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基于压缩感知的单光子计数光谱测量技术研究

发布时间:2017-07-16 15:26

  本文关键词:基于压缩感知的单光子计数光谱测量技术研究


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【摘要】:光谱仪是工业生产和科研领域最重要的分析仪器之一。随着科技的发展,光谱仪的应用领域不断拓展,弱光和红外等非常规的光谱测量需求越来越多。弱光光谱测量在天文、荧光、拉曼等领域具有重要的应用,例如高灵敏度的光谱设备可以观测到宇宙中更暗的天体。红外光谱测量的诸多应用中,最值得一提的是其在军事方面的应用价值,它特别适合于现代战争的夜视、烟雾、水下等复杂环境。常规可见光光谱测量一般采用CCD线阵探测器,但线阵模式不适合于弱光和红外光谱测量,弱光光谱测量所需要的高灵敏度探测器和红外光谱测量所需要的特殊材料探测器,其阵列制造技术不成熟,规模小且价格高,如果采用线阵光谱测量模式,在灵敏度、分辨率、成本等方面无法获得满意的性能指标。因此,在弱光和红外光谱测量方面,寻求一种新的光谱测量方法便具有极大的科学意义和应用价值。为了满足弱光和红外这些特殊场合下的光谱测量高灵敏、高分辨的需求,本文设计了一种基于压缩感知理论的单像素光谱测量架构,该架构的光信号探测采用单光子计数型单点PMT探测器,光谱带通过压缩调制和重建的方式获得,相较于以往的类似用途光谱仪产品,可以显著提高探测灵敏度和光谱分辨率。本文的主要研究内容包括以下几个方面:(1)将基于CCD的线阵光谱测量模式与基于PMT的扫描光谱测量模式进行实验比较,论证了单光子计数型PMT探测器在弱光条件下的灵敏度优势,以及由此带来的对光谱分辨率的提高。(2)研究压缩感知相关理论,针对压缩感知光谱测量的要求,利用仿真手段,对压缩感知应用所涉及的矩阵设计、算法选择和信号稀疏性进行研究。创新性的提出,从Hadamard矩阵中按一定规律抽取部分行构成局部Hadamard矩阵作为测量矩阵,相较于伪随机矩阵,局部Hadamard矩阵可以获得更佳的光谱重建质量。另外,还考查了采样率、噪声水平等对光谱重建质量的影响。最后,论证了单像素光谱仪相对于扫描光谱仪和Hadamar变换光谱仪,除了亚采样的优势外,还具有更好的信噪比特性。(3)构筑了基于压缩感知理论的单像素光谱仪实验系统,并根据线性光学元件的特点,提出了压缩光谱的互补测量技术。相对于以前的非负方式和均值减方法,互补测量方法在光谱重建质量方面有大幅度改善,并得出结论,对互补测量方法而言,30%的采样率是合适的。另外,用实验的方法,进一步论证了局部Hadamard测量矩阵相对于伪随机矩阵在压缩感知光谱测量方面的优势。(4)进行了单像素光谱仪实用化方面的研究工作,搭建了反射式单像素光谱仪实验系统。实际测量了系统的光谱分辨率,利用位置和幅度标准光源对光谱仪的位置和幅度进行了标定。最后利用单像素光谱仪实验系统测量了有色样品的光谱吸收率,并设计了辅助实验装置。本文设计的单像素光谱测量架构除了能够满足弱光和红外等特殊场合下的高灵敏、高分辨光谱测量的需求外,还具有亚采样、鲁棒性好、复杂度低等优点,有利于光谱设备的微型化、便携化,便于推广应用。
【关键词】:光谱仪 压缩感知 单像素 互补测量 标定
【学位授予单位】:中国科学院国家空间科学中心
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TH744.1
【目录】:
  • 摘要5-7
  • Abstract7-18
  • 第一章 绪论18-30
  • 1.1 研究背景与意义18-26
  • 1.2 本文的主要研究内容和创新点26-28
  • 1.3 论文结构28-30
  • 第二章 压缩感知理论及算法30-44
  • 2.1 压缩感知基本理论31-36
  • 2.1.1 一个例子31-33
  • 2.1.2 压缩采样与恢复33-36
  • 2.2 信号的稀疏变换36-38
  • 2.3 测量矩阵38-39
  • 2.4 压缩感知算法39-43
  • 2.4.1 凸优化算法40-41
  • 2.4.2 贪婪算法41
  • 2.4.3 全变分算法41-42
  • 2.4.4 其他类型算法42-43
  • 2.5 小结43-44
  • 第三章 单像素相机和超灵敏成像44-52
  • 3.1 单像素相机44-49
  • 3.1.1 单像素相机架构44-46
  • 3.1.2 图像的压缩采样与恢复过程46-47
  • 3.1.3 性能分析47-49
  • 3.2 超灵敏成像49-51
  • 3.3 小结51-52
  • 第四章 单光子扫描光谱测量  评估PMT探测器灵敏度特性52-64
  • 4.1 单光子探测技术介绍52-54
  • 4.2 基于CCD线阵的光谱测量54-58
  • 4.3 基于PMT和DMD的扫描光谱测量58-63
  • 4.4 小结63-64
  • 第五章 单像素光谱仪和压缩感知光谱应用的关键技术64-88
  • 5.1 单像素光谱仪64-67
  • 5.1.1 单像素光谱仪架构64
  • 5.1.2 压缩感知光谱测量过程64-66
  • 5.1.3 单像素光谱仪的特点66-67
  • 5.2 光谱压缩测量的关键技术67-85
  • 5.2.1 测量矩阵的设计67-77
  • 5.2.2 压缩感知算法的选择77-81
  • 5.2.3 稀疏度对重建质量的影响81-83
  • 5.2.4 采样率对光谱质量的影响83-85
  • 5.3 单像素光谱仪与其它色散型光谱仪的性能对比85-87
  • 5.4 小结87-88
  • 第六章 互补压缩光谱测量技术及性能优势88-100
  • 6.1 互补压缩测量技术88-90
  • 6.2 互补测量的原理90-91
  • 6.3 光谱的压缩互补测量91-96
  • 6.4 局部hadamard测量矩阵与随机矩阵的实验对比96-97
  • 6.5 压缩光谱测量相对于扫描光谱测量的优势97-98
  • 6.6 小结98-100
  • 第七章 单像素光谱仪的实用化研究及应用100-116
  • 7.1 反射式单像素光谱仪系统101-104
  • 7.2 光谱分辨率104-106
  • 7.2.1 光谱分辨率的理论计算104
  • 7.2.2 光谱分辨率的测量104-106
  • 7.3 光谱的位置标定106-108
  • 7.4 光谱的幅度标定108-111
  • 7.5 光谱仪应用实例  测量样品的光谱吸收率111-115
  • 7.6 小结115-116
  • 第八章 总结与展望116-118
  • 参考文献118-130
  • 发表文章目录130-132
  • 简历132-134
  • 致谢134-135

【参考文献】

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1 龚思夏;基于APD的光子计数成像系统研究与设计[D];南京理工大学;2011年



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