專(zhuān)利名稱(chēng)：一種互補(bǔ)測(cè)量的單光子光譜計(jì)數(shù)成像系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及極弱光成像光譜的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及ー種互補(bǔ)測(cè)量的單光子光譜計(jì)數(shù)成像系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
在光譜成像測(cè)量分析、生物檢測(cè)、星空探測(cè)、夜視觀測(cè)、極弱光探測(cè)、濃度檢測(cè)、遙感成像、醫(yī)療成像、監(jiān)控等新興高科技領(lǐng)域，不僅需要探測(cè)極弱光，還要對(duì)若干個(gè)光譜波段進(jìn)行成分分布分析，且可見(jiàn)光的成像光譜探測(cè)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足需求，科學(xué)家們更多時(shí)候需要知道近紅外光波段的光譜信息。此外，現(xiàn)有成像光譜儀 器對(duì)極弱光不敏感，大多采用掃描方式，穩(wěn)定性差，很難達(dá)到成像高精度的要求。由于激光器一般工作在倍頻的波長(zhǎng)上，波長(zhǎng)范圍有限，常規(guī)的成像探測(cè)器也僅工作在可見(jiàn)光波段，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)極弱光對(duì)象進(jìn)行可見(jiàn)光和近紅外光的寬譜成分分布的同時(shí)檢測(cè)分析，亟待ー種全新的成像光譜系統(tǒng)來(lái)滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的科研需求。本發(fā)明為解決上述問(wèn)題而應(yīng)運(yùn)而生，同時(shí)也是基于前人工作的改進(jìn)與創(chuàng)新。在本領(lǐng)域，本研究所已有ー份相關(guān)專(zhuān)利《一種極弱光多光譜成像方法及其系統(tǒng)》(申請(qǐng)?zhí)柣驅(qū)＠?hào)201110166471. 6，申請(qǐng)人或?qū)＠麢?quán)人中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心)，在該專(zhuān)利申請(qǐng)中由于沒(méi)有考慮隨機(jī)測(cè)量矩陣的特點(diǎn)所以?xún)H采用空間光調(diào)制器(SLM)的一臂反射光路進(jìn)行光子收集分光，且所采用的算法重建質(zhì)量差，運(yùn)算量大，原理上尚存在一定技術(shù)上的缺陷，本發(fā)明為了克服上述技術(shù)缺陷充分考慮技術(shù)特征之間的關(guān)系提出ー種互補(bǔ)測(cè)量的單光子光譜計(jì)數(shù)成像系統(tǒng)及方法，采用雙臂互補(bǔ)測(cè)量，可見(jiàn)光與近紅外光同時(shí)測(cè)量，改進(jìn)了原理和算法，并提出波長(zhǎng)-光功率的光譜圖的生成方法，以解決上述一系列的問(wèn)題。光譜成像是獲得和顯示精確顏色信息的重要技術(shù)，原因之ー是光譜圖像包含了光譜信息，原因之ニ是光譜成像技術(shù)很好地克服了同色異譜現(xiàn)象。對(duì)極弱光對(duì)象的光譜成像更是在多種領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。光子計(jì)數(shù)成像就是ー種極弱光探測(cè)技木，通過(guò)記錄成像位置的光子計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)等效于光強(qiáng)信息，于是得到光強(qiáng)的空間分布情況，最后累計(jì)出一幅圖像。現(xiàn)有的成像光譜技術(shù)必須將一維光譜、ニ維平面圖像中的任何ー維，以輔助掃描的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于納米位移掃描平臺(tái)的穩(wěn)定性差、掃描過(guò)程復(fù)雜，不僅増加了制造成本，也極大延長(zhǎng)了待測(cè)物體的測(cè)試時(shí)間,對(duì)于某些生物樣品而言會(huì)降低成功率。這樣帶來(lái)的弊端是采樣時(shí)間必須給掃描留出充分的空間。若一維光譜以?huà)呙栊问綄?shí)現(xiàn)時(shí)，必須采用面元探測(cè)器(由大量的光敏探測(cè)元件組成)進(jìn)行探測(cè)，如ICCD、EMCCD、APDs等。面元探測(cè)器在對(duì)極弱光進(jìn)行探測(cè)時(shí)需要曝光一定時(shí)間(即積分時(shí)間)，平均到単位像素上的光通量極小，カロ上暗計(jì)數(shù)的影響，信噪比較差，極難準(zhǔn)確推算落在該像元上的光強(qiáng)值，具有靈敏度的問(wèn)題。其中ICCD、EMCCD都號(hào)稱(chēng)可以做到單光子探測(cè)，但需深度半導(dǎo)體制冷，成本昂貴，ICCD空間分辨率較差，而EMCCD空間分辨率稍好，存在的共同問(wèn)題都是弱光下很難對(duì)儀器噪聲進(jìn)行控制或線(xiàn)性輸出；而ム 08可以工作在蓋革模式，但尚處在研究階段，而且高精度的Aro陣列很難制造和流片，林肯實(shí)驗(yàn)室對(duì)外公布的APD陣列也僅有64 X 256像素，對(duì)中國(guó)禁運(yùn)，且目前的APD陣列波長(zhǎng)響應(yīng)范圍十分有限，僅在中可視波段達(dá)到量子效率峰值，由于每個(gè)像素都極小，光通量必須平均分配在整個(gè)陣列上，那么散粒噪聲的影響將變得十分顯著。所述壓縮傳感(CompressiveSensing,簡(jiǎn)稱(chēng) CS)理論是由 Donoho、Candes 和 Tao等人提出的一個(gè)全新數(shù)學(xué)理論，實(shí)現(xiàn)以隨機(jī)采樣的方式、更少的數(shù)據(jù)采樣數(shù)(遠(yuǎn)低于奈奎斯特/香農(nóng)采樣定理的極限)來(lái)完美地恢復(fù)信號(hào)，且具有更高魯棒性。該原理先壓縮采樣，將被測(cè)信號(hào)由高維向低維映射并對(duì)其進(jìn)行采樣，選取合適的稀疏變換框架W，使得X經(jīng)W變換所得向量I是稀疏的，然后根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)y、測(cè)量矩陣A和框架W，求解J = + e，最后由^ = 反演出X。