CN111664941A - 一种电光调控透过率编码的压缩感知光谱测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光谱测量技术领域，具体涉及一种电光调控透过率编码的压缩感知光谱测量装置，包括依次设置的准直透镜、起偏器、电光调制器、检偏器、汇聚透镜和光电探测器，光电探测器连接有FPGA控制及数据采集模块，FPGA控制及数据采集模块通过LC谐振高压驱动电路与电光调制器连接，FPGA控制及数据采集模块连接有电脑；从压缩感知基本理论出发，设计并研制高性能电光调制器，实现光谱透过率编码，克服孔径编码压缩光谱测量技术需要采用色散分光元件实现光谱维到空间维的编码转换，减少光学***的复杂度和光谱测量的成本，结合基于FPGA的驱动控制和数字锁相放大数据处理技术，实现高速光谱测量信号获取。
Description
技术领域
本发明属于光谱测量技术领域，具体涉及一种电光调控透过率编码的压缩感知光谱测量装置及方法。
背景技术
现有的典型的光谱测量技术有以下几类：第一类是色散型光谱测量技术。色散型光谱测量技术，分为棱镜分光光谱测量技术和光栅分光光谱测量技术，棱镜分光优势是受环境温度、湿度和振动影响小且成本低。缺点是引入狭缝，光通量小，灵敏度低，棱镜色散是非线性。光栅分光结构简单、测量时间短，应用广泛，但是同样需要引入狭缝，并且光栅衍射存在重级，光谱测量范围有限。第二类是干涉型光谱测量技术，具有空间干涉型，时间调制型两种。
空间干涉型光谱测量技术主要基于Sagnac三角共光路干涉具和Wollaston棱镜的双折射型傅里叶变换等结构，具有结构简单紧凑、体积小、抗震性能好等优点，缺点是光程差较小，光谱分辨率有限，制造成本高。
时间调制型傅里叶变换光谱技术国际上代表产品有：德国Bruker公司以及美国ABB公司生产的产品。两者均采用改进型Michelson干涉具结构，光能利用率高，信噪比好，测量光谱范围较宽，光谱分辨率较高。但是缺点是小型化设计困难、抗震性能有限、测量速率有限。
还有基于声光可调谐滤光器、液晶可调谐滤光器、MEMS技术等其他类型的光谱测量技术，都可被应用于小体积、集成化的光谱测量技术研究。随着对光谱测量技术及仪器性能需求的不断提高，光谱测量的速度、仪器体积、制造成本、光谱分辨率等受到严峻挑战。因此，研究工作者一直在积极探索新型光谱测量技术。2004年，华裔科学家陶哲轩，加州理工大学Candes和Romberg，斯坦福大学Donoho等人提出了压缩感知采样理论，证明了同步实现信号采样与压缩的可行性，为高速、高分辨光谱测量技术及仪器的研制提供了新思路。
现阶段，以压缩感知理论为基础的光谱测量技术主要有两种，利用孔径编码和透过编码两种。孔径编码压缩感知光谱测量技术主要的技术特点是，利用二维孔径编码板实现空间维编码，利用色散棱镜分光实现空间维到光谱维编码转化。优点是具有较大的通光孔径，适合于光谱成像探测，但是，编码需空间维到光谱维转换，***结构偏大。
另外一种是透过率编码的压缩感知光谱测量技术，该类光谱测量技术的特点是：液晶可变相位延迟器置于正交偏振片之间实现光谱透过率调节，通过施加不同电压对光谱信号透过率调节，可以直接在光谱维编码，光谱分辨率高，结构紧凑，体积小，功耗低，***成本低。但是现有的液晶可变相位延迟器、液晶可调谐滤光器等器件受环境温度影响较大，FP谐振器对振动干扰敏感、工作稳定性有限。然而，光谱测量技术在这些新技术领域的应用对光谱分辨率、光谱测量速率、测量灵敏度提出了越来越高的应用要求，特别是，光谱仪器小型化、集成化设计面临前所未有的挑战。如何进一步提高光谱测量的速度、分辨率和灵敏度，同时又兼顾光谱分析仪器的小型化和自动化集成设计是当前发展光谱测量技术必须解决的重要技术问题。