本发明公开了一种稀疏光谱的压缩感知重构系统及其方法，涉及光谱测量技术。本系统是：光学单元（10）、电路调理单元（20）、数据处理单元（30）、传输单元（40）和上位机（50）依次相连；数据处理单元（30）与光学单元（10）连接。本方法是：①SAMP压缩感知重构算法的选取及参数优化；②部分阿达玛矩阵调制模板生成及DMD控制；③数据稀疏化处理。本发明能够降低光谱生成代价，减少数据的采样时间和存储空间；简化系统设计的复杂度，降低系统设计的成本；应用无线传输网络传送采样数据实现实时处理，提高工作效率。提高工作效率。
1.一种稀疏光谱的压缩感知重构系统，包括光学单元(10)、电路调理单元(20)、数据处理单元(30)、传输单元(40)、上位机(50)和电源(60)；
光学单元(10)、电路调理单元(20)、数据处理单元(30)、传输单元(40)和上位机(50)依次连接，实现光谱实时测量；
数据处理单元(30)与光学单元(10)连接，控制DMD工作；
电源(60)分别与光学单元(10)、电路调理单元(20)、数据处理单元(30)和传输单元(40)连接，保证供电；
所述的光学单元(10)包括依次连接的光源(11)、狭缝(12)、准直透镜(13)、闪耀光栅(14)、DMD成像透镜(15)、DMD(16)、成像透镜组(17)和单点探测器(18)；
所述的电路调理单元(20)包括依次连接的第1放大电路(21)、滤波电路(22)和第2放大电路(23)；
所述的数据处理单元(30)包括驱动电路(31)、闪存存储器(32)、JTAG仿真接口(33)、AD转换(34)、外部扩展接口(35和)微控制芯片(36)；
微控制芯片(36)分别与包括驱动电路(31)、闪存存储器(32)、JTAG仿真接口(33、)AD转换(34)和外部扩展接口(35)相连接；
C、通过DMD返回的参数判断DMD是否驱动成功(203)，是则进入步骤D，否则跳转到步骤B；
通过AD转换器进行数据采样，并保存采样后的数据到闪存存储器；
E、判断是否达到设定的采样次数(205)，是则进入步骤F，否则跳转到步骤D；
将闪存存储器的数据通过传输装置(40)发送至上位机；
所述的上位机(50)其内嵌的工作流程是：a、开始(301)；
b、接收由传输装置(40)传输的采样数据(302)；
c、当所有微镜转至-12°时，记单点探测器(18)输出的电压为d(303)；
d、当所有微镜转至+12°时，记单点探测器(18)输出的电压为V0(304)；
e、依次加载预设置的编码模板，记输出电压Vi(305)；
h、通过选定的测量矩阵——部分阿达玛矩阵和重构算法——SAMP，利用步骤g处理后的数据，重构出原始光谱(308)；
2.基于权利要求1所述一种稀疏光谱的压缩感知重构系统的压缩感知重构方法，其特征在于：①SAMP压缩感知重构算法的选取及参数优化设计压缩感知的测量矩阵，实现数据的压缩感知采样，通过对比分析常用的测量矩阵，选取重构性能较优的测量矩阵并制作成编码模板应用于DMD，完成对光信号的调制；
②部分阿达玛矩阵调制模板生成及DMD控制选取SAMP算法为压缩感知的重构算法，并设置不同的步进长度进而确定重构算法的优化参数，提高重构性能；
对数据进行稀疏化处理，以消除DMD单点探测光学系统稀疏光谱重构中不利因素的影响，使得待测量的稀疏光谱信号满足稀疏条件。
3.按权利要求2所述的压缩感知重构方法，其特征在于所述的步骤①：
2)在相同的步进长度下，通过Matlab工具对比分析常用测量矩阵的重构性能，包括伯努利随机矩阵、部分阿达玛矩阵和托普利兹矩阵和循环矩阵；
3)结果表明部分阿达玛矩阵有较好的重构效果，将其制作成编码模板作用于DMD；
4)驱动电路控制加载有编码模板的DMD偏转，完成对光信号的调制，最终实现数据的压缩感知采样。
4.按权利要求2所述的压缩感知重构方法，其特征在于所述的步骤②：
1)在步骤①确定部分阿达玛矩阵作为测量矩阵的基础上，设置的不同步进长度对比分析SAMP算法的重构性能；