所述空間光調(diào)制器(Spatial Light Mo dulator,簡(jiǎn)稱(chēng)SLM)是ー類(lèi)能將信息加載于ー維或兩維的光學(xué)數(shù)據(jù)場(chǎng)上，在隨時(shí)間變化的電驅(qū)動(dòng)信號(hào)或其它信號(hào)的控制下，可對(duì)空間上光分布的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制的實(shí)時(shí)光信息處理器件，可將按空間光調(diào)制器規(guī)定的角度入射的光以一定概率反射至兩個(gè)方向，一般米用ニ值表征反射方向的狀態(tài)，常見(jiàn)的空間光調(diào)制器有數(shù)字微鏡器件、液晶光閥、毛玻璃等。其中，數(shù)字微鏡器件(Digital Micro-mirrorDevice，簡(jiǎn)稱(chēng)DMD)，是世界上最精密的光開(kāi)關(guān)。DMD的核心是由成千上萬(wàn)個(gè)安裝在鉸鏈上的微反射鏡組成的微鏡陣列(主流的DMD由1024X768的陣列構(gòu)成，最大可至2048X 1152)，每一鏡片的尺寸為14iimX14iim (或16iimX16iim)并可以通斷一個(gè)像素的光,這些微鏡皆懸浮著，通過(guò)對(duì)每一個(gè)鏡片下的存儲(chǔ)單元都以ニ進(jìn)制平面信號(hào)進(jìn)行電子化尋址，便可讓每個(gè)鏡片以靜電方式向兩側(cè)傾斜，把這兩種狀態(tài)記為I和0，分別對(duì)應(yīng)“開(kāi)”和“夫”，當(dāng)鏡片不工作時(shí)，它們處于0°的“停泊”狀態(tài)。如何實(shí)現(xiàn)對(duì)極弱光對(duì)象的高質(zhì)量成像光譜測(cè)量，如何規(guī)避機(jī)械掃描對(duì)成像分辨率的制約，如何降低測(cè)量維度及測(cè)量規(guī)模，這對(duì)成像光譜提出新的挑戰(zhàn)，本發(fā)明以高通量彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)在信噪比上的缺陷，以雙臂探測(cè)實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光及近紅外光的觀測(cè)，運(yùn)用壓縮傳感理論來(lái)提高成像質(zhì)量并減少測(cè)量規(guī)模。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在干，為實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測(cè)物體可見(jiàn)光與近紅外光的光譜成分同時(shí)進(jìn)行分析目標(biāo)，解決常規(guī)光譜成像方法存在的維度掃描、重建精度差、對(duì)極弱光不敏感等問(wèn)題，從而提供ー種互補(bǔ)測(cè)量的單光子光譜計(jì)數(shù)成像系統(tǒng)及方法。本發(fā)明以壓縮傳感理論為基礎(chǔ)，以可見(jiàn)光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣和近紅外光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣作為探測(cè)元件，采用互補(bǔ)測(cè)量技術(shù)和光譜分光技術(shù)將空間光調(diào)制器兩臂的反射光同時(shí)收集、分光、探測(cè)，然后利用壓縮傳感思想進(jìn)行重建，恢復(fù)出可見(jiàn)光及近紅外光的彩色圖像，并進(jìn)行相關(guān)光譜分析。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了ー種互補(bǔ)測(cè)量的單光子光譜計(jì)數(shù)成像系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包含光學(xué)成像部件、空間光調(diào)制器、第一組收光準(zhǔn)直部件、第二組收光準(zhǔn)直部件、第一組光譜分光部件、第二組光譜分光部件、可見(jiàn)光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣、近紅外光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣、多通道計(jì)數(shù)器及信息處理單元；其中，攜帯待測(cè)物體信息的光通過(guò)所述光學(xué)成像部件成像在所述空間光調(diào)制器上，經(jīng)所述空間光調(diào)制器的隨機(jī)光調(diào)制后的出射光被分成兩臂方向傳輸；所述第一組收光準(zhǔn)直部件、第一組光譜分光部件和可見(jiàn)光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣設(shè)置于第一臂方向，用于探測(cè)可見(jiàn)光光譜的光子，輸出若干組脈沖波形；所述第二組收光準(zhǔn)直部件、第二組光譜分光部件和近紅外光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣設(shè)置于第二臂方向，用于探測(cè)近紅外光光譜的光子，輸出若干組脈沖波形；所述多通道計(jì)數(shù)器設(shè)置于經(jīng)由所述可見(jiàn)光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣和近紅外光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣后的電路上，用于對(duì)每個(gè)通道下的脈沖波形進(jìn)行濾波、鑒別和累計(jì)計(jì)數(shù)；所述信息處理單元根據(jù)所述空間光調(diào)制器上的互補(bǔ)矩陣、多通道計(jì)數(shù)器上的各計(jì)數(shù)值及多通道計(jì)數(shù)器上各計(jì)數(shù)通道所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)信息，運(yùn)用關(guān)聯(lián)的壓縮傳感算法重建出可見(jiàn)光和近紅外光的彩色圖像，并能對(duì)特定波長(zhǎng)下的成分進(jìn) 行進(jìn)一歩分析。上述技術(shù)方案中，所述的可見(jiàn)光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣和近紅外光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣是由若干個(gè)對(duì)應(yīng)不同波長(zhǎng)工作在蓋革模式下的單光子點(diǎn)探測(cè)器組成的線(xiàn)性陣列，針對(duì)可見(jiàn)光波段和近紅外光波段分別選擇若干個(gè)對(duì)應(yīng)不同波長(zhǎng)的單光子點(diǎn)探測(cè)元件，可搭配多組濾光片使用；所述可見(jiàn)光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣和近紅外光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣兩者位置能夠相互置換；所述可見(jiàn)光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣和近紅外光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣的探測(cè)方式采用光纖準(zhǔn)直或自由空間耦合方式；其中，可見(jiàn)光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣和近紅外光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣也可由雪崩ニ極管陣列使能某一行或某一列獲得。