CN102768069A - 一种互补测量的单光子光谱计数成像***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种互补测量的单光子光谱计数成像***及方法，该***在可见光和近红外光范围内分别选取若干对应不同波长的单光子点探测单元组成两个线阵，和光谱分光部件一起分配到空间光调制器的两臂出射方向以便采样。该方法包括以下步骤：空间光调制器将成像在其上的光反射至两臂方向，分别准直分光，一臂取可见光光谱，一臂取近红外光光谱，由相应单光子探测器线阵进行探测。根据互补矩阵、计数值和通道所对应的波长信息，关联的压缩传感算法可重建出可见光和近红外光彩色图像，统计出波长—光功率的光谱图以便光谱分析。本发明解决了现有成像光谱仪器无法同时探测可见光和近红外光光谱的问题，具有低维度、高通量、高灵敏度、高分辨率等优点。

Description

一种互补测量的单光子光谱计数成像***及方法

技术领域

本发明涉及极弱光成像光谱的技术领域，特别涉及一种互补测量的单光子光谱计数成像***及方法。

背景技术

在光谱成像测量分析、生物检测、星空探测、夜视观测、极弱光探测、浓度检测、遥感成像、医疗成像、监控等新兴高科技领域，不仅需要探测极弱光，还要对若干个光谱波段进行成分分布分析，且可见光的成像光谱探测已经无法满足需求，科学家们更多时候需要知道近红外光波段的光谱信息。此外，现有成像光谱仪器对极弱光不敏感，大多采用扫描方式，稳定性差，很难达到成像高精度的要求。由于激光器一般工作在倍频的波长上，波长范围有限，常规的成像探测器也仅工作在可见光波段，很难实现对极弱光对象进行可见光和近红外光的宽谱成分分布的同时检测分析，亟待一种全新的成像光谱***来满足日益增长的科研需求。

本发明为解决上述问题而应运而生，同时也是基于前人工作的改进与创新。在本领域，本研究所已有一份相关专利：《一种极弱光多光谱成像方法及其***》（申请号或专利号：201110166471.6，申请人或专利权人：中国科学院空间科学与应用研究中心），在该专利申请中由于没有考虑随机测量矩阵的特点所以仅采用空间光调制器（SLM）的一臂反射光路进行光子收集分光，且所采用的算法重建质量差，运算量大，原理上尚存在一定技术上的缺陷，本发明为了克服上述技术缺陷充分考虑技术特征之间的关系提出一种互补测量的单光子光谱计数成像***及方法，采用双臂互补测量，可见光与近红外光同时测量，改进了原理和算法，并提出波长-光功率的光谱图的生成方法，以解决上述一系列的问题。

光谱成像是获得和显示精确颜色信息的重要技术，原因之一是光谱图像包含了光谱信息，原因之二是光谱成像技术很好地克服了同色异谱现象。对极弱光对象的光谱成像更是在多种领域有广泛的应用前景。

光子计数成像就是一种极弱光探测技术，通过记录成像位置的光子计数，计数等效于光强信息，于是得到光强的空间分布情况，最后累计出一幅图像。

现有的成像光谱技术必须将一维光谱、二维平面图像中的任何一维，以辅助扫描的方式来实现，由于纳米位移扫描平台的稳定性差、扫描过程复杂，不仅增加了制造成本，也极大延长了待测物体的测试时间，对于某些生物样品而言会降低成功率。这样带来的弊端是采样时间必须给扫描留出充分的空间。若一维光谱以扫描形式实现时，必须采用面元探测器（由大量的光敏探测元件组成）进行探测，如ICCD、EMCCD、APDs等。面元探测器在对极弱光进行探测时需要曝光一定时间（即积分时间），平均到单位像素上的光通量极小，加上暗计数的影响，信噪比较差，极难准确推算落在该像元上的光强值，具有灵敏度的问题。其中ICCD、EMCCD都号称可以做到单光子探测，但需深度半导体制冷，成本昂贵，ICCD空间分辨率较差，而EMCCD空间分辨率稍好，存在的共同问题都是弱光下很难对仪器噪声进行控制或线性输出；而APDs可以工作在盖革模式，但尚处在研究阶段，而且高精度的APD阵列很难制造和流片，林肯实验室对外公布的APD阵列也仅有64×256像素，对中国禁运，且目前的APD阵列波长响应范围十分有限，仅在中可视波段达到量子效率峰值，由于每个像素都极小，光通量必须平均分配在整个阵列上，那么散粒噪声的影响将变得十分显著。

所述压缩传感（Compressive Sensing，简称CS）理论是由Donoho、Candès和Tao等人提出的一个全新数学理论，实现以随机采样的方式、更少的数据采样数（远低于奈奎斯特/香农采样定理的极限）来完美地恢复信号，且具有更高鲁棒性。该原理先压缩采样，将被测信号由高维向低维映射并对其进行采样，选取合适的稀疏变换框架Ψ，使得x经Ψ变换所得向量