2)结果表明SAMP算法的步进长度选取的较小时有较好的重构性能，最后确定SAMP算法的优化参数。
5.按权利要求2所述的压缩感知重构方法，其特征在于所述的步骤③：
1)消除整个系统不可避免的不利因素的影响，使得待测量的稀疏光谱信号满足稀疏条件；
2)由于选取部分阿达玛矩阵为测量测量矩阵，而其元素为±1，这就要求编码模板由透射码元和反射码元组成。
稀疏光谱的压缩感知重构系统及其方法
技术领域
[0001] 本发明涉及光谱测量技术，尤其涉及一种稀疏光谱的压缩感知重构系统及其方法。
背景技术
[0002] 以奈奎斯特采样定律为框架的常规光谱仪可以实现高光通量、高分辨率等目标，但在采样时存在数据冗余的问题，需要耗费大量的采样时间和存储空间；同时为了获取足够多的信息，要求的采样速度和处理速度也越来越高。而压缩感知能够较好地弥补奈奎斯特采样定律的缺陷，可为现有光谱仪的研制注入新的活力，并已受到不同领域的广泛关注。2004年，美国Stanford大学的Donoho和Candes等人首次提出了压缩感知理论，证明具有稀疏性或可压缩性的有限维信号，可以通过少量的线性的、非自适应的测量中精确恢复出原来的信号。D.Takhar和J.Lakhar等人研发的单像素数码照相机，利用数字微镜器件(Digital Micro-mirror Device，DMD)，通过单个探测元件的采样值，只需较小规模的测量代价即可重构出原始图像。基于压缩感知，Bhattacharya等人改进了合成孔径雷达成像的方法，在进一步的理论和仿真实验中，证明了压缩感知理论应用于实际系统的可行性。压缩感知理论和磁共振成像相结合，弥补了磁共振成像在成像时间较长的不足，可以大大加快成像速度，缩短扫描时间，进一步推动了生物医学的发展。
[0003] 综合来看，国内外在压缩感知上的研究已经取得众多成果，但目前还未见压缩感知应用于光谱测量技术领域。该技术可较大程度地减少常规光谱仪在还原稀疏光谱过程中的冗余信息。
发明内容
[0004] 本发明的目的是针对传统光谱仪在稀疏光谱的还原过程中存在采样数据冗余、采样周期长和浪费存储资源等一系列问题，提供一种稀疏光谱的压缩感知重构系统及其方法，从而实现以较小规模的测量代价利用压缩感知重构出光谱。
[0005] 本发明的设计思路是：
[0006] 根据压缩感知理论，压缩感知完成光谱信号的重构有两个重要步骤，即重构算法的选取和数据的压缩感知采样。对于数据的压缩感知采样，通常采用测量矩阵与目标信号乘积的方式间接地获取采样值，因此需要选取合适的测量矩阵以提高光谱信号的重构性能。同时，本发明选取稀疏度自适应匹配追踪算法(Sparsity Adaptive Matching Pursuit，SAMP)作为重构算法完成对光谱信号重构。
[0007] 本发明设计光谱压缩重构系统对光信号进行处理。光谱压缩重构系统包括光学单元、电路调理单元、数据处理单元、传输单元、上位机和电源，光学单元以DMD为核心，将DMD作为空间光调制器，完成对光信号的调制，调制后的光信号通过后续光路，被单点探测器接收。此外，由于单点探测器输出的电信号极其微弱且存在噪声的干扰，如果直接对其进行采集可能存在误差，为了提高采样的精度，本文设计了电路调理单元，完成对电信号的处理。最后，将经数据处理单元采样后的数据，通过传输单元发送至上位机进行数据处理。
[0008] 具体地说：
[0009] 一、稀疏光谱的压缩感知重构系统(简称系统)
[0010] 本系统包括光学单元、电路调理单元、数据处理单元、传输单元、上位机和电源；
[0011] 其连接关系是：
[0012] 光学单元、电路调理单元、数据处理单元、传输单元和上位机依次连接，实现光谱实时测量；
[0013] 数据处理单元与光学单元连接，控制DMD工作；
[0014] 电源分别与光学单元、电路调理单元、数据处理单元和传输单元连接，保证供电。
[0015] 二、稀疏光谱的压缩感知重构方法(简称方法)
[0016] 本方法包括下列步骤：
[0017] ①SAMP压缩感知重构算法的选取及参数优化