上述技術(shù)方案中，當(dāng)空間光調(diào)制器上的隨機(jī)矩陣每變換一次，所述多通道計(jì)數(shù)器記錄一次計(jì)數(shù)，其輸出的若干組計(jì)數(shù)值作為信息處理單元所采用的壓縮傳感算法中的測(cè)量值。上述技術(shù)方案中，所述的第一組光譜分光部件和第二組光譜分光部件均包括光準(zhǔn)直部分、分光部分、角度測(cè)量部分、光度觀察和測(cè)量部分；收光部件與所述光準(zhǔn)直部分配合使用，用于將空間光調(diào)制器上的某一臂方向上的出射光全部收集并初歩準(zhǔn)直。優(yōu)化的，當(dāng)極弱光光強(qiáng)超出所述可見(jiàn)光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣或近紅外光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣的探測(cè)范圍時(shí)，在所述可見(jiàn)光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣或近紅外光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣前的任意光路位置上設(shè)置衰減片，用于將光衰減到所述單光子探測(cè)器線(xiàn)陣的探測(cè)范圍。基于上述系統(tǒng)本發(fā)明還提供了ー種互補(bǔ)測(cè)量的單光子光譜計(jì)數(shù)成像方法，所述方法包含步驟101)攜帯待測(cè)物體信息的光通過(guò)光學(xué)成像部件成像在空間光調(diào)制器上，經(jīng)所述空間光調(diào)制器的隨機(jī)光調(diào)制，出射光以一定概率分成兩臂方向；步驟102)在兩臂出射方向分別對(duì)光束進(jìn)行分光和會(huì)聚收集，收集于可見(jiàn)光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣和近紅外光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣中，以光子計(jì)數(shù)形式記錄在多通道計(jì)數(shù)器中；步驟103)通過(guò)壓縮傳感算法實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光和近紅外光的彩色圖像重建或相關(guān)光譜分析，完成互補(bǔ)測(cè)量的單光子光譜計(jì)數(shù)成像。上述技術(shù)方案中，所述步驟103)進(jìn)ー步包含步驟103-1)，用于壓縮采樣的步驟
由空間光調(diào)制器對(duì)入射至其上的光進(jìn)行隨機(jī)光調(diào)制，使得兩路出射光分別以一定概率投向后續(xù)的收光準(zhǔn)直部件和單光子探測(cè)器線(xiàn)陣，空間光調(diào)制器上的隨機(jī)陣列每變換一次，同時(shí)測(cè)量并記錄下兩個(gè)光譜帶上若干特定波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的總光子數(shù)，等效于測(cè)量光譜帶上若干點(diǎn)的光強(qiáng)，測(cè)量M次，M遠(yuǎn)小于待測(cè)信號(hào)維度N，以完成被測(cè)信號(hào)在可見(jiàn)光波段和近紅外光波段的同時(shí)壓縮米樣；其中，所述空間光調(diào)制器是指在隨時(shí)間變化的信號(hào)的控制下，可對(duì)空間上光分布的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制的實(shí)時(shí)光信息處理器件，可將按空間光調(diào)制器規(guī)定的角度入射的光以一定概率反射至兩個(gè)方向，所述隨機(jī)光調(diào)制是指空間光調(diào)制器上的調(diào)制矩陣的是真隨機(jī)的，該矩陣采用ニ值表征反射方向的狀態(tài)；

步驟103-2)，用于稀疏重建的步驟將可見(jiàn)光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣和近紅外光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣在空間光調(diào)制器隨機(jī)陣列兩次變換間隔內(nèi)探測(cè)到的總光子數(shù)作為兩組測(cè)量值yi和デi，分別對(duì)應(yīng)隨機(jī)矩陣^和矩陣的補(bǔ)a' i，由于矩陣元素用0和I ニ值表示，矩陣的補(bǔ)即I_a，其中I是單位陣；將ai和a' i分別拉伸至一行，分別作為可見(jiàn)光測(cè)量矩陣A和近紅外光測(cè)量矩陣k'中的第i行，測(cè)量M次，兩個(gè)測(cè)量矩陣都共計(jì)M行，設(shè)可見(jiàn)光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣有P個(gè)點(diǎn)，近紅外光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣有Q個(gè)點(diǎn)，則兩臂的測(cè)量值分別有P組和Q組，每組都共計(jì)M維，若兩臂各特定地選取若干組數(shù)據(jù)，大于等于三組，利用關(guān)聯(lián)的壓縮傳感重建算法重建觀測(cè)對(duì)象在可見(jiàn)光波段和近紅外光波段的彩色圖像，其中近紅外光波段的彩色圖像是標(biāo)記出來(lái)的，即按波長(zhǎng)從大到小選取三種紅外波長(zhǎng)標(biāo)識(shí)為紅綠藍(lán)三原色；若任取一組數(shù)據(jù)便可進(jìn)行該波長(zhǎng)的成分分析。上述技術(shù)方案中，將各通道的計(jì)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，將光子計(jì)數(shù)換算成光功率，結(jié)合各通道所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)信息，便可統(tǒng)計(jì)出一個(gè)波長(zhǎng)一光功率的光譜圖，進(jìn)而獲得觀測(cè)物體的特征峰。