是稀疏的，然后根据观测数据y、测量矩阵A和框架Ψ，求解最后由

反演出x。

所述空间光调制器（Spatial Light Modulator，简称SLM）是一类能将信息加载于一维或两维的光学数据场上，在随时间变化的电驱动信号或其它信号的控制下，可对空间上光分布的强度进行调制的实时光信息处理器件，可将按空间光调制器规定的角度入射的光以一定概率反射至两个方向，一般采用二值表征反射方向的状态，常见的空间光调制器有数字微镜器件、液晶光阀、毛玻璃等。其中，数字微镜器件（Digital Micro-mirror Device，简称DMD），是世界上最精密的光开关。DMD的核心是由成千上万个安装在铰链上的微反射镜组成的微镜阵列（主流的DMD由1024×768的阵列构成，最大可至2048×1152），每一镜片的尺寸为14μm×14μm（或16μm×16μm）并可以通断一个像素的光，这些微镜皆悬浮着，通过对每一个镜片下的存储单元都以二进制平面信号进行电子化寻址，便可让每个镜片以静电方式向两侧倾斜，把这两种状态记为1和0，分别对应“开”和“关”，当镜片不工作时，它们处于0°的“停泊”状态。

如何实现对极弱光对象的高质量成像光谱测量，如何规避机械扫描对成像分辨率的制约，如何降低测量维度及测量规模，这对成像光谱提出新的挑战，本发明以高通量弥补现有技术在信噪比上的缺陷，以双臂探测实现可见光及近红外光的观测，运用压缩传感理论来提高成像质量并减少测量规模。

发明内容

本发明的目的在于，为实现对观测物体可见光与近红外光的光谱成分同时进行分析目标，解决常规光谱成像方法存在的维度扫描、重建精度差、对极弱光不敏感等问题，从而提供一种互补测量的单光子光谱计数成像***及方法。

本发明以压缩传感理论为基础，以可见光单光子探测器线阵和近红外光单光子探测器线阵作为探测元件，采用互补测量技术和光谱分光技术将空间光调制器两臂的反射光同时收集、分光、探测，然后利用压缩传感思想进行重建，恢复出可见光及近红外光的彩色图像，并进行相关光谱分析。

为实现上述目的，本发明提供了一种互补测量的单光子光谱计数成像***，其特征在于，所述***包含：

光学成像部件、空间光调制器、第一组收光准直部件、第二组收光准直部件、第一组光谱分光部件、第二组光谱分光部件、可见光单光子探测器线阵、近红外光单光子探测器线阵、多通道计数器及信息处理单元；其中，携带待测物体信息的光通过所述光学成像部件成像在所述空间光调制器上，经所述空间光调制器的随机光调制后的出射光被分成两臂方向传输；

所述第一组收光准直部件、第一组光谱分光部件和可见光单光子探测器线阵设置于第一臂方向，用于探测可见光光谱的光子，输出若干组脉冲波形；所述第二组收光准直部件、第二组光谱分光部件和近红外光单光子探测器线阵设置于第二臂方向，用于探测近红外光光谱的光子，输出若干组脉冲波形；

所述多通道计数器设置于经由所述可见光单光子探测器线阵和近红外光单光子探测器线阵后的电路上，用于对每个通道下的脉冲波形进行滤波、鉴别和累计计数；

所述信息处理单元根据所述空间光调制器上的互补矩阵、多通道计数器上的各计数值及多通道计数器上各计数通道所对应的波长信息，运用关联的压缩传感算法重建出可见光和近红外光的彩色图像，并能对特定波长下的成分进行进一步分析。

上述技术方案中，所述的可见光单光子探测器线阵和近红外光单光子探测器线阵是由若干个对应不同波长工作在盖革模式下的单光子点探测器组成的线性阵列，针对可见光波段和近红外光波段分别选择若干个对应不同波长的单光子点探测元件，可搭配多组滤光片使用；

所述可见光单光子探测器线阵和近红外光单光子探测器线阵两者位置能够相互置换；

所述可见光单光子探测器线阵和近红外光单光子探测器线阵的探测方式采用光纤准直或自由空间耦合方式；

其中，可见光单光子探测器线阵和近红外光单光子探测器线阵也可由雪崩二极管阵列使能某一行或某一列获得。

上述技术方案中，当空间光调制器上的随机矩阵每变换一次，所述多通道计数器记录一次计数，其输出的若干组计数值作为信息处理单元所采用的压缩传感算法中的测量值。

上述技术方案中，所述的第一组光谱分光部件和第二组光谱分光部件均包括：光准直部分、分光部分、角度测量部分、光度观察和测量部分；收光部件与所述光准直部分配合使用，用于将空间光调制器上的某一臂方向上的出射光全部收集并初步准直。

优化的，当极弱光光强超出所述可见光单光子探测器线阵或近红外光单光子探测器线阵的探测范围时，在所述可见光单光子探测器线阵或近红外光单光子探测器线阵前的任意光路位置上设置衰减片，用于将光衰减到所述单光子探测器线阵的探测范围。

基于上述***本发明还提供了一种互补测量的单光子光谱计数成像方法，所述方法包含：

步骤101）携带待测物体信息的光通过光学成像部件成像在空间光调制器上，经所述空间光调制器的随机光调制，出射光以一定概率分成两臂方向；

步骤102）在两臂出射方向分别对光束进行分光和会聚收集，收集于可见光单光子探测器线阵和近红外光单光子探测器线阵中，以光子计数形式记录在多通道计数器中；

步骤103）通过压缩传感算法实现可见光和近红外光的彩色图像重建或相关光谱分析，完成互补测量的单光子光谱计数成像。

上述技术方案中，所述步骤103）进一步包含：

步骤103-1），用于压缩采样的步骤：

由空间光调制器对入射至其上的光进行随机光调制，使得两路出射光分别以一定概率投向后续的收光准直部件和单光子探测器线阵，空间光调制器上的随机阵列每变换一次，同时测量并记录下两个光谱带上若干特定波长所对应的总光子数，等效于测量光谱带上若干点的光强，测量M次，M远小于待测信号维度N，以完成被测信号在可见光波段和近红外光波段的同时压缩采样；