[0018] 设计压缩感知的测量矩阵，实现数据的压缩感知采样，通过对比分析常用的测量矩阵，选取重构性能较优的测量矩阵并制作成编码模板应用于DMD，完成对光信号的调制；
[0019] ②部分阿达玛矩阵调制模板生成及DMD控制
[0020] 选取SAMP算法为压缩感知的重构算法，并设置不同的步进长度进而确定重构算法的优化参数，提高重构性能；
[0021] ③数据稀疏化处理
[0022] 对数据进行稀疏化处理，以消除DMD单点探测光学系统稀疏光谱重构中不利因素的影响，使得待测量的稀疏光谱信号满足稀疏条件。
[0023] 本发明具有以下优点和积极效果：
[0024] ①能够降低光谱生成代价，减少数据的采样时间和存储空间
[0025] 针对稀疏光谱，将测量矩阵应用于DMD完成对光信号的调制，之后利用SAMP算法完成谱信号的重构。实验中，采用GY-11He-Ne激光器作为光源，其输出功率为1.5mw，中心波长为632.8nm，由于其只有在波峰附近才有非零值，故可满足压缩感知的先验条件——稀疏性。在本文设计的系统测量中，选取部分阿达玛矩阵对DMD进行调制，最后采用步进长度较小的SAMP算法重构光谱信号。压缩感知重构光谱技术减少了近一半的数据采样时间和存储空间，达到了降低光谱生成代价的效果。
[0026] ②简化系统设计的复杂度，降低系统设计的成本
[0027] 基于元素为±1的测量矩阵要求编码模板由透射码元和反射码元组成，这就要求整个系统有两个探测器及两套光路，为系统的设计增加了难度。本文根据如图3所示的步骤，能够简化系统设计的复杂度，降低系统设计的成本。
[0028] ③应用无线传输网络传送采样数据实现实时处理
[0029] 应用无线传输网络，利用传输装置将采样后的数据传送到上位机，及时对数据进行处理，提高工作效率。
[0030] 总之，本发明将压缩感知理论与光谱测量技术相结合，实现了快速获取光谱数据能力，降低了光谱生成代价。
附图说明
[0031] 图1是本系统的结构方框图；
[0032] 图2是微控制芯片36的工作流程图；
[0033] 图3是压缩感知重构光谱流程图。
[0034] 图中：
[0035] 10—光学单元，
[0036] 11—光源，12—狭缝，
[0037] 13—准直透镜，14—闪耀光栅，
[0038] 15—DMD成像透镜16—DMD，
[0039] 17—成像透镜组，18—单点探测器；
[0040] 20—电路调理单元，
[0041] 21—一级放大电路，22—滤波电路，
[0042] 23—二级放大电路；
[0043] 30—数据处理单元，
[0044] 31—驱动电路，32—闪存存储器，
[0045] 33—JTAG仿真接口，34—AD转换，
[0046] 35—外部扩展接口，36—微控制芯片；
[0047] 40—传输单元；
[0048] 50—上位机；
[0049] 60—电源。
具体实施方式
[0050] 下面结合附图和实施详细说明：
[0051] 一、系统
[0052] 1、总体
[0053] 如图1，本系统包括光学单元10、电路调理单元20、数据处理单元30、传输单元40、上位机50和电源60；
[0054] 其连接关系是：
[0055] 光学单元10、电路调理单元20、数据处理单元30、传输单元40和上位机50依次连接，实现光谱实时测量；
[0056] 数据处理单元30与光学单元10连接，控制DMD工作；
[0057] 电源50分别与光学单元10、电路调理单元20、数据处理单元30和传输单元40连接，保证供电。
[0058] 其工作机理是：
[0059] 光学单元10对光信号进行处理，在数据处理单元30的控制下，调整DMD的偏转角度完成光学编码；
[0060] 电路调理单元20对光学单元10中单点探测器输出的电信号进行放大、滤波和再放大的处理，减少电信号中的噪声影响，以提高采样精度；
[0061] 数据处理单元30对电路调理单元20的电信号进行采样，并对传输单元40进行管理和控制，完成数据的采样和发送，同时数据处理单元30中的驱动电路31对DMD进行调制，调整其偏转角度；
