時間分辨成像光譜是生物熒光顯微成像、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析、材料分析、環(huán)境監(jiān)測、天文觀測、遙感等領(lǐng)域的研究前沿與熱點之一,而傳統(tǒng)的時間分辨成像光譜儀器通常無法同時獲取圖像和光譜,往往需要利用點掃描方式獲取一維光譜或二維圖像,然后通過陣列探測方式獲取余下的二維圖像或一維光譜,這將無法避免光通量在維度上的分配,導(dǎo)致系統(tǒng)靈敏度的下降,而掃描時間還將犧牲時間分辨率。因而本文的研究重點在于如何利用新原理新方法來解決上述維度問題和靈敏度問題。近年來,壓縮感知CS理論引起越來越多的關(guān)注。該理論指出,自然信號通常具有一定結(jié)構(gòu),有些本身具有稀疏性,而有些可在某個確定的基下稀疏表示,僅用較大系數(shù)的值和位置便能簡潔地表征信號的所有信息,然后對其進行少量非適應(yīng)性的線性測量,通過凸規(guī)劃就能近乎完美恢復(fù)出原始信號,打破了Nyquist-Shannon采樣定理的限制,引發(fā)了諸多應(yīng)用。其中一個典型的應(yīng)用為單像素照相機,其借鑒了計算成像中高通量測量的思想,將物體成像在數(shù)字微鏡器件DMD上,DMD對所成的像進行少量的隨機0-1掩膜調(diào)制,每次調(diào)制選擇圖像部分的像素點,利用收集透鏡將把這些像素點的光強聚合到一個點探測器上,大幅增加光... 