其中，所述空间光调制器是指在随时间变化的信号的控制下，可对空间上光分布的强度进行调制的实时光信息处理器件，可将按空间光调制器规定的角度入射的光以一定概率反射至两个方向，所述随机光调制是指空间光调制器上的调制矩阵的是真随机的，该矩阵采用二值表征反射方向的状态；

步骤103-2），用于稀疏重建的步骤：

将可见光单光子探测器线阵和近红外光单光子探测器线阵在空间光调制器随机阵列两次变换间隔内探测到的总光子数作为两组测量值y_i和y′_i，分别对应随机矩阵a_i和矩阵的补a′_i，由于矩阵元素用0和1二值表示，矩阵的补即I-a，其中I是单位阵；

将a_i和a′_i分别拉伸至一行，分别作为可见光测量矩阵A和近红外光测量矩阵A′中的第i行，测量M次，两个测量矩阵都共计M行，设可见光单光子探测器线阵有P个点，近红外光单光子探测器线阵有Q个点，则两臂的测量值分别有P组和Q组，每组都共计M维，若两臂各特定地选取若干组数据，大于等于三组，利用关联的压缩传感重建算法重建观测对象在可见光波段和近红外光波段的彩色图像，其中近红外光波段的彩色图像是标记出来的，即按波长从大到小选取三种红外波长标识为红绿蓝三原色；若任取一组数据便可进行该波长的成分分析。

上述技术方案中，将各通道的计数进行统计，将光子计数换算成光功率，结合各通道所对应的波长信息，便可统计出一个波长—光功率的光谱图，进而获得观测物体的特征峰。

上述技术方案中，所述压缩传感的数学模型如下：

在可见光范围和近红外光范围各任取一个特定波长，该两波长下的信号拉伸至一列：则采样过程可看作两组测量矩阵与两特定波长信号作内积的过程，分别得到两组观测向量y_pi，y′_qi,i＝1,2,...,M,p=1,2,...,P,q=1,2,...,Q，其中

（K<M＜＜N），

是***噪声，如果x是可压缩或可稀疏表达的，则

其中Ψ=[ψ₁,ψ₂,...,ψ_N]是稀疏变换矩阵，

即关联稀疏度，那么，压缩采样的过程可以描述为下式：

$[y_p,y_q^{\&prime;}]=[\mathrm{A\&Psi;}{\stackrel{\&OverBar;}{x}}_p+e,A^{\&prime;}\mathrm{\&Psi;}{\stackrel{\&OverBar;}{x}}_q^{\&prime;}+e^{\&prime;}]$

其中，将A设置为二值随机测量矩阵；

所述的稀疏重建是在已知观测数据y_p,y′_q和测量矩阵A,A′的条件下求解x_p,x′_q，用压缩传感的策略进行求解，具体算法描述为下式：

$\underset{{\stackrel{\&OverBar;}{x}}_p}{\min }\frac{1}{2}{\left|\right|y_p-\mathrm{A\&Psi;}{\stackrel{\&OverBar;}{x}}_p\left|\right|}_2^2+\mathrm{\&tau;}{\left|\right|{\stackrel{\&OverBar;}{x}}_p\left|\right|}_1,\underset{{\stackrel{\&OverBar;}{x}}_q^{\&prime;}}{\min }\frac{1}{2}{\left|\right|y_q^{\&prime;}-A^{\&prime;}\mathrm{\&Psi;}{\stackrel{\&OverBar;}{x}}_q^{\&prime;}\left|\right|}_2^2+\mathrm{\&tau;}{\left|\right|{\stackrel{\&OverBar;}{x}}_q^{\&prime;}\left|\right|}_1$

其中，||…||_l代表范数算符，仅需M≤O(K·log(N/K))次测量，便可反演出待测物体在可见光波段和近红外光波段两个特定波长下的光强空间分布信息x_p和x′_q，若在可见光和近红外光波段各自特定地选取3组测量数据，重复使用上述模型，采用三原色原理便可重建出可见光波段和近红外光波段的彩色图像。

上述技术方案中，所述的关联的压缩传感算法基于两个满足互补关系的测量矩阵，核心算法策略将单位阵看作测量矩阵参与运算，所述核心算法基于压缩传感算法，运算后加入修正参数，修正处理后的所得值再与x_p做符合运算，便得到x′_q，使得可见光信号x_p与近红外光信号x′_q能同时获得。

与现有技术相比本发明的优点在于：本发明以压缩传感理论、互补测量技术和光谱分光技术为基础，通过空间光调制器随机光调制，以可见光单光子探测器线阵和近红外光单光子探测器线阵作为探测元件，进行双臂探测，实现了以线阵采样维度获取空间二维、光谱维等三维信息参量，极大节省探测维度，可对极弱光可见光信息和近红外光信息进行同时测量，可获取更多的光谱信息，可对任意感兴趣的波长进行物体成分分析，有助于推进相关领域的迅猛发展，灵敏度可以达到单光子水平，分辨率高。采用互补测量的方式，可缩小计算量，改进的关联压缩传感算法利用测量矩阵互补的特点提高算法重建精度，并能计算像素更大的图像。本发明在已有基础上扩展了近红外光探测范围，且可见光和近红外光探测可同时进行，在特殊前沿科研领域具有广阔应用前景，无需扫描，直接线阵成像，无机械振动影响，光通量高，信噪比高，波长覆盖范围广，解决了光谱领域供需之间的矛盾。