[0062] 传输单元40在数据处理单元30的管理和控制下，传输数据至上位机50；
[0063] 上位机50接收传输单元40的数据，进行数据处理；
[0064] 电源60分别为光学单元10、电路调理模块20、数据处理单元30以及传输装置40提供能量。
[0065] 2、功能单元
[0066] 1)光学单元10
[0067] 光学单元10包括依次连接的光源11、狭缝12、准直透镜13、闪耀光栅14、DMD成像透镜15、DMD 16、成像透镜组17和单点探测器18。
[0068] (1)光源11
[0069] 光源是一种通用外购件，用于提供光信号；
[0070] (2)狭缝12
[0071] 狭缝12是一种光阑，用于限制光通量；
[0072] (3)准直透镜13
[0073] 准直透镜13是一种光学透镜，将入射光准直为平行光；
[0074] (4)闪耀光栅14
[0075] 闪耀光栅14是一种分光器件，将入射的复合光变为单色光；
[0076] (5)DMD成像透镜15
[0077] DMD成像透镜15为光学透镜，用于成像；
[0078] (6)DMD 16
[0079] DMD16采用DLP4500 0.45 WXGA，用于调制光信号；
[0080] (7)成像透镜组17
[0081] 成像透镜组17由普通光学透镜组合而成，用于汇聚成像；
[0082] (8)单点探测器18
[0083] 单点探测器18作为一种光电转换器件，起到将光信号转换为电信号的作用。
[0084] 2)电路调理单元20
[0085] 电路调理单元20包括依次连接的一级放大电路21、滤波电路22和二级放大电路23。
[0086] (1)一级放大电路21
[0087] 一级放大电路21是一种幅度放大电路，作为一级放大主要将有用信号幅度放大，去除杂波。
[0088] (2)滤波电路22
[0089] 滤波电路22是一种滤除信号中的杂波成分的电路。
[0090] (3)二级放大电路23
[0091] 二级放大电路23是一种幅度放大电路，由于信号经过滤波电路22幅度有所下降，需要进一步通过二级放大电路23进行放大处理。
[0092] 3)数据处理单元30
[0093] 数据处理单元30包括驱动电路31、闪存存储器32、JTAG仿真接口33、AD转换34、外部扩展接口35和微控制芯片36；
[0094] 其连接关系是：
[0095] 微控制芯片36分别与包括驱动电路31、闪存存储器32、JTAG仿真接口33、AD转换34和外部扩展接口35相连接；
[0096] 外部扩展接口35与传输单元40连接。
[0097] (1)驱动电路31
[0098] 驱动电路31是一种时序提高电路，用于驱动DMD的偏转。
[0099] (2)闪存存储器32
[0100] 闪存存储器32是一种非易失存储器，用于扩展外部大容量，保存固件和相应的采样数据。
[0101] (3)JTAG仿真接口33
[0102] JATG仿真接口33是微控制芯片36与计算机主机数据通信的重要接口；
[0103] (4)AD转换34
[0104] AD转换34采用24位高精度的ADS1255模数转换器。
[0105] (5)外部扩展接口35
[0106] 主要用于连接传输装置40，实现微控制芯片36与上位机的通信。
[0107] (6)微控制芯片36
[0108] 微控制芯片36选用msp430f169芯片；
[0109] 如图2，微控制芯片36的工作流程如下：
[0110] A、系统初始化-201；
[0111] B、为DMD添加时序-202，控制其偏转方式；
[0112] C、通过DMD返回的参数判断DMD是否驱动成功-203，是则进入步骤D，否则跳转到步骤B；
[0113] D、数据采样与保存-204
[0114] 通过AD转换器进行数据采样，并保存采样后的数据到闪存存储器；
[0115] E、判断是否达到设定的采样次数-205，是则进入步骤F，否则跳转到步骤D；
[0116] F、发送采样数据-206
