本文關(guān)鍵詞：基于壓縮感知的單光子計(jì)數(shù)光譜測(cè)量技術(shù)研究

  更多相關(guān)文章： 光譜儀 壓縮感知 單像素 互補(bǔ)測(cè)量 標(biāo)定

【摘要】：光譜儀是工業(yè)生產(chǎn)和科研領(lǐng)域最重要的分析儀器之一。隨著科技的發(fā)展,光譜儀的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展,弱光和紅外等非常規(guī)的光譜測(cè)量需求越來越多。弱光光譜測(cè)量在天文、熒光、拉曼等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用,例如高靈敏度的光譜設(shè)備可以觀測(cè)到宇宙中更暗的天體。紅外光譜測(cè)量的諸多應(yīng)用中,最值得一提的是其在軍事方面的應(yīng)用價(jià)值,它特別適合于現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的夜視、煙霧、水下等復(fù)雜環(huán)境。常規(guī)可見光光譜測(cè)量一般采用CCD線陣探測(cè)器,但線陣模式不適合于弱光和紅外光譜測(cè)量,弱光光譜測(cè)量所需要的高靈敏度探測(cè)器和紅外光譜測(cè)量所需要的特殊材料探測(cè)器,其陣列制造技術(shù)不成熟,規(guī)模小且價(jià)格高,如果采用線陣光譜測(cè)量模式,在靈敏度、分辨率、成本等方面無法獲得滿意的性能指標(biāo)。因此,在弱光和紅外光譜測(cè)量方面,尋求一種新的光譜測(cè)量方法便具有極大的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。為了滿足弱光和紅外這些特殊場(chǎng)合下的光譜測(cè)量高靈敏、高分辨的需求,本文設(shè)計(jì)了一種基于壓縮感知理論的單像素光譜測(cè)量架構(gòu),該架構(gòu)的光信號(hào)探測(cè)采用單光子計(jì)數(shù)型單點(diǎn)PMT探測(cè)器,光譜帶通過壓縮調(diào)制和重建的方式獲得,相較于以往的類似用途光譜儀產(chǎn)品,可以顯著提高探測(cè)靈敏度和光譜分辨率。本文的主要研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面:(1)將基于CCD的線陣光譜測(cè)量模式與基于PMT的掃描光譜測(cè)量模式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較,論證了單光子計(jì)數(shù)型PMT探測(cè)器在弱光條件下的靈敏度優(yōu)勢(shì),以及由此帶來的對(duì)光譜分辨率的提高。(2)研究壓縮感知相關(guān)理論,針對(duì)壓縮感知光譜測(cè)量的要求,利用仿真手段,對(duì)壓縮感知應(yīng)用所涉及的矩陣設(shè)計(jì)、算法選擇和信號(hào)稀疏性進(jìn)行研究。創(chuàng)新性的提出,從Hadamard矩陣中按一定規(guī)律抽取部分行構(gòu)成局部Hadamard矩陣作為測(cè)量矩陣,相較于偽隨機(jī)矩陣,局部Hadamard矩陣可以獲得更佳的光譜重建質(zhì)量。另外,還考查了采樣率、噪聲水平等對(duì)光譜重建質(zhì)量的影響。最后,論證了單像素光譜儀相對(duì)于掃描光譜儀和Hadamar變換光譜儀,除了亞采樣的優(yōu)勢(shì)外,還具有更好的信噪比特性。(3)構(gòu)筑了基于壓縮感知理論的單像素光譜儀實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),并根據(jù)線性光學(xué)元件的特點(diǎn),提出了壓縮光譜的互補(bǔ)測(cè)量技術(shù)。相對(duì)于以前的非負(fù)方式和均值減方法,互補(bǔ)測(cè)量方法在光譜重建質(zhì)量方面有大幅度改善,并得出結(jié)論,對(duì)互補(bǔ)測(cè)量方法而言,30%的采樣率是合適的。另外,用實(shí)驗(yàn)的方法,進(jìn)一步論證了局部Hadamard測(cè)量矩陣相對(duì)于偽隨機(jī)矩陣在壓縮感知光譜測(cè)量方面的優(yōu)勢(shì)。(4)進(jìn)行了單像素光譜儀實(shí)用化方面的研究工作,搭建了反射式單像素光譜儀實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)際測(cè)量了系統(tǒng)的光譜分辨率,利用位置和幅度標(biāo)準(zhǔn)光源對(duì)光譜儀的位置和幅度進(jìn)行了標(biāo)定。最后利用單像素光譜儀實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)量了有色樣品的光譜吸收率,并設(shè)計(jì)了輔助實(shí)驗(yàn)裝置。本文設(shè)計(jì)的單像素光譜測(cè)量架構(gòu)除了能夠滿足弱光和紅外等特殊場(chǎng)合下的高靈敏、高分辨光譜測(cè)量的需求外,還具有亞采樣、魯棒性好、復(fù)雜度低等優(yōu)點(diǎn),有利于光譜設(shè)備的微型化、便攜化,便于推廣應(yīng)用。