基于以上优点和创新点，本发明可广泛应用于光谱成像测量分析、生物成分检测、天文观测、夜视观测、极弱光探测、浓度检测、医疗成像、军事国防、监控、遥感成像、鬼成像等领域。

附图说明

图1是本发明的互补测量的单光子光谱计数成像***的结构示意图；

图2是本发明实施例的模拟实验结果，M17SWex星云可见光图像红绿蓝三原色分解及图像重建；其中，（a）是M17SWex星云可见光原图像的R分量图、（b）是M17SWex星云可见光原图像的G分量图、（c）是M17SWex星云可见光原图像的B分量图，（d）是M17SWex星云可见光原图像的彩色原图；（e）是可见光R分量的重建图、（f）是可见光G分量的重建图、（g）是可见光B分量的重建图,（h）是根据RGB三分量反演出的可见光彩色图；

图3是本发明实施例的模拟实验结果，M17SWex星云红外光图像红绿蓝三原色分解及图像重建；其中，（a）、（b）、（c）、（d）分别是M17SWex星云红外光原图像的R、G、B分量和彩色原图；（e）、（f）、（g）分别是红外光R、G、B分量的重建图，（h）是根据这三分量反演出的红外光彩色图。

附图标识

1、光学成像部件                2、空间光调制器

3、第一组收光准直部件          4、第二组收光准直部件

5、第一组光谱分光部件          6、第二组光谱分光部件

7、可见光单光子探测器线阵      8、近红外光单光子探测器线阵

9、多通道计数器

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明提出的一种互补测量的单光子光谱计数成像***，其特征在于，该互补测量的单光子光谱计数成像***采用压缩传感理论、互补测量技术和光谱分光技术，并以可见光单光子探测器线阵和近红外光单光子探测器线阵作为探测元件，单光子多光谱计数成像，输出可见光和近红外光的彩色图像，并能进行相关光谱分析；

所述的互补测量的单光子光谱计数成像***包括：光学成像部件、空间光调制器、两个收光准直部件、两个光谱分光部件、可见光单光子探测器线阵、近红外光单光子探测器线阵和多通道计数器；

其中，携带待测物体信息的光通过光学成像部件成像在空间光调制器（SLM）上，经空间光调制器的随机光调制，出射光以一定概率分成两臂方向，先分别对两臂上的光进行准直和光谱分光，一臂取可见光光谱，一臂取近红外光光谱，分别收集进可见光单光子探测器线阵和近红外光单光子探测器线阵，并以计数形式记录在多通道计数器中的若干个通道中，最后根据空间光调制器上的互补矩阵、多通道计数器上多组计数值和通道所对应的波长信息，运用关联的压缩传感算法即可重建出可见光和近红外光的彩色图像，并能对特定波长下的成分进行进一步分析。

所述的单光子探测器线阵是由若干个对应不同波长工作在盖革模式下的单光子点探测器组成的线性阵列，具备单光子分辨能力，在可见光波段和近红外光波段分别选择若干个对应不同波长的单光子点探测元件，可搭配多组滤光片使用，在可见光范围的组成一个线阵，近红外光范围的组成另一个线阵，分别设置在空间光调制器的两臂出射方向，两者位置可相互置换，探测方式可采用光纤准直或自由空间耦合方式；所述单光子探测器线阵也可由雪崩二极管（APD）阵列使能某一行或某一列获得。

所述的单光子探测器线阵需配合多通道计数器使用，单光子探测器线阵用于探测光子，输出若干组脉冲波形，多通道计数器用于对每个通道下的脉冲波形进行滤波、鉴别和累计计数，空间光调制器上的随机矩阵每变换一次，记录一次计数，其输出的若干组计数值作为压缩传感算法中的测量值。

所述的光谱分光部件包括：光准直部分、分光部分、角度测量部分、光度观察和测量部分，用于光谱分光和测量分析，一般采用棱镜分光或光栅分光；收光准直部件配合其使用，用于将空间光调制器上的某一臂方向上的出射光全部收集并初步准直。

可选的，当极弱光光强超出单光子探测器线阵的探测范围时，需在单光子探测器线阵前的任意光路位置上设置合适的衰减片，用于将光衰减到单光子探测器线阵的探测范围，若极弱光光强已经在单光子探测器线阵的探测范围内，则无需再设置衰减片。

本发明还提出一种互补测量的单光子光谱计数成像方法，其特征在于，该方法采用了压缩传感理论、互补测量技术和光谱分光技术，在空间光调制器两臂出射方向分别对光束进行分光和会聚收集，收集于可见光单光子探测器线阵和近红外光单光子探测器线阵中，以光子计数形式记录在多通道计数器中，通过压缩传感算法实现可见光和近红外光的彩色图像重建及相关光谱分析，所述方法包含如下步骤：

步骤1，用于压缩采样的步骤：

由空间光调制器对入射至其上的光进行随机光调制，使得两路出射光分别以一定概率投向后续的收光准直部件和单光子探测器线阵，空间光调制器上的随机阵列每变换一次，同时测量并记录下两个光谱带上若干特定波长所对应的总光子数，等效于测量光谱带上若干点的光强，测量M次，M远小于待测信号维度N，以完成被测信号在可见光波段和近红外光波段的同时压缩采样；