上述技術(shù)方案中，所述壓縮傳感的數(shù)學(xué)模型如下在可見(jiàn)光范圍和近紅外光范圍各任取ー個(gè)特定波長(zhǎng),該兩波長(zhǎng)下的信號(hào)拉伸至一列:xrベeK'則采樣過(guò)程可看作兩組測(cè)量矩陣與兩特定波長(zhǎng)信號(hào)作內(nèi)積的過(guò)程，分別得到兩組觀測(cè)向量ypi，i' qi, i = 1，2，...，1，？=1，2，...，卩』=1，2，...，0，其中為4€股ゼが(K〈M < < N)，e,^ e做〃是系統(tǒng)噪聲，如果X是可壓縮或可稀疏表達(dá)的，則x = へ，其中^j = Lv1, ￥2, . . . , ￥n]是稀疏變換矩陣,I = Hiax(IIimi),即關(guān)聯(lián)稀疏度，那么，壓縮采樣的過(guò)程可以描述為下式[Jj,,パ,]=[A^xr + e. W]其中，將A設(shè)置為ニ值隨機(jī)測(cè)量矩陣；所述的稀疏重建是在已知觀測(cè)數(shù)據(jù)yp，y' q和測(cè)量矩陣A，A'的條件下求解xp，x',，用壓縮傳感的策略進(jìn)行求解，具體算法描述為下式其中，II…I I1代表范數(shù)算符,14 =IsLkf f，僅需M彡0(K log(N/K))次測(cè)量，便可反演出待測(cè)物體在可見(jiàn)光波段和近紅外光波段兩個(gè)特定波長(zhǎng)下的光強(qiáng)空間分布信息Xp和X' q,若在可見(jiàn)光和近紅外光波段各自特定地選取3組測(cè)量數(shù)據(jù)，重復(fù)使用上述模型，采用三原色原理便可重建出可見(jiàn)光波段和近紅外光波段的彩色圖像。上述技術(shù)方案中，所述的關(guān)聯(lián)的壓縮傳感算法基于兩個(gè)滿(mǎn)足互補(bǔ)關(guān)系的測(cè)量矩陣，核心算法策略將單位陣看作測(cè)量矩陣參與運(yùn)算，所述核心算法基于壓縮傳感算法，運(yùn)算后加入修正參數(shù)，修正處理后的所得值再與Xp做符合運(yùn)算，便得到X' q,使得可見(jiàn)光信號(hào)Xp與近紅外光信號(hào)X',能同時(shí)獲得。與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明以壓縮傳感理論、互補(bǔ)測(cè)量技術(shù)和光譜分光技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)空間光調(diào)制器隨機(jī)光調(diào)制，以可見(jiàn)光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣和近紅外光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣作為探測(cè)元件，進(jìn)行雙臂探測(cè)，實(shí)現(xiàn)了以線(xiàn)陣采樣維度獲取空間ニ維、光譜維等三維信息參量，極大節(jié)省探測(cè)維度，可對(duì)極弱光可見(jiàn)光信息和近紅外光信息進(jìn)行同時(shí)測(cè)量，可獲取更多的光譜信息，可對(duì)任意感興趣的波長(zhǎng)進(jìn)行物體成分分析，有助于推進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，靈敏度可以達(dá)到單光子水平，分辨率高。采用互補(bǔ)測(cè)量的方式，可縮小計(jì)算量，改進(jìn)的關(guān)聯(lián)壓縮傳感算法利用測(cè)量矩陣互補(bǔ)的特點(diǎn)提高算法重建精度，并能計(jì) 算像素更大的圖像。本發(fā)明在已有基礎(chǔ)上擴(kuò)展了近紅外光探測(cè)范圍，且可見(jiàn)光和近紅外光探測(cè)可同時(shí)進(jìn)行，在特殊前沿科研領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景，無(wú)需掃描，直接線(xiàn)陣成像，無(wú)機(jī)械振動(dòng)影響，光通量高，信噪比高，波長(zhǎng)覆蓋范圍廣，解決了光譜領(lǐng)域供需之間的矛盾?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)，本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于光譜成像測(cè)量分析、生物成分檢測(cè)、天文觀測(cè)、夜視觀測(cè)、極弱光探測(cè)、濃度檢測(cè)、醫(yī)療成像、軍事國(guó)防、監(jiān)控、遙感成像、鬼成像等領(lǐng)域。


圖I是本發(fā)明的互補(bǔ)測(cè)量的單光子光譜計(jì)數(shù)成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，M17Sffex星云可見(jiàn)光圖像紅綠藍(lán)三原色分解及圖像重建；其中，(a)是M17SWex星云可見(jiàn)光原圖像的R分量圖、(b)是M17SWex星云可見(jiàn)光原圖像的G分量圖、(c)是M17SWex星云可見(jiàn)光原圖像的B分量圖，(d)是M17SWex星云可見(jiàn)光原圖像的彩色原圖；(e)是可見(jiàn)光R分量的重建圖、(f)是可見(jiàn)光G分量的重建圖、(g)是可見(jiàn)光B分量的重建圖，(h)是根據(jù)RGB三分量反演出的可見(jiàn)光彩色圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，M17Sffex星云紅外光圖像紅綠藍(lán)三原色分解及圖像重建；其中，(a)、(b)、(c)、(d)分別是M17SWex星云紅外光原圖像的R、G、B分量和彩色原圖；(e)、(f )、(g)分別是紅外光R、G、B分量的重建圖，(h)是根據(jù)這三分量反演出的紅外光彩色圖。附圖標(biāo)識(shí)I、光學(xué)成像部件2、空間光調(diào)制器3、第一組收光準(zhǔn)直部件4、第二組收光準(zhǔn)直部件5、第一組光譜分光部件6、第二組光譜分光部件7、可見(jiàn)光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣 8、近紅外光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣9、多通道計(jì)數(shù)器
