1 DMD驱动控制板82-83
• 4.1.2 上位机显控终端83-85
• 4.1.3 探测器模块85-87
• 4.1.4 光谱复原数据处理系统87
• 4.2 DMD驱动逻辑设计87-96
• 4.2.1 模块层次设计与行为描述87-90
• 4.2.2 逻辑设计要点与二值图像显示结果90-93
• 4.2.3 实时性分析与存储量计算93-96
• 4.3 定标模板数据传输通路设计96-100
• 4.3.1 USB接口96
• 4.3.2 存储器控制器接口96-98
• 4.3.3 数据传输通路设计98-100
• 4.4 样机成像实验100-101
• 4.5 本章小结101-103
• 5 实时光谱复原技术研究103-115
• 5.1 硬件加速技术103-104
• 5.2 MPSoC嵌入式处理平台104-106
• 5.2.1 嵌入式芯片比较104-105
• 5.2.2 Xilinx Zynq-7000 MPSoC105-106
• 5.3 光谱复原数据处理系统106-111
• 5.3.1 基于异构多核架构的高速总线传输106-108
• 5.3.2 基于FHT的解码复原设计108-111
• 5.4 硬件加速解码复原实验111-114
• 5.5 本章小结114-115
• 6 总结与展望115-117
• 6.1 总结115-116
• 6.2 展望116-117
• 参考文献117-123
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果123-124

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