所述空间光调制器是指在随时间变化的电驱动信号或其它信号的控制下，可对空间上光分布的强度进行调制的实时光信息处理器件，可将按空间光调制器规定的角度入射的光以一定概率反射至两个方向，其方向并不需要是某个固定角度，可限定在一定角度范围内，所述随机光调制是指空间光调制器上的调制矩阵的是真随机的，一般采用二值表征反射方向的状态，常见的空间光调制器有数字微镜器件(DMD)、液晶光阀、毛玻璃等；

步骤2，用于稀疏重建的步骤：

将可见光单光子探测器线阵和近红外光单光子探测器线阵在空间光调制器随机阵列两次变换间隔内探测到的总光子数作为两组测量值y_i和y′_i，分别对应随机矩阵a_i和矩阵的补a′_i，由于矩阵元素用0和1二值表示，矩阵的补即I-a，其中I是单位阵，将a_i和a′_i分别拉伸至一行，分别作为可见光测量矩阵A和近红外光测量矩阵A′中的第i行，测量M次，两个测量矩阵都共计M行，设可见光单光子探测器线阵有P个点，近红外光单光子探测器线阵有Q个点，则两臂的测量值分别有P组和Q组，每组都共计M维，若两臂各特定地选取3组数据，利用关联的压缩传感重建算法便可重建出观测对象在可见光波段和近红外光波段的彩色图像，其中近红外光波段的彩色图像是标记出来的，即按波长从大到小选取三种红外波长标识为红绿蓝三原色；若任取一组数据便可进行该波长的成分分析。

将各通道的计数进行统计，将光子计数换算成光功率，结合各通道所对应的波长信息，便可统计出一个波长—光功率的光谱图，进而获得观测物体的特征峰。

其数学模型如下：

在可见光范围和近红外光范围各任取一个特定波长，该两波长下的信号拉伸至一列：

则采样过程可看作两组测量矩阵与两特定波长信号作内积的过程，分别得到两组观测向量y_pi，y′_qi,i＝1,2,...,M,p=1,2,...,P,q=1,2,...,Q，其中

（K<M＜＜N），

是***噪声，如果x是可压缩或可稀疏表达的，则

其中Ψ=[ψ₁,ψ₂,...,ψ_N]是稀疏变换矩阵（即稀疏框架），即关联稀疏度，那么，压缩采样的过程可以描述为下式：

$[y_p,y_q^{\&prime;}]=[\mathrm{A\&Psi;}{\stackrel{\&OverBar;}{x}}_p+e,A^{\&prime;}\mathrm{\&Psi;}{\stackrel{\&OverBar;}{x}}_q^{\&prime;}+e^{\&prime;}]$

其中AΨ,A′Ψ均需满足Restricted Isometry Property（RIP），A,A′与Ψ需不相关，由于A,A′互补，为满足上述条件，本发明中仅需将A设置为二值随机测量矩阵；

所述的稀疏重建是在已知观测数据y_p,y′_q和测量矩阵A,A′的条件下求解x_p,x′_q，这是一个NP-hard问题，但转化为l1范数或l2范数问题，便可用压缩传感的思想进行求解，算法可分许多种类型，作为范例，取其中一种常见的表述方式，描述为下式：

$\underset{{\stackrel{\&OverBar;}{x}}_p}{\min }\frac{1}{2}{\left|\right|y_p-\mathrm{A\&Psi;}{\stackrel{\&OverBar;}{x}}_p\left|\right|}_2^2+\mathrm{\&tau;}{\left|\right|{\stackrel{\&OverBar;}{x}}_p\left|\right|}_1,\underset{{\stackrel{\&OverBar;}{x}}_q^{\&prime;}}{\min }\frac{1}{2}{\left|\right|y_q^{\&prime;}-A^{\&prime;}\mathrm{\&Psi;}{\stackrel{\&OverBar;}{x}}_q^{\&prime;}\left|\right|}_2^2+\mathrm{\&tau;}{\left|\right|{\stackrel{\&OverBar;}{x}}_q^{\&prime;}\left|\right|}_1$

其中||…||_l代表范数算符，

仅需M≤O(K·log(N/K))次测量，便可反演出待测物体在可见光波段和近红外光波段两个特定波长下的光强空间分布信息x_p和x′_q，若在可见光和近红外光波段各自特定地选取3组测量数据，重复使用上述模型，采用三原色原理便可重建出可见光波段和近红外光波段的彩色图像。

可选的，所述压缩传感算法包括：贪心重建算法、匹配跟踪算法MP、正交匹配跟踪算法OMP、基跟踪算法BP、LASSO、LARS、GPSR、贝叶斯估计算法、magic、IST、TV、StOMP、CoSaMP、LBI、SP、l1_ls、smp算法、SpaRSA算法、TwIST算法、l₀重建算法、l₁重建算法、l₂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，在算的技巧上会略有区别，以TV算法为例作算法核心思想说明：