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)ー步的詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明提出的ー種互補(bǔ)測(cè)量的單光子光譜計(jì)數(shù)成像系統(tǒng)，其特征在于，該互補(bǔ)測(cè)量的單光子光譜計(jì)數(shù)成像系統(tǒng)采用壓縮傳感理論、互補(bǔ)測(cè)量技術(shù)和光譜分光技術(shù)，并以可見(jiàn)光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣和近紅外光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣作為探測(cè)元件，單光子多光譜計(jì)數(shù)成像，輸出可見(jiàn)光和近紅外光的彩色圖像，并能進(jìn)行相關(guān)光譜分析；所述的互補(bǔ)測(cè)量的單光子光譜計(jì)數(shù)成像系統(tǒng)包括光學(xué)成像部件、空間光調(diào)制器、兩個(gè)收光準(zhǔn)直部件、兩個(gè)光譜分光部件、可見(jiàn)光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣、近紅外光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣和多通道計(jì)數(shù)器； 其中，攜帯待測(cè)物體信息的光通過(guò)光學(xué)成像部件成像在空間光調(diào)制器(SLM)上，經(jīng)空間光調(diào)制器的隨機(jī)光調(diào)制，出射光以一定概率分成兩臂方向，先分別對(duì)兩臂上的光進(jìn)行準(zhǔn)直和光譜分光，一臂取可見(jiàn)光光譜，一臂取近紅外光光譜，分別收集進(jìn)可見(jiàn)光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣和近紅外光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣，并以計(jì)數(shù)形式記錄在多通道計(jì)數(shù)器中的若干個(gè)通道中，最后根據(jù)空間光調(diào)制器上的互補(bǔ)矩陣、多通道計(jì)數(shù)器上多組計(jì)數(shù)值和通道所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)信息，運(yùn)用關(guān)聯(lián)的壓縮傳感算法即可重建出可見(jiàn)光和近紅外光的彩色圖像，并能對(duì)特定波長(zhǎng)下的成分進(jìn)行進(jìn)一步分析。所述的單光子探測(cè)器線(xiàn)陣是由若干個(gè)對(duì)應(yīng)不同波長(zhǎng)工作在蓋革模式下的單光子點(diǎn)探測(cè)器組成的線(xiàn)性陣列，具備單光子分辨能力，在可見(jiàn)光波段和近紅外光波段分別選擇若干個(gè)對(duì)應(yīng)不同波長(zhǎng)的單光子點(diǎn)探測(cè)元件，可搭配多組濾光片使用，在可見(jiàn)光范圍的組成一個(gè)線(xiàn)陣，近紅外光范圍的組成另一個(gè)線(xiàn)陣，分別設(shè)置在空間光調(diào)制器的兩臂出射方向，兩者位置可相互置換，探測(cè)方式可采用光纖準(zhǔn)直或自由空間耦合方式；所述單光子探測(cè)器線(xiàn)陣也可由雪崩ニ極管(APD)陣列使能某一行或某一列獲得。所述的單光子探測(cè)器線(xiàn)陣需配合多通道計(jì)數(shù)器使用，單光子探測(cè)器線(xiàn)陣用于探測(cè)光子，輸出若干組脈沖波形，多通道計(jì)數(shù)器用于對(duì)每個(gè)通道下的脈沖波形進(jìn)行濾波、鑒別和累計(jì)計(jì)數(shù)，空間光調(diào)制器上的隨機(jī)矩陣每變換一次，記錄一次計(jì)數(shù)，其輸出的若干組計(jì)數(shù)值作為壓縮傳感算法中的測(cè)量值。所述的光譜分光部件包括光準(zhǔn)直部分、分光部分、角度測(cè)量部分、光度觀察和測(cè)量部分，用于光譜分光和測(cè)量分析，一般米用棱鏡分光或光柵分光；收光準(zhǔn)直部件配合其使用，用于將空間光調(diào)制器上的某一臂方向上的出射光全部收集并初歩準(zhǔn)直?？蛇x的，當(dāng)極弱光光強(qiáng)超出單光子探測(cè)器線(xiàn)陣的探測(cè)范圍吋，需在單光子探測(cè)器線(xiàn)陣前的任意光路位置上設(shè)置合適的衰減片，用于將光衰減到單光子探測(cè)器線(xiàn)陣的探測(cè)范圍，若極弱光光強(qiáng)已經(jīng)在單光子探測(cè)器線(xiàn)陣的探測(cè)范圍內(nèi)，則無(wú)需再設(shè)置衰減片。本發(fā)明還提出ー種互補(bǔ)測(cè)量的單光子光譜計(jì)數(shù)成像方法，其特征在于，該方法采用了壓縮傳感理論、互補(bǔ)測(cè)量技術(shù)和光譜分光技術(shù)，在空間光調(diào)制器兩臂出射方向分別對(duì)光束進(jìn)行分光和會(huì)聚收集，收集于可見(jiàn)光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣和近紅外光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣中，以光子計(jì)數(shù)形式記錄在多通道計(jì)數(shù)器中，通過(guò)壓縮傳感算法實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光和近紅外光的彩色圖像重建及相關(guān)光譜分析，所述方法包含如下步驟步驟1，用于壓縮采樣的步驟由空間光調(diào)制器對(duì)入射至其上的光進(jìn)行隨機(jī)光調(diào)制，使得兩路出射光分別以一定概率投向后續(xù)的收光準(zhǔn)直部件和單光子探測(cè)器線(xiàn)陣，空間光調(diào)制器上的隨機(jī)陣列每變換一次，同時(shí)測(cè)量并記錄下兩個(gè)光譜帶上若干特定波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的總光子數(shù)，等效于測(cè)量光譜帶上若干點(diǎn)的光強(qiáng)，測(cè)量M次，M遠(yuǎn)小于待測(cè)信號(hào)維度N，以完成被測(cè)信號(hào)在可見(jiàn)光波段和近紅外光波段的同時(shí)壓縮米樣；所述空間光調(diào)制器是指在隨時(shí)間變化的電驅(qū)動(dòng)信號(hào)或其它信號(hào)的控制下，可對(duì)空間上光分布的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制的實(shí)時(shí)光信息處理器件，可將按空間光調(diào)制器規(guī)定的角度入射的光以一定概率反射至兩個(gè)方向，其方向并不需要是某個(gè)固定角度，可限定在一定角度范圍內(nèi)，所述隨機(jī)光調(diào)制是指空間光調(diào)制器上的調(diào)制矩陣的是真隨機(jī)的，一般采用ニ值表征反射方向的狀態(tài)，常見(jiàn)的空間光調(diào)制器有數(shù)字微鏡器件(DMD)、液晶光閥、毛玻璃等；步驟2，用于稀疏重建的步驟將可見(jiàn)光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣和近紅外光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣在空間光調(diào)制器隨機(jī)陣列兩次變換間隔內(nèi)探測(cè)到的總光子數(shù)作為兩組測(cè)量值Yi和y' i，分別對(duì)應(yīng)隨機(jī)矩陣^和矩陣的補(bǔ)a' i，由于矩陣元素用0和I