【關(guān)鍵詞】：光譜儀 壓縮感知 單像素 互補(bǔ)測(cè)量 標(biāo)定
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TH744.1
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-18
• 第一章 緒論18-30
• 1.1 研究背景與意義18-26
• 1.2 本文的主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)26-28
• 1.3 論文結(jié)構(gòu)28-30
• 第二章 壓縮感知理論及算法30-44
• 2.1 壓縮感知基本理論31-36
• 2.1.1 一個(gè)例子31-33
• 2.1.2 壓縮采樣與恢復(fù)33-36
• 2.2 信號(hào)的稀疏變換36-38
• 2.3 測(cè)量矩陣38-39
• 2.4 壓縮感知算法39-43
• 2.4.1 凸優(yōu)化算法40-41
• 2.4.2 貪婪算法41
• 2.4.3 全變分算法41-42
• 2.4.4 其他類型算法42-43
• 2.5 小結(jié)43-44
• 第三章 單像素相機(jī)和超靈敏成像44-52
• 3.1 單像素相機(jī)44-49
• 3.1.1 單像素相機(jī)架構(gòu)44-46
• 3.1.2 圖像的壓縮采樣與恢復(fù)過程46-47
• 3.1.3 性能分析47-49
• 3.2 超靈敏成像49-51
• 3.3 小結(jié)51-52
• 第四章 單光子掃描光譜測(cè)量  評(píng)估PMT探測(cè)器靈敏度特性52-64
• 4.1 單光子探測(cè)技術(shù)介紹52-54
• 4.2 基于CCD線陣的光譜測(cè)量54-58
• 4.3 基于PMT和DMD的掃描光譜測(cè)量58-63
• 4.4 小結(jié)63-64
• 第五章 單像素光譜儀和壓縮感知光譜應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)64-88
• 5.1 單像素光譜儀64-67
• 5.1.1 單像素光譜儀架構(gòu)64
• 5.1.2 壓縮感知光譜測(cè)量過程64-66
• 5.1.3 單像素光譜儀的特點(diǎn)66-67
• 5.2 光譜壓縮測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)67-85
• 5.2.1 測(cè)量矩陣的設(shè)計(jì)67-77
• 5.2.2 壓縮感知算法的選擇77-81
• 5.2.3 稀疏度對(duì)重建質(zhì)量的影響81-83
• 5.2.4 采樣率對(duì)光譜質(zhì)量的影響83-85
• 5.3 單像素光譜儀與其它色散型光譜儀的性能對(duì)比85-87
• 5.4 小結(jié)87-88
• 第六章 互補(bǔ)壓縮光譜測(cè)量技術(shù)及性能優(yōu)勢(shì)88-100
• 6.1 互補(bǔ)壓縮測(cè)量技術(shù)88-90
• 6.2 互補(bǔ)測(cè)量的原理90-91
• 6.3 光譜的壓縮互補(bǔ)測(cè)量91-96
• 6.4 局部hadamard測(cè)量矩陣與隨機(jī)矩陣的實(shí)驗(yàn)對(duì)比96-97
• 6.5 壓縮光譜測(cè)量相對(duì)于掃描光譜測(cè)量的優(yōu)勢(shì)97-98
• 6.6 小結(jié)98-100
• 第七章 單像素光譜儀的實(shí)用化研究及應(yīng)用100-116
• 7.1 反射式單像素光譜儀系統(tǒng)101-104
• 7.2 光譜分辨率104-106
• 7.2.1 光譜分辨率的理論計(jì)算104
• 7.2.2 光譜分辨率的測(cè)量104-106
• 7.3 光譜的位置標(biāo)定106-108
• 7.4 光譜的幅度標(biāo)定108-111
• 7.5 光譜儀應(yīng)用實(shí)例  測(cè)量樣品的光譜吸收率111-115
• 7.6 小結(jié)115-116
• 第八章 總結(jié)與展望116-118
• 參考文獻(xiàn)118-130
• 發(fā)表文章目錄130-132
• 簡(jiǎn)歷132-134
• 致謝134-135

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：549365