[0117] 将闪存存储器的数据通过传输装置40发送至上位机；
[0118] G、结束-207。
[0119] 4)传输单元40
[0120] 传输装置40为一种无线收发装置，选用短距离低功耗的蓝牙传输模块，主要负责传送数据处理单元30的数据至上位机，同时传回接收到的参数至微控制芯片36。
[0121] 5)上位机50
[0122] 上位机50选用通用计算机。
[0123] 如图3，压缩感知重构光谱主要在上位机50上实现，其流程如下：
[0124] a、开始-301；
[0125] b、接收由传输装置40传输的采样数据-302；
[0126] c、当所有微镜转至-12°时，记单点探测器18输出的电压为d-303；
[0127] d、当所有微镜转至+12°时，记单点探测器18输出的电压为V0-304；
[0128] e、依次加载预设置的编码模板，记输出电压Vi-305；
[0129] f、令Vi-d-306；
[0130] g、令2Vi-V0-307；
[0131] h、通过选定的测量矩阵——部分阿达玛矩阵和重构算法——SAMP，利用步骤g处理后的数据，重构出原始光谱-308；
[0132] i、结束-309。
[0133] 6)电源60
[0134] 电源60提供12V、5V、3.3V、2.5V直流电压，保证光学单元10、电路调理模块20、数据处理单元30以及传输装置40正常工作。
[0135] 二、方法
[0136] 1、步骤①
[0137] 根据光谱信号稀疏度先验未知的特点，选取了SAMP算法，该算法不必已知光谱信号的稀疏度，而是通过设置步进长度逐步逼近完成信号重构；为实现精确重构，SAMP算法的支撑集需达到信号稀疏度的大小，因此步进长度S不宜选择过大；可通过软件工具MATLAB对SAMP算法的不同步进长度进行对比分析，确定该算法的最优参数。
[0138] 步骤①包括以下步骤：
[0139] 1)选取SAMP算法作为压缩感知的重构算法；
[0140] 2)在相同的步进长度下，通过Matlab工具对比分析常用测量矩阵的重构性能，包括伯努利随机矩阵、部分阿达玛矩阵和托普利兹矩阵和循环矩阵；
[0141] 3)结果表明部分阿达玛矩阵有较好的重构效果，将其制作成编码模板作用于DMD；
[0142] 4)驱动电路控制加载有编码模板的DMD偏转，完成对光信号的调制，最终实现数据的压缩感知采样。
[0143] 2、步骤②
[0144] 反射光经过成像透镜组会聚到单点探测器上，测得该次组合单点探测器输出的光强值。加载有预置模板的DMD，在驱动电路的控制下实现偏转，完成对光信号的调制，实现数据的压缩感知采样，最后进行数据的稀疏化处理，通过SAMP算法重构出光谱。
[0145] 步骤②包括以下步骤：
[0146] 1)在步骤①确定部分阿达玛矩阵作为测量矩阵的基础上，设置的不同步进长度对比分析SAMP算法的重构性能；
[0147] 2)结果表明SAMP算法的步进长度选取的较小时有较好的重构性能，最后确定SAMP算法的优化参数。
[0148] 3、步骤③：
[0149] 在光谱压缩重构系统中，由于整个系统不可避免的会受杂散光影响，且单点探测器存在暗电压、暗电流等不利因素，使得待测量的稀疏光谱信号不能完全满足稀疏条件；这些不利因素最终会以直流信号的形式综合表现在信号之中，因此需要对采样数据进行预处理，去除信号中的直流分量，以消除上述不利因素的影响。此外，由于部分阿达玛矩阵中的元素为±1，这就要求编码模板由透射码元和反射码元组成，“+1”元素表示光信号经过反射后被单点探测器接收，“-1”元素表示光信号经过透射后被单点探测器接收，本文将通过如图3所示的步骤完成对此类矩阵进行处理。
[0150] 根据图3所示的步骤在上位机上进行数据处理，以达到以下目的：
[0151] 1)消除整个系统不可避免的不利因素的影响，使得待测量的稀疏光谱信号满足稀疏条件；
[0152] 2)由于选取部分阿达玛矩阵为测量测量矩阵，而其元素为±1，这就要求编码模板由透射码元和反射码元组成，通过图3所示的步骤优化系统结构。
