压缩感知在超灵敏时间分辨成像光谱中的应用
发布时间：2021-04-14 17:27
时间分辨成像光谱是生物荧光显微成像、蛋白质结构分析、材料分析、环境监测、天文观测、遥感等领域的研究前沿与热点之一,而传统的时间分辨成像光谱仪器通常无法同时获取图像和光谱,往往需要利用点扫描方式获取一维光谱或二维图像,然后通过阵列探测方式获取余下的二维图像或一维光谱,这将无法避免光通量在维度上的分配,导致系统灵敏度的下降,而扫描时间还将牺牲时间分辨率。因而本文的研究重点在于如何利用新原理新方法来解决上述维度问题和灵敏度问题。近年来,压缩感知CS理论引起越来越多的关注。该理论指出,自然信号通常具有一定结构,有些本身具有稀疏性,而有些可在某个确定的基下稀疏表示,仅用较大系数的值和位置便能简洁地表征信号的所有信息,然后对其进行少量非适应性的线性测量,通过凸规划就能近乎完美恢复出原始信号,打破了Nyquist-Shannon采样定理的限制,引发了诸多应用。其中一个典型的应用为单像素照相机,其借鉴了计算成像中高通量测量的思想,将物体成像在数字微镜器件DMD上,DMD对所成的像进行少量的随机0-1掩膜调制,每次调制选择图像部分的像素点,利用收集透镜将把这些像素点的光强聚合到一个点探测器上,大幅增加光...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)北京市
【文章页数】：237 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 引言
1.1 信号获取
1.1.1 信号的采样
1.1.2 信号的稀疏度
1.1.3 压缩感知的发展历史及其应用
1.2 关键技术简介与科学问题的提出
1.2.1 传统时间分辨成像光谱技术简介
1.2.2 单像素照相机的发展历程简介
1.2.3 单光子探测器和计数方法简介
1.2.4 科学问题的提出
1.3 超灵敏单光子时间分辨成像光谱技术的引出
1.3.1 超灵敏概念
1.3.2 超灵敏单光子计数成像
1.3.3 超灵敏单光子计数光谱
1.3.4 超灵敏单光子成像光谱
1.3.5 超灵敏单光子时间分辨成像光谱
1.4 本论文的主要研究工作
第二章 压缩感知理论及其算法概述
2.1 稀疏变换
2.2 单值性评估
2.2.1 基于Spark的单值性评估
2.2.2 基于互相关性的单值性评估
2.2.3 Spark的上下界的松弛
2.3 测量矩阵的选取准则UUP/RIP
2.4 重建算法
2.4.1 贪婪算法
2.4.2 L1松弛算法
2.4.3 全变分算法
2.5 压缩感知算法在图像去模糊去噪中的应用
2.6 小结
第三章 超灵敏单光子计数成像
3.1 单光子计数成像
3.1.1 原理实验及实验结果
3.2 性能分析
3.2.1 测量数对成像质量的影响
3.2.2 光强极弱程度对成像质量的影响
3.2.3 测量时间对成像质量的影响
3.3 单光子压缩成像相比于点扫描存在的超灵敏优势
3.4 展望超灵敏单光子计数成像在天文观测中的应用
3.4.1 DMD双臂的可见光和近红外光同时天文测量
3.4.2 SNR问题以及衰减总光强使信号接近噪声水平的问题
3.4.3 亮暗星相差量级对暗星分辨的影响问题
3.4.4 星等与光通量之间的换算
3.5 小结
第四章 成像系统中存在的噪声问题及其去除方法研究
4.1 系统噪声组成分析
4.2 单光子压缩成像与点扫描的散粒噪声分析
4.3 测量矩阵非负性和光子噪声
4.4 基于互补双像素测量的综合噪声去除
4.4.1 望远系统中的互补压缩成像
4.5 基于DMD互补调制的综合噪声去除
4.5.1 基于压缩感知和互补调制的单像素显微
4.5.2 基于互补调制的单像素压缩反射物体三维成像
4.5.3 基于互补调制的热光压缩运动目标跟踪
4.6 测量噪声补偿
4.7 小结
第五章 噪声的潜在应用
5.1 基于超灵敏单光子计数成像系统的公网密钥分发
5.1.1 多方安全通信中的单点对多点公网密钥分发协议
5.1.2 公网密钥分发实验和相关结果
5.1.3 安全性分析
5.2 利用统计特性解释正负鬼成像与基于Pearson相关系数的鬼成像
5.2.1 正负鬼成像与相关系数成像的光学实验
5.2.2 正负鬼成像的数学统计解释
5.2.3 基于Pearson相关系数的鬼成像的统计数学解释
5.3 小结
第六章 超灵敏单光子成像光谱
6.1 基于线阵探测器的压缩成像光谱
6.2 基于双DMD调制的超灵敏单光子成像光谱
6.2.1 双DMD超灵敏单光子成像光谱实验与收光效率分析
6.2.2 成像光谱同时测量的初步结果
6.2.3 性能分析
6.3 小结
第七章 超灵敏单光子时间分辨成像光谱