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种电光调控透过率编码的压缩感知光谱测量装置及方法，可以实现光谱透过率编码，提高光谱测量速度，减少光学***的复杂度和光谱测量的成本。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种电光调控透过率编码的压缩感知光谱测量装置，包括依次设置的准直透镜、起偏器、电光调制器、检偏器、汇聚透镜和光电探测器，光电探测器连接有FPGA控制及数据采集模块，FPGA控制及数据采集模块通过LC谐振高压驱动电路与电光调制器连接，FPGA控制及数据采集模块连接有电脑；待测光源输入准直后，入射光经起偏器后变为线偏振光，经电光调制后，再经检偏出射，实现透过率随电光调，通过FPGA控制及数据采集模块采集光电探测器输出的压缩光谱测量信号以及采集LC谐振高压驱动电路输出的编码驱动信号。
所述FPGA控制及数据采集模块包括FPGA核心芯片、第一信号采集单元和第二信号采集单元，光电探测器通过第一信号采集单元与FPGA核心芯片连接，LC谐振高压驱动电路通过第二信号采集单元与FPGA核心芯片连接，通过FPGA核心芯片控制第一信号采集单元和第二信号采集单元工作，实现测量光信号和编码驱动控制电压信号一一对应同步采集，达到驱动电压和压缩光谱信号的同步测量。
所述电光调制器为铌酸锂横向电光调制器，其电光晶体采用X切铌酸锂电光晶体，并置于正交偏振片之间，利用外电场作用下的横向电光效应实现强度调控以及压缩感知光谱测量在光谱维直接编码。
X切铌酸锂电光晶体尺寸为2×4×40mm，并沿晶体的x方向施加电场，沿晶体的z轴方向通光。
还包括光纤耦合器一和光纤耦合器二，光纤耦合器一设置在准直透镜前，光纤耦合器二设置在汇聚透镜后，待测光源经光纤耦合输入，压缩测量光谱信号经光纤耦合输出。
一种测量方法，包括以下步骤：
S1、搭建光谱测量装置；
S2、选择合适的稀疏基，并依据测量光谱范围和分辨率需求，采用顺序浮动向前选择、顺序向前选择或顺序向后选择实现透过率测量矩阵编码，并确定编码电压；
S3、根据S2的驱动电压要求，遍历所有编码驱动电压；
S4、将编码电压与压缩光谱测量信号一一对应采集；
S5、应用正交匹配追踪算法，稀疏度自适应匹配追踪算法或迭代软阈值算法、二步迭代收缩算法实现高压缩比、高速和高精度的光谱重构。
利用离散余弦基、小波基和学习字典实现光谱信号稀疏，实现光谱原始信号压缩稀疏比优于3％的光谱信号稀疏。
S1中的光谱测量装置将待测光源准直后，入射光经起偏器后变为线偏振光，并且线偏振光的方向与电光折射率主轴夹角为45°，经电光调制后，再经检偏出射；电光调制器为铌酸锂横向电光调制器，电光晶体采用x切晶体，沿光轴z轴方向通光，沿x轴方向施加电场，在横向电光效应作用下，铌酸锂电光晶体的两个折射率主轴旋转45°，并且大小发生改变；利用正交偏振片和电光调制器构成的透过率调控***并与光电探测器组成压缩光谱测量装置。
采用周期交流电压驱动电光调制器，在短时间内遍历所有的非相关测量所需的驱动电压；采用双路AD采集***，并通过FPGA控制双路AD工作。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：
从压缩感知基本理论出发，设计并研制高性能电光调制器，实现光谱透过率编码，克服孔径编码压缩光谱测量技术需要采用色散分光元件实现光谱维到空间维的编码转换，减少光学***的复杂度和光谱测量的成本，结合基于FPGA的驱动控制和数字锁相放大数据处理技术，实现高速光谱测量信号获取，在高速、小型化、工作稳定和高分辨的光谱探测应用领域发挥应用优势。
将电光调制实现的透过率调控应用于压缩感知光谱测量编码，对宽光谱透过率编码压缩快速，低功耗，测量数据少测量应用提供了理论依据，实现电光透过率编码的调制器件，具有很好的环境适应性。