【文章來源】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心)北京市

【文章頁數(shù)】：237 頁

【學(xué)位級別】：博士

【文章目錄】：
摘要
Abstract
第一章 引言
    1.1 信號獲取
        1.1.1 信號的采樣
        1.1.2 信號的稀疏度
        1.1.3 壓縮感知的發(fā)展歷史及其應(yīng)用
    1.2 關(guān)鍵技術(shù)簡介與科學(xué)問題的提出
        1.2.1 傳統(tǒng)時間分辨成像光譜技術(shù)簡介
        1.2.2 單像素照相機的發(fā)展歷程簡介
        1.2.3 單光子探測器和計數(shù)方法簡介
        1.2.4 科學(xué)問題的提出
    1.3 超靈敏單光子時間分辨成像光譜技術(shù)的引出
        1.3.1 超靈敏概念
        1.3.2 超靈敏單光子計數(shù)成像
        1.3.3 超靈敏單光子計數(shù)光譜
        1.3.4 超靈敏單光子成像光譜
        1.3.5 超靈敏單光子時間分辨成像光譜
    1.4 本論文的主要研究工作
第二章 壓縮感知理論及其算法概述
    2.1 稀疏變換
    2.2 單值性評估
        2.2.1 基于Spark的單值性評估
        2.2.2 基于互相關(guān)性的單值性評估
        2.2.3 Spark的上下界的松弛
    2.3 測量矩陣的選取準(zhǔn)則UUP/RIP
    2.4 重建算法
        2.4.1 貪婪算法
        2.4.2 L1松弛算法
        2.4.3 全變分算法
    2.5 壓縮感知算法在圖像去模糊去噪中的應(yīng)用
    2.6 小結(jié)
第三章 超靈敏單光子計數(shù)成像
    3.1 單光子計數(shù)成像
        3.1.1 原理實驗及實驗結(jié)果
    3.2 性能分析
        3.2.1 測量數(shù)對成像質(zhì)量的影響
        3.2.2 光強極弱程度對成像質(zhì)量的影響
        3.2.3 測量時間對成像質(zhì)量的影響
    3.3 單光子壓縮成像相比于點掃描存在的超靈敏優(yōu)勢
    3.4 展望超靈敏單光子計數(shù)成像在天文觀測中的應(yīng)用
        3.4.1 DMD雙臂的可見光和近紅外光同時天文測量
        3.4.2 SNR問題以及衰減總光強使信號接近噪聲水平的問題
        3.4.3 亮暗星相差量級對暗星分辨的影響問題
        3.4.4 星等與光通量之間的換算
    3.5 小結(jié)
第四章 成像系統(tǒng)中存在的噪聲問題及其去除方法研究
    4.1 系統(tǒng)噪聲組成分析
    4.2 單光子壓縮成像與點掃描的散粒噪聲分析
    4.3 測量矩陣非負(fù)性和光子噪聲
    4.4 基于互補雙像素測量的綜合噪聲去除
        4.4.1 望遠(yuǎn)系統(tǒng)中的互補壓縮成像
    4.5 基于DMD互補調(diào)制的綜合噪聲去除
        4.5.1 基于壓縮感知和互補調(diào)制的單像素顯微
        4.5.2 基于互補調(diào)制的單像素壓縮反射物體三維成像
        4.5.3 基于互補調(diào)制的熱光壓縮運動目標(biāo)跟蹤
    4.6 測量噪聲補償
    4.7 小結(jié)
第五章 噪聲的潛在應(yīng)用
    5.1 基于超靈敏單光子計數(shù)成像系統(tǒng)的公網(wǎng)密鑰分發(fā)
        5.1.1 多方安全通信中的單點對多點公網(wǎng)密鑰分發(fā)協(xié)議
        5.1.2 公網(wǎng)密鑰分發(fā)實驗和相關(guān)結(jié)果
        5.1.3 安全性分析
    5.2 利用統(tǒng)計特性解釋正負(fù)鬼成像與基于Pearson相關(guān)系數(shù)的鬼成像
        5.2.1 正負(fù)鬼成像與相關(guān)系數(shù)成像的光學(xué)實驗
        5.2.2 正負(fù)鬼成像的數(shù)學(xué)統(tǒng)計解釋
        5.2.3 基于Pearson相關(guān)系數(shù)的鬼成像的統(tǒng)計數(shù)學(xué)解釋
    5.3 小結(jié)
第六章 超靈敏單光子成像光譜
    6.1 基于線陣探測器的壓縮成像光譜
    6.2 基于雙DMD調(diào)制的超靈敏單光子成像光譜
        6.2.1 雙DMD超靈敏單光子成像光譜實驗與收光效率分析
        6.2.2 成像光譜同時測量的初步結(jié)果
        6.2.3 性能分析
    6.3 小結(jié)
第七章 超靈敏單光子時間分辨成像光譜
    7.1 基于線陣探測器和單DMD調(diào)制的單光子時間分辨成像光譜
    7.2 基于雙DMD調(diào)制的超靈敏單光子時間分辨成像光譜
        7.2.1 對非周期變化的長時間序列物體的時間分辨策略
        7.2.2 對周期變化熒光物體的基于等時間間隔測量的時間分辨策略
        7.2.3 對周期變化熒光物體的基于門寬延遲的時間分辨策略
        7.2.4 對周期變化熒光物體的基于光子到達時間的時間分辨策略
        7.2.5 時間分辨成像光譜原理
    7.3 小結(jié)
第八章 壓縮感知算法重建
    8.1 大圖重建面臨的內(nèi)存存儲問題
    8.2 壓縮感知算法計算復(fù)雜度
    8.3 測量矩陣構(gòu)造
        8.3.1 稀疏測量矩陣
        8.3.2 基于Hadamard矩陣與排列矩陣的測量矩陣
    8.4 基于小波樹和稀疏表示的自適應(yīng)壓縮成像
        8.4.1 自適應(yīng)壓縮成像和結(jié)果
        8.4.2 結(jié)果分析
        8.4.3 潛在應(yīng)用
    8.5 基于接受者操作特性曲線的算法評價體系
        8.5.1 ROC分析理論
        8.5.2 基于DMD的計算鬼成像實驗與常見算法簡述
        8.5.3 不同重建算法的性能評估
    8.6 小結(jié)
第九章 總結(jié)與展望
附錄A 基礎(chǔ)知識和公式
    A.1 圖像質(zhì)量評價
        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）
參考文獻
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申請專利目錄
簡歷
致謝


【參考文獻】：
期刊論文
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本文編號：3137719