TV模型为：

s.t.Au=b，等价于s.t.Au=b且D_iu=w_i；相应的增广拉格朗日问题为：

$\underset{w_i,u}{\min }\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}({\left|\right|w_i\left|\right|}_2-v_i^T(D_{i}u-w_i)+\frac{\mathrm{\&beta;}}{2}{\left|\right|D_{i}u-w_i\left|\right|}_2^2)-{\mathrm{\&lambda;}}^T(\mathrm{Au}-b)+\frac{\mathrm{\&mu;}}{2}{\left|\right|\mathrm{Au}-b\left|\right|}_2^2$

输入b,A,μ，β>0，初始化u=b；

当没有收敛时，通过交替方向方案（alternating direction scheme）来近似最小化增广拉格朗日功能函数，并不断更新乘子，即重复以下三步操作：

步骤(1)固定u不变，按下式计算w

$w_i=\max \{{\left|\right|D_{i}u-v_i/\mathrm{\&beta;}\left|\right|}_2-\frac{1}{\mathrm{\&beta;}},0\}\frac{D_{i}u-v_i/\mathrm{\&beta;}}{{\left|\right|D_{i}u-v_i/\mathrm{\&beta;}\left|\right|}_2}$

步骤(2)固定w不变，按下式计算u

$u=F^{-1}\left(\frac{F\left(D^{\left(1\right)}\right)*\mathrm{oF}\left(w_1\right)+F{\left(D^{\left(2\right)}\right)}^{*}\mathrm{oF}\left(w_2\right)+(\mathrm{\&mu;}/\mathrm{\&beta;})F{\left(A\right)}^{*}\mathrm{oF}\left(b\right)}{F\left(D^{\left(1\right)}\right)*\mathrm{oF}\left(D^{\left(1\right)}\right)+F{\left(D^{\left(2\right)}\right)}^{*}\mathrm{oF}\left(D^{\left(2\right)}\right)+(\mathrm{\&mu;}/\mathrm{\&beta;})F{\left(A\right)}^{*}\mathrm{oF}\left(A\right)}\right)$

其中，D⁽¹⁾和D⁽²⁾分别是一阶有限矩阵水平差异和垂直差异，F为二维离散傅里叶变换，^*表示复数共轭，o表示数乘；

步骤(3)更新乘子： $v_i\&LeftArrow;v_i-\mathrm{\&beta;}(D_i\hat{u}-{\hat{w}}_i),$ $\mathrm{\&lambda;}\&LeftArrow;\mathrm{\&lambda;}-\mathrm{\&mu;}(A\hat{u}-b).$

所述的关联的压缩传感算法是基于两个测量矩阵是互补的而提出的，核心算法思想在于将单位阵看作测量矩阵参与运算，在所述的算法思想的基础上加入修正参数，所得值再与x_p做符合运算，便得到x′_q，极大简便运算，缩小存储空间，可见光信号x_p与近红外光信号x′_q可同时获得。

如图1所示，携带观测物体信息的极弱光经光学成像部件1成像在空间光调制器2上。空间光调制器可对入射光进行随机光调制，使其以一定概率出射至两臂方向，在这两臂出射方向上分别设置第一组收光准直部件3和第二组收光准直部件4、第一组光谱分光部件5、第二组光谱分光部件6、可见光单光子探测器线阵7和近红外光单光子探测器线阵8，两组收光准直部件用于将两臂的反射光收集和初步准直，两组光谱分光部件将两臂的光进一步准直，进而分光谱测量，投射在单光子探测器线阵上。需说明的是，可见光单光子探测器线阵7和近红外光单光子探测器线阵8的位置可置换。单光子探测器线阵输出的脉冲波形输入到多通道计数器9的若干计数通道中，分别进行滤波、鉴别和累计计数。最后信息处理单元根据空间光调制器2上的互补矩阵、多通道计数器9的若干个计数通道上的多组测量值以及各通道所对应的波长信息，便可分别恢复出可见光和近红外光的彩色图像，并能对感兴趣的波长进行成分分布分析，还能输出波长-光功率的光谱图，进而获得观测物体的特征峰。

需要说明的是，当极弱光光强超出可见光单光子探测器线阵7和近红外光单光子探测器线阵8的探测范围时，需在单光子探测器线阵前的任意光路位置上设置合适的衰减片，用于将光衰减到单光子探测器线阵的探测范围，若极弱光光强已经在单光子探测器线阵的探测范围内，则无需再设置衰减片。

为验证本***算法的可行性和实用性，在模拟实验中选取M17SWex星云的可见光图像和红外光图像进行R、G、B三原色分解，来模拟光谱各波长通道下的光信号，分别乘上相应的二值随机测量矩阵，其中可见光和红外光图像所采用的测量矩阵互补，所得值再加载加性白噪声，得到模拟的各波长通道下的计数测量值，在假设不知道原图像的情况下采用本发明所提出的方法进行重建，恢复出可见光和红外光的彩色图像。实验中所有图像的分辨率为300×600，采用TV算法进行图像重建，得到图2、图3所示的结果，其中，图2（a）、图2（b）、图2（c）、图2（d）分别是M17SWex星云可见光原图像的R、G、B分量和彩色原图；图2（e）、图2（f）、图2（g）分别是可见光R、G、B分量的重建图，图2（h）是根据这三分量反演出的可见光彩色图；图3（a）、图3（b）、图3（c）、图3（d）分别是M17SWex星云红外光原图像的R、G、B分量和彩色原图；图3（e）、图3（f）、图3（g）分别是红外光R、G、B分量的重建图，图3（h）是根据这三分量反演出的红外光彩色图；从成像质量上看，重建彩图与原彩图差异极低，因而成像质量极高，应用前景广泛。