ニ值表示，矩陣的補(bǔ)即I-a，其中I是單位陣，將ai和 a' i分別拉伸至一行，分別作為可見(jiàn)光測(cè)量矩陣A和近紅外光測(cè)量矩陣A'中的第i行，測(cè)量M次，兩個(gè)測(cè)量矩陣都共計(jì)M行，設(shè)可見(jiàn)光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣有P個(gè)點(diǎn)，近紅外光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣有Q個(gè)點(diǎn)，則兩臂的測(cè)量值分別有P組和Q組，每組都共計(jì)M維，若兩臂各特定地選取3組數(shù)據(jù)，利用關(guān)聯(lián)的壓縮傳感重建算法便可重建出觀測(cè)對(duì)象在可見(jiàn)光波段和近紅外光波段的彩色圖像，其中近紅外光波段的彩色圖像是標(biāo)記出來(lái)的，即按波長(zhǎng)從大到小選取三種紅外波長(zhǎng)標(biāo)識(shí)為紅綠藍(lán)三原色；若任取一組數(shù)據(jù)便可進(jìn)行該波長(zhǎng)的成分分析。將各通道的計(jì)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，將光子計(jì)數(shù)換算成光功率，結(jié)合各通道所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)信息，便可統(tǒng)計(jì)出一個(gè)波長(zhǎng)一光功率的光譜圖，進(jìn)而獲得觀測(cè)物體的特征峰。其數(shù)學(xué)模型如下在可見(jiàn)光范圍和近紅外光范圍各任取ー個(gè)特定波長(zhǎng),該兩波長(zhǎng)下的信號(hào)拉伸至一列..Xス，則采樣過(guò)程可看作兩組測(cè)量矩陣與兩特定波長(zhǎng)信號(hào)作內(nèi)積的過(guò)程，分別得到兩組觀測(cè)向量 ypi，y ' qi, i = I, 2,..., M, p=l, 2， ，P，q=l, 2， ，Q,其中為,eJlMxA (K〈M < < N)，eメ e Rm是系統(tǒng)噪聲，如果X是可壓縮或可稀疏表達(dá)的，則X =[こ，其中^Mv1, V2，…，￥n]是稀疏變換矩陣(即稀疏框架),[=max(|； m)，gp關(guān)聯(lián)稀疏度，那么，壓縮采樣的過(guò)程可以描述為下式[ろ,0く,]=[,沖ろi ts A^T1 + ど]其中AW, A' 均需滿(mǎn)足 Restricted Isometry Property (RIP), A, A'與 W 需不相關(guān)，由于A，A'互補(bǔ)，為滿(mǎn)足上述條件，本發(fā)明中僅需將A設(shè)置為ニ值隨機(jī)測(cè)量矩陣；所述的稀疏重建是在已知觀測(cè)數(shù)據(jù)yp，y' q和測(cè)量矩陣A，A'的條件下求解xp, X/ ,，這是ー個(gè)NP-hard問(wèn)題，但轉(zhuǎn)化為11范數(shù)或12范數(shù)問(wèn)題，便可用壓縮傳感的思想進(jìn)行求解，算法可分許多種類(lèi)型，作為范例，取其中一種常見(jiàn)的表述方式，描述為下式imni||vV —辦』+,』々加+r^\[其中II…I I1代表范數(shù)算符，||x| =(XIl1Nf)，僅需M彡0(K*log(N/K))次測(cè)量，便
可反演出待測(cè)物體在可見(jiàn)光波段和近紅外光波段兩個(gè)特定波長(zhǎng)下的光強(qiáng)空間分布信息Xp和X',，若在可見(jiàn)光和近紅外光波段各自特定地選取3組測(cè)量數(shù)據(jù)，重復(fù)使用上述模型，采用三原色原理便可重建出可見(jiàn)光波段和近紅外光波段的彩色圖像?？蛇x的，所述壓縮傳感算法包括貪心重建算法、匹配跟蹤算法MP、正交匹配跟蹤算法0MP、基跟蹤算法BP、LASSO, LARS, GPSR、貝葉斯估計(jì)算法、magic、1ST、TV、StOMP、CoSaMP、LBI、SP、ll_ls、smp 算法、SpaRSA 算法、TwIST 算法、I0 重建算法、I1 重建算法、I2重建算法等；算法的核心思想是相通的，在于交替最小化和更新乘子，在算的技巧上會(huì)略有區(qū)別，以TV算法為例作算法核心思想說(shuō)明TV模型為
權(quán)利要求
1.一種互補(bǔ)測(cè)量的單光子光譜計(jì)數(shù)成像系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包含 光學(xué)成像部件、空間光調(diào)制器、第一組收光準(zhǔn)直部件、第二組收光準(zhǔn)直部件、第一組光譜分光部件、第二組光譜分光部件、可見(jiàn)光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣、近紅外光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣、多通道計(jì)數(shù)器及信息處理單元；其中，攜帶待測(cè)物體信息的光通過(guò)所述光學(xué)成像部件成像在所述空間光調(diào)制器上，經(jīng)所述空間光調(diào)制器的隨機(jī)光調(diào)制后的出射光被分成兩臂方向傳輸； 所述第一組收光準(zhǔn)直部件、第一組光譜分光部件和可見(jiàn)光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣設(shè)置于第一臂方向，用于探測(cè)可見(jiàn)光光譜的光子，輸出若干組脈沖波形；所述第二組收光準(zhǔn)直部件、第二組光譜分光部件和近紅外光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣設(shè)置于第二臂方向，用于探測(cè)近紅外光光譜的光子，輸出若干組脈沖波形； 所述多通道計(jì)數(shù)器設(shè)置于經(jīng)由所述可見(jiàn)光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣和近紅外光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣后的電路上，用于對(duì)每個(gè)通道下的脈沖波形進(jìn)行濾波、鑒別和累計(jì)計(jì)數(shù)； 所述信息處理單元根據(jù)所述空間光調(diào)制器上的互補(bǔ)矩陣、多通道計(jì)數(shù)器上的各計(jì)數(shù)值及多通道計(jì)數(shù)器上各計(jì)數(shù)通道所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)信息，運(yùn)用關(guān)聯(lián)的壓縮傳感算法重建出可見(jiàn)光和近紅外光的彩色圖像，并能對(duì)特定波長(zhǎng)下的成分進(jìn)行進(jìn)一步分析。