7.1 基于线阵探测器和单DMD调制的单光子时间分辨成像光谱
7.2 基于双DMD调制的超灵敏单光子时间分辨成像光谱
7.2.1 对非周期变化的长时间序列物体的时间分辨策略
7.2.2 对周期变化荧光物体的基于等时间间隔测量的时间分辨策略
7.2.3 对周期变化荧光物体的基于门宽延迟的时间分辨策略
7.2.4 对周期变化荧光物体的基于光子到达时间的时间分辨策略
7.2.5 时间分辨成像光谱原理
7.3 小结
第八章 压缩感知算法重建
8.1 大图重建面临的内存存储问题
8.2 压缩感知算法计算复杂度
8.3 测量矩阵构造
8.3.1 稀疏测量矩阵
8.3.2 基于Hadamard矩阵与排列矩阵的测量矩阵
8.4 基于小波树和稀疏表示的自适应压缩成像
8.4.1 自适应压缩成像和结果
8.4.2 结果分析
8.4.3 潜在应用
8.5 基于接受者操作特性曲线的算法评价体系
8.5.1 ROC分析理论
8.5.2 基于DMD的计算鬼成像实验与常见算法简述
8.5.3 不同重建算法的性能评估
8.6 小结
第九章 总结与展望
附录A 基础知识和公式
A.1 图像质量评价
A.1.1 Mean Square Error （MSE）
A.1.2 Peak Signal-to-Noise Ratio （PSNR）
A.1.3 Signal-to-Noise Ratio of the Image （SNRImage）
A.1.4 Contrast-to-Noise Ratio （CNR）
A.1.5 Mean Structural Similarity （MSSIM）
参考文献
发表文章目录
申请专利目录
简历
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]Ghost imaging based on Pearson correlation coefficients[J]. 俞文凯,姚旭日,刘雪峰,李龙珍,翟光杰. Chinese Physics B. 2015(05)
[2]压缩传感用于极弱光计数成像[J]. 俞文凯,姚旭日,刘雪峰,翟光杰,赵清. 光学精密工程. 2012(10)
[3]基于压缩传感的光子计数成像系统[J]. 杜克铭,蒋远大,陈颖,王迪,王超,孙志斌,翟光杰. 红外与激光工程. 2012(02)
[4]基于数字微镜器件的压缩感知关联成像研究[J]. 陆明海,沈夏,韩申生. 光学学报. 2011(07)
[5]NAOC 1m反射望远镜CCD相机的性能研究（英文）[J]. 姚保安,王叔和,唐正宏. 中国科学院上海天文台年刊. 2007(00)
[6]上海台1.56m望远镜新CCD照相机系统[J]. 陶隽,俞健,钱伯辰,邵松臣,梁兆刚,潘红鉴,曹凯,戴元龙. 中国科学院上海天文台年刊. 2003(00)
本文编号：3137719
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)北京市
【文章页数】：237 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 引言
1.1 信号获取
1.1.1 信号的采样
1.1.2 信号的稀疏度
1.1.3 压缩感知的发展历史及其应用
1.2 关键技术简介与科学问题的提出
1.2.1 传统时间分辨成像光谱技术简介
1.2.2 单像素照相机的发展历程简介
1.2.3 单光子探测器和计数方法简介
1.2.4 科学问题的提出
1.3 超灵敏单光子时间分辨成像光谱技术的引出
1.3.1 超灵敏概念
1.3.2 超灵敏单光子计数成像
1.3.3 超灵敏单光子计数光谱
1.3.4 超灵敏单光子成像光谱
1.3.5 超灵敏单光子时间分辨成像光谱
1.4 本论文的主要研究工作
第二章 压缩感知理论及其算法概述
2.1 稀疏变换
2.2 单值性评估
2.2.1 基于Spark的单值性评估
2.2.2 基于互相关性的单值性评估
2.2.3 Spark的上下界的松弛
2.3 测量矩阵的选取准则UUP/RIP
2.4 重建算法
2.4.1 贪婪算法
2.4.2 L1松弛算法
2.4.3 全变分算法
2.5 压缩感知算法在图像去模糊去噪中的应用
2.6 小结
第三章 超灵敏单光子计数成像
3.1 单光子计数成像
3.1.1 原理实验及实验结果
3.2 性能分析
3.2.1 测量数对成像质量的影响
3.2.2 光强极弱程度对成像质量的影响
3.2.3 测量时间对成像质量的影响
3.3 单光子压缩成像相比于点扫描存在的超灵敏优势
3.4 展望超灵敏单光子计数成像在天文观测中的应用
3.4.1 DMD双臂的可见光和近红外光同时天文测量