需要说明的是，M17SWex可见光星云原图来自英国施密特望远镜的数字化巡天(Digitized Sky Survey，简称DSS)，M17SWex红外光星云原图来自Spitzer空间望远镜，在红外光图像中，我们可以清晰看到一个似乎龙形的尘埃云从一次明亮的***中向外飞出，但在可见光图像中，这部分尘埃云完全笼罩在阴影中，无法分辨。红外光图像呈现出的这个龙形尘埃云被称作M17SWex，很有可能是正在形成中的恒星。这些大规模的恒星照亮了在图像中心的M17星云，也吹起了一个巨大的位于M17左边缘的由发光气体和尘埃构成“泡沫”。这一区域的恒星和气体现在正从右向左穿过人马座旋臂的银河系，引起了银河的“多米诺骨牌效应”。M17的SWex龙形星云在可见光下隐藏在不透明的尘埃云中。而用红外线便能捕捉到这隐藏在“乌云”下的区域，从而揭示恒星形成早期阶段的情况。其实红外光是不可见的，是没有颜色的，图中的颜色是标识出来的，同样采用三原色原理，红色标识24000nm的光，绿色标识8000nm的光，蓝色标识3600nm的光。若待测数据是近红外光，原理一样。从该实施例可看出，本发明对揭示天文物理现象有很大帮助，将在天文观测中大展宏图。本发明的实施例不并局限于此，在其它如光谱成像测量分析、生物成分检测、夜视观测、极弱光探测、浓度检测、医疗成像、军事国防、监控、遥感成像、鬼成像等前沿科研领域都将有很好的应用。

最后需要说明的是，具体实施方式中所述算法已经经过大量实验数据验证，是真实可靠的，搭配硬件便可实现本发明的技术方案。所述所有实施例仅为对本发明进行进一步详细说明，并非绝对，可相应扩展。本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改、添加、删减或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种互补测量的单光子光谱计数成像***，其特征在于，所述***包含：

光学成像部件、空间光调制器、第一组收光准直部件、第二组收光准直部件、第一组光谱分光部件、第二组光谱分光部件、可见光单光子探测器线阵、近红外光单光子探测器线阵、多通道计数器及信息处理单元；其中，携带待测物体信息的光通过所述光学成像部件成像在所述空间光调制器上，经所述空间光调制器的随机光调制后的出射光被分成两臂方向传输；

所述第一组收光准直部件、第一组光谱分光部件和可见光单光子探测器线阵设置于第一臂方向，用于探测可见光光谱的光子，输出若干组脉冲波形；所述第二组收光准直部件、第二组光谱分光部件和近红外光单光子探测器线阵设置于第二臂方向，用于探测近红外光光谱的光子，输出若干组脉冲波形；

所述多通道计数器设置于经由所述可见光单光子探测器线阵和近红外光单光子探测器线阵后的电路上，用于对每个通道下的脉冲波形进行滤波、鉴别和累计计数；

所述信息处理单元根据所述空间光调制器上的互补矩阵、多通道计数器上的各计数值及多通道计数器上各计数通道所对应的波长信息，运用关联的压缩传感算法重建出可见光和近红外光的彩色图像，并能对特定波长下的成分进行进一步分析。

2.根据权利要求1所述的互补测量的单光子光谱计数成像***，其特征在于，所述的可见光单光子探测器线阵和近红外光单光子探测器线阵是由若干个对应不同波长工作在盖革模式下的单光子点探测器组成的线性阵列，针对可见光波段和近红外光波段分别选择若干个对应不同波长的单光子点探测元件，可搭配多组滤光片使用；

所述可见光单光子探测器线阵和近红外光单光子探测器线阵两者位置能够相互置换；

所述可见光单光子探测器线阵和近红外光单光子探测器线阵的探测方式采用光纤准直或自由空间耦合方式；

其中，可见光单光子探测器线阵和近红外光单光子探测器线阵也可由雪崩二极管阵列使能某一行或某一列获得。

3.根据权利要求1所述的互补测量的单光子光谱计数成像***，其特征在于，当空间光调制器上的随机矩阵每变换一次，所述多通道计数器记录一次计数，其输出的若干组计数值作为信息处理单元所采用的压缩传感算法中的测量值。

4.根据权利要求1所述的互补测量的单光子光谱计数成像***，其特征在于，所述的第一组光谱分光部件和第二组光谱分光部件均包括：光准直部分、分光部分、角度测量部分、光度观察和测量部分；

收光部件与所述光准直部分配合使用，用于将空间光调制器上的某一臂方向上的出射光全部收集并初步准直。

5.根据权利要求1所述的互补测量的单光子光谱计数成像***，其特征在于，当极弱光光强超出所述可见光单光子探测器线阵或近红外光单光子探测器线阵的探测范围时，在所述可见光单光子探测器线阵或近红外光单光子探测器线阵前的任意光路位置上设置衰减片，用于将光衰减到所述单光子探测器线阵的探测范围。