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的互補(bǔ)測(cè)量的單光子光譜計(jì)數(shù)成像系統(tǒng)，其特征在于，所述的可見(jiàn)光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣和近紅外光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣是由若干個(gè)對(duì)應(yīng)不同波長(zhǎng)工作在蓋革模式下的單光子點(diǎn)探測(cè)器組成的線(xiàn)性陣列，針對(duì)可見(jiàn)光波段和近紅外光波段分別選擇若干個(gè)對(duì)應(yīng)不同波長(zhǎng)的單光子點(diǎn)探測(cè)元件，可搭配多組濾光片使用； 所述可見(jiàn)光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣和近紅外光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣兩者位置能夠相互置換； 所述可見(jiàn)光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣和近紅外光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣的探測(cè)方式采用光纖準(zhǔn)直或自由空間I禹合方式； 其中，可見(jiàn)光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣和近紅外光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣也可由雪崩二極管陣列使能某一行或某一列獲得。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的互補(bǔ)測(cè)量的單光子光譜計(jì)數(shù)成像系統(tǒng)，其特征在于，當(dāng)空間光調(diào)制器上的隨機(jī)矩陣每變換一次，所述多通道計(jì)數(shù)器記錄一次計(jì)數(shù)，其輸出的若干組計(jì)
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的互補(bǔ)測(cè)量的單光子光譜計(jì)數(shù)成像系統(tǒng)，其特征在于，所述的第一組光譜分光部件和第二組光譜分光部件均包括光準(zhǔn)直部分、分光部分、角度測(cè)量部分、光度觀察和測(cè)量部分； 收光部件與所述光準(zhǔn)直部分配合使用，用于將空間光調(diào)制器上的某一臂方向上的出射光全部收集并初步準(zhǔn)直。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的互補(bǔ)測(cè)量的單光子光譜計(jì)數(shù)成像系統(tǒng)，其特征在于，當(dāng)極弱光光強(qiáng)超出所述可見(jiàn)光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣或近紅外光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣的探測(cè)范圍時(shí)，在所述可見(jiàn)光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣或近紅外光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣前的任意光路位置上設(shè)置衰減片，用于將光衰減到所述單光子探測(cè)器線(xiàn)陣的探測(cè)范圍。
6.一種互補(bǔ)測(cè)量的單光子光譜計(jì)數(shù)成像方法，所述方法包含 步驟101)攜帶待測(cè)物體信息的光通過(guò)光學(xué)成像部件成像在空間光調(diào)制器上，經(jīng)所述空間光調(diào)制器的隨機(jī)光調(diào)制，出射光以一定概率分成兩臂方向； 步驟102)在兩臂出射方向分別對(duì)光束進(jìn)行分光和會(huì)聚收集，收集于可見(jiàn)光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣和近紅外光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣中，以光子計(jì)數(shù)形式記錄在多通道計(jì)數(shù)器中； 步驟103)通過(guò)壓縮傳感算法實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光和近紅外光的彩色圖像重建或相關(guān)光譜分析，完成互補(bǔ)測(cè)量的單光子光譜計(jì)數(shù)成像。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的互補(bǔ)測(cè)量的單光子光譜計(jì)數(shù)成像方法，其特征在于，所述步驟103)進(jìn)一步包含 步驟103-1)，用于壓縮采樣的步驟 由空間光調(diào)制器對(duì)入射至其上的光進(jìn)行隨機(jī)光調(diào)制，使得兩路出射光分別以一定概率投向后續(xù)的收光準(zhǔn)直部件和單光子探測(cè)器線(xiàn)陣，空間光調(diào)制器上的隨機(jī)陣列每變換一次，同時(shí)測(cè)量并記錄下兩個(gè)光譜帶上若干特定波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的總光子數(shù)，等效于測(cè)量光譜帶上若干點(diǎn)的光強(qiáng)，測(cè)量M次，M遠(yuǎn)小于待測(cè)信號(hào)維度N，以完成被測(cè)信號(hào)在可見(jiàn)光波段和近紅外光波段的同時(shí)壓縮采樣； 其中，所述空間光調(diào)制器是指在隨時(shí)間變化的信號(hào)的控制下，可對(duì)空間上光分布的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制的實(shí)時(shí)光信息處理器件，可將按空間光調(diào)制器規(guī)定的角度入射的光以一定概率反射至兩個(gè)方向，所述隨機(jī)光調(diào)制是指空間光調(diào)制器上的調(diào)制矩陣的是真隨機(jī)的，該矩陣采用二值表征反射方向的狀態(tài)； 