3.4.2 SNR问题以及衰减总光强使信号接近噪声水平的问题
3.4.3 亮暗星相差量级对暗星分辨的影响问题
3.4.4 星等与光通量之间的换算
3.5 小结
第四章 成像系统中存在的噪声问题及其去除方法研究
4.1 系统噪声组成分析
4.2 单光子压缩成像与点扫描的散粒噪声分析
4.3 测量矩阵非负性和光子噪声
4.4 基于互补双像素测量的综合噪声去除
4.4.1 望远系统中的互补压缩成像
4.5 基于DMD互补调制的综合噪声去除
4.5.1 基于压缩感知和互补调制的单像素显微
4.5.2 基于互补调制的单像素压缩反射物体三维成像
4.5.3 基于互补调制的热光压缩运动目标跟踪
4.6 测量噪声补偿
4.7 小结
第五章 噪声的潜在应用
5.1 基于超灵敏单光子计数成像系统的公网密钥分发
5.1.1 多方安全通信中的单点对多点公网密钥分发协议
5.1.2 公网密钥分发实验和相关结果
5.1.3 安全性分析
5.2 利用统计特性解释正负鬼成像与基于Pearson相关系数的鬼成像
5.2.1 正负鬼成像与相关系数成像的光学实验
5.2.2 正负鬼成像的数学统计解释
5.2.3 基于Pearson相关系数的鬼成像的统计数学解释
5.3 小结
第六章 超灵敏单光子成像光谱
6.1 基于线阵探测器的压缩成像光谱
6.2 基于双DMD调制的超灵敏单光子成像光谱
6.2.1 双DMD超灵敏单光子成像光谱实验与收光效率分析
6.2.2 成像光谱同时测量的初步结果
6.2.3 性能分析
6.3 小结
第七章 超灵敏单光子时间分辨成像光谱
7.1 基于线阵探测器和单DMD调制的单光子时间分辨成像光谱
7.2 基于双DMD调制的超灵敏单光子时间分辨成像光谱
7.2.1 对非周期变化的长时间序列物体的时间分辨策略
7.2.2 对周期变化荧光物体的基于等时间间隔测量的时间分辨策略
7.2.3 对周期变化荧光物体的基于门宽延迟的时间分辨策略
7.2.4 对周期变化荧光物体的基于光子到达时间的时间分辨策略
7.2.5 时间分辨成像光谱原理
7.3 小结
第八章 压缩感知算法重建
8.1 大图重建面临的内存存储问题
8.2 压缩感知算法计算复杂度
8.3 测量矩阵构造
8.3.1 稀疏测量矩阵
8.3.2 基于Hadamard矩阵与排列矩阵的测量矩阵
8.4 基于小波树和稀疏表示的自适应压缩成像
8.4.1 自适应压缩成像和结果
8.4.2 结果分析
8.4.3 潜在应用
8.5 基于接受者操作特性曲线的算法评价体系
8.5.1 ROC分析理论
8.5.2 基于DMD的计算鬼成像实验与常见算法简述
8.5.3 不同重建算法的性能评估
8.6 小结
第九章 总结与展望
附录A 基础知识和公式
A.1 图像质量评价
A.1.1 Mean Square Error （MSE）
A.1.2 Peak Signal-to-Noise Ratio （PSNR）
A.1.3 Signal-to-Noise Ratio of the Image （SNRImage）
A.1.4 Contrast-to-Noise Ratio （CNR）
A.1.5 Mean Structural Similarity （MSSIM）
参考文献
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简历
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]Ghost imaging based on Pearson correlation coefficients[J]. 俞文凯,姚旭日,刘雪峰,李龙珍,翟光杰. Chinese Physics B. 2015(05)
[2]压缩传感用于极弱光计数成像[J]. 俞文凯,姚旭日,刘雪峰,翟光杰,赵清. 光学精密工程. 2012(10)
[3]基于压缩传感的光子计数成像系统[J]. 杜克铭,蒋远大,陈颖,王迪,王超,孙志斌,翟光杰. 红外与激光工程. 2012(02)
[4]基于数字微镜器件的压缩感知关联成像研究[J]. 陆明海,沈夏,韩申生. 光学学报. 2011(07)
[5]NAOC 1m反射望远镜CCD相机的性能研究（英文）[J]. 姚保安,王叔和,唐正宏. 中国科学院上海天文台年刊. 2007(00)
[6]上海台1.56m望远镜新CCD照相机系统[J]. 陶隽,俞健,钱伯辰,邵松臣,梁兆刚,潘红鉴,曹凯,戴元龙. 中国科学院上海天文台年刊. 2003(00)
本文编号：3137719
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