6.一种互补测量的单光子光谱计数成像方法，所述方法包含：

步骤101）携带待测物体信息的光通过光学成像部件成像在空间光调制器上，经所述空间光调制器的随机光调制，出射光以一定概率分成两臂方向；

步骤102）在两臂出射方向分别对光束进行分光和会聚收集，收集于可见光单光子探测器线阵和近红外光单光子探测器线阵中，以光子计数形式记录在多通道计数器中；

步骤103）通过压缩传感算法实现可见光和近红外光的彩色图像重建或相关光谱分析，完成互补测量的单光子光谱计数成像。

7.根据权利要求6所述的互补测量的单光子光谱计数成像方法，其特征在于，所述步骤103）进一步包含：

步骤103-1），用于压缩采样的步骤：

由空间光调制器对入射至其上的光进行随机光调制，使得两路出射光分别以一定概率投向后续的收光准直部件和单光子探测器线阵，空间光调制器上的随机阵列每变换一次，同时测量并记录下两个光谱带上若干特定波长所对应的总光子数，等效于测量光谱带上若干点的光强，测量M次，M远小于待测信号维度N，以完成被测信号在可见光波段和近红外光波段的同时压缩采样；

其中，所述空间光调制器是指在随时间变化的信号的控制下，可对空间上光分布的强度进行调制的实时光信息处理器件，可将按空间光调制器规定的角度入射的光以一定概率反射至两个方向，所述随机光调制是指空间光调制器上的调制矩阵的是真随机的，该矩阵采用二值表征反射方向的状态；

步骤103-2），用于稀疏重建的步骤：

将可见光单光子探测器线阵和近红外光单光子探测器线阵在空间光调制器随机阵列两次变换间隔内探测到的总光子数作为两组测量值y_i和y′_i，分别对应随机矩阵a_i和矩阵的补a′_i，由于矩阵元素用0和1二值表示，矩阵的补即I-a，其中I是单位阵；

将a_i和a′_i分别拉伸至一行，分别作为可见光测量矩阵A和近红外光测量矩阵A′中的第i行，测量M次，两个测量矩阵都共计M行，设可见光单光子探测器线阵有P个点，近红外光单光子探测器线阵有Q个点，则两臂的测量值分别有P组和Q组，每组都共计M维，若两臂各特定地选取若干组数据，大于等于三组，利用关联的压缩传感重建算法重建观测对象在可见光波段和近红外光波段的彩色图像，其中近红外光波段的彩色图像是标记出来的，即按波长从大到小选取三种红外波长标识为红绿蓝三原色；若任取一组数据便可进行该波长的成分分析。

8.根据权利要求6所述的互补测量的单光子光谱计数成像方法，其特征在于，将各通道的计数进行统计，将光子计数换算成光功率，结合各通道所对应的波长信息，便可统计出一个波长—光功率的光谱图，进而获得观测物体的特征峰。

9.根据权利要求6所述的互补测量的单光子光谱计数成像方法，其特征在于，所述压缩传感的数学模型如下：

在可见光范围和近红外光范围各任取一个特定波长，该两波长下的信号拉伸至一列：

则采样过程可看作两组测量矩阵与两特定波长信号作内积的过程，分别得到两组观测向量y_pi，y′_qi,i＝1,2,...,M,p=1,2,...,P,q=1,2,...,Q，其中

（K<M＜＜N），

是***噪声，如果x是可压缩或可稀疏表达的，则

其中Ψ=[ψ₁,ψ₂,...,ψ_N]是稀疏变换矩阵，

即关联稀疏度，那么，压缩采样的过程可以描述为下式：

$[y_p,y_q^{\&prime;}]=[\mathrm{A\&Psi;}{\stackrel{\&OverBar;}{x}}_p+e,A^{\&prime;}\mathrm{\&Psi;}{\stackrel{\&OverBar;}{x}}_q^{\&prime;}+e^{\&prime;}]$

其中，将A设置为二值随机测量矩阵；

所述的稀疏重建是在已知观测数据y_p,y′_q和测量矩阵A,A′的条件下求解x_p,x′_q，用压缩传感的策略进行求解，具体算法描述为下式：

$\underset{{\stackrel{\&OverBar;}{x}}_p}{\min }\frac{1}{2}{\left|\right|y_p-\mathrm{A\&Psi;}{\stackrel{\&OverBar;}{x}}_p\left|\right|}_2^2+\mathrm{\&tau;}{\left|\right|{\stackrel{\&OverBar;}{x}}_p\left|\right|}_1,\underset{{\stackrel{\&OverBar;}{x}}_q^{\&prime;}}{\min }\frac{1}{2}{\left|\right|y_q^{\&prime;}-A^{\&prime;}\mathrm{\&Psi;}{\stackrel{\&OverBar;}{x}}_q^{\&prime;}\left|\right|}_2^2+\mathrm{\&tau;}{\left|\right|{\stackrel{\&OverBar;}{x}}_q^{\&prime;}\left|\right|}_1$

其中，||…||_l代表范数算符，

仅需M≤O(K·log(N/K))次测量，便可反演出待测物体在可见光波段和近红外光波段两个特定波长下的光强空间分布信息x_p和x′_q，若在可见光和近红外光波段各自特定地选取3组测量数据，重复使用上述模型，采用三原色原理便可重建出可见光波段和近红外光波段的彩色图像。

10.根据权利要求6所述的互补测量的单光子光谱计数成像方法，其特征在于，所述的关联的压缩传感算法基于两个满足互补关系的测量矩阵，核心算法策略将单位阵看作测量矩阵参与运算，所述核心算法基于压缩传感算法，运算后加入修正参数，修正处理后的所得值再与x_p做符合运算，便得到x′_q，使得可见光信号x_p与近红外光信号x′_q能同时获得。

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