步驟103-2)，用于稀疏重建的步驟 將可見(jiàn)光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣和近紅外光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣在空間光調(diào)制器隨機(jī)陣列兩次變換間隔內(nèi)探測(cè)到的總光子數(shù)作為兩組測(cè)量值Ii和太i，分別對(duì)應(yīng)隨機(jī)矩陣％和矩陣的補(bǔ)a' i，由于矩陣元素用O和I 二值表示，矩陣的補(bǔ)即Ι-a，其中I是單位陣； 將％和a' i分別拉伸至一行，分別作為可見(jiàn)光測(cè)量矩陣A和近紅外光測(cè)量矩陣A'中的第i行，測(cè)量M次，兩個(gè)測(cè)量矩陣都共計(jì)M行，設(shè)可見(jiàn)光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣有P個(gè)點(diǎn)，近紅外光單光子探測(cè)器線(xiàn)陣有Q個(gè)點(diǎn)，則兩臂的測(cè)量值分別有P組和Q組，每組都共計(jì)M維，若兩臂各特定地選取若干組數(shù)據(jù)，大于等于三組，利用關(guān)聯(lián)的壓縮傳感重建算法重建觀測(cè)對(duì)象在可見(jiàn)光波段和近紅外光波段的彩色圖像，其中近紅外光波段的彩色圖像是標(biāo)記出來(lái)的，即按波長(zhǎng)從大到小選取三種紅外波長(zhǎng)標(biāo)識(shí)為紅綠藍(lán)三原色；若任取一組數(shù)據(jù)便可進(jìn)行該波長(zhǎng)的成分分析。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的互補(bǔ)測(cè)量的單光子光譜計(jì)數(shù)成像方法，其特征在于，將各通道的計(jì)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，將光子計(jì)數(shù)換算成光功率，結(jié)合各通道所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)信息，便可統(tǒng)計(jì)出一個(gè)波長(zhǎng)一光功率的光譜圖，進(jìn)而獲得觀測(cè)物體的特征峰。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的互補(bǔ)測(cè)量的單光子光譜計(jì)數(shù)成像方法，其特征在于，所述壓縮傳感的數(shù)學(xué)模型如下 在可見(jiàn)光范圍和近紅外光范圍各任取一個(gè)特定波長(zhǎng)，該兩波長(zhǎng)下的信號(hào)拉伸至一列則采樣過(guò)程可看作兩組測(cè)量矩陣與兩特定波長(zhǎng)信號(hào)作內(nèi)積的過(guò)程，分別得到兩組觀測(cè)向量 ypi，I' qi, i = l，2，...，M，p=l，2，...，P，q=l，2，...，Q，其中又 leKMxAr(K〈M < < N)，e，e' e Kli是系統(tǒng)噪聲，如果x是可壓縮或可稀疏表達(dá)的，則^，其中Ψ = [Ψι，Ψ2,..., ΨΝ]是稀疏變換矩陣，^ =，即關(guān)聯(lián)稀疏度，那么，壓縮采樣的過(guò)程可以描述為下式 ν,,ν^ ΑΨ^+β,Α'Ψ^+ε'] 其中，將A設(shè)置為二值隨機(jī)測(cè)量矩陣； 所述的稀疏重建是在已知觀測(cè)數(shù)據(jù)yp，y',和測(cè)量矩陣A，A'的條件下求解xp，x' q,用壓縮傳感的策略進(jìn)行求解，具體算法描述為下式 ，去 I.、- ^i;何|4+·;1/I \m 其中，I I…I ^代表范數(shù)算符^^無(wú)二丨糾)，僅需M彡0(K· log(N/K))次測(cè)量，便可反演出待測(cè)物體在可見(jiàn)光波段和近紅外光波段兩個(gè)特定波長(zhǎng)下的光強(qiáng)空間分布信息Xp和X,,，若在可見(jiàn)光和近紅外光波段各自特定地選取3組測(cè)量數(shù)據(jù)，重復(fù)使用上述模型，采用三原色原理便可重建出可見(jiàn)光波段和近紅外光波段的彩色圖像。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的互補(bǔ)測(cè)量的單光子光譜計(jì)數(shù)成像方法，其特征在于，所述的關(guān)聯(lián)的壓縮傳感算法基于兩個(gè)滿(mǎn)足互補(bǔ)關(guān)系的測(cè)量矩陣，核心算法策略將單位陣看作測(cè)量矩陣參與運(yùn)算，所述核心算法基于壓縮傳感算法，運(yùn)算后加入修正參數(shù)，修正處理后的所得值再與Xp做符合運(yùn)算，便得到V ,，使得可見(jiàn)光信號(hào)Xp與近紅外光信號(hào)X',能同時(shí)獲得。
全文摘要
本發(fā)明提供一種互補(bǔ)測(cè)量的單光子光譜計(jì)數(shù)成像系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)在可見(jiàn)光和近紅外光范圍內(nèi)分別選取若干對(duì)應(yīng)不同波長(zhǎng)的單光子點(diǎn)探測(cè)單元組成兩個(gè)線(xiàn)陣，和光譜分光部件一起分配到空間光調(diào)制器的兩臂出射方向以便采樣。該方法包括以下步驟空間光調(diào)制器將成像在其上的光反射至兩臂方向，分別準(zhǔn)直分光，一臂取可見(jiàn)光光譜，一臂取近紅外光光譜，由相應(yīng)單光子探測(cè)器線(xiàn)陣進(jìn)行探測(cè)。根據(jù)互補(bǔ)矩陣、計(jì)數(shù)值和通道所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)信息，關(guān)聯(lián)的壓縮傳感算法可重建出可見(jiàn)光和近紅外光彩色圖像，統(tǒng)計(jì)出波長(zhǎng)—光功率的光譜圖以便光譜分析。本發(fā)明解決了現(xiàn)有成像光譜儀器無(wú)法同時(shí)探測(cè)可見(jiàn)光和近紅外光光譜的問(wèn)題，具有低維度、高通量、高靈敏度、高分辨率等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01J3/28GK102768069SQ201210265370
公開(kāi)日2012年11月7日 申請(qǐng)日期2012年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月27日
發(fā)明者俞文凱, 劉雪峰, 王超, 翟光杰, 趙清 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心