利用离散余弦、小波基和学习字典等对光谱信号实现高压缩稀疏比的稀疏，透过率编码测量矩阵能够采用顺序浮动向前选择(SFFS)、顺序向前选择(SFS)和顺序向后选择(SBS)等算法实现非相关、伪随机编码。
可应用正交匹配追踪算法(OMP)，稀疏度自适应匹配追踪(SAMP)算法和迭代软阈值算法(IST)、二步迭代收缩算法(TwIST)优化重构算法实现光谱信号重构，进而实现较大压缩比和较高精度的光谱压缩感知测量。
采用基于FPGA控制的双路数据采集方案，实现了驱动电压信号与光谱测量信号的同步采集，透过率编码与压缩测量信号一一对应，有利于高光谱分辨率、高速、高精度光谱测量的实现。
附图说明
图1是本发明光谱测量装置的结构示意图；
图2是本发明电光调控透过率示意图；
图3是本发明电光调控透过率编码原理示意图；
其中：1为待测光源，2为光纤耦合器一，3为准直透镜，4为起偏器，5为电光调制器，6为检偏器，7为汇聚透镜，8为光纤耦合器二，9为光电探测器，10为LC谐振高压驱动电路，11为电脑，12为FPGA控制及数据采集模块。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种电光调控透过率编码的压缩感知光谱测量装置，包括准直透镜3、起偏器4、电光调制器5、检偏器6、汇聚透镜7、光电探测器9、LC谐振高压驱动电路10、电脑11、FPGA控制及数据采集模块12。待测光源输入准直后，入射光经起偏器后变为线偏振光，并且线偏振光的方向与电光折射率主轴夹角为45°，经电光调制后，再经检偏出射，实现透过率随电光调，通过FPGA控制及数据采集模块采集光电探测器输出的压缩光谱测量信号以及采集LC谐振高压驱动电路输出的编码驱动信号。
具体的：准直透镜3和汇聚透镜7均为K9玻璃平凸透镜，焦距f＝6mm，直径D＝6mm。起偏器4和检偏器6选用高消光比的格兰泰勒偏振器，消光比可达105:1。
进一步，FPGA控制及数据采集模块12，包括FPGA核心芯片、第一信号采集单元AD1和第二信号采集单元AD2，光电探测器通过第一信号采集单元AD1与FPGA核心芯片连接，LC谐振高压驱动电路通过第二信号采集单元AD2与FPGA核心芯片连接，通过FPGA核心芯片的控制第一信号采集单元AD1和第二信号采集单元AD2工作，实现测量光信号和编码驱动控制电压信号一一对应同步采集，达到驱动电压和压缩光谱信号的同步测量。
进一步，光纤耦合器设有两个(光纤耦合器一2、光纤耦合器二8)，分别设置在准直透镜前以及汇聚透镜后，待测光源经光纤耦合输入，压缩测量光谱信号经光纤耦合输出。
进一步，电光调制器为铌酸锂横向电光调制器，其电光晶体采用X切铌酸锂电光晶体，并置于正交偏振片之间，利用外电场作用下的横向电光效应实现强度调控以及压缩感知光谱测量在光谱维直接编码。
进一步，X切铌酸锂电光晶体尺寸为2×4×40mm，并沿晶体的x方向施加电场，沿晶体的z轴方向通光。
一种电光调控透过率编码的压缩感知光谱测量方法，包括以下步骤：
S1、搭建光谱测量装置；
S2、选择合适的稀疏基，并依据测量光谱范围和分辨率需求，采用顺序浮动向前选择、顺序向前选择或顺序向后选择实现透过率测量矩阵编码，并确定编码电压；
S3、根据S2的驱动电压要求，遍历所有编码驱动电压；
S4、将编码电压与压缩光谱测量信号一一对应采集；
S5、应用正交匹配追踪算法，稀疏度自适应匹配追踪算法或迭代软阈值算法、二步迭代收缩算法实现高压缩比、高速和高精度的光谱重构。
根据铌酸锂的横向电光效应，设计出调制灵活的透过率调制器件，利用外电场作用下由于电光效应引起的晶体光学性质变换。在外电场作用下，铌酸锂由单轴晶体变为双轴晶体，且两个主折射率主轴上的折射率差值与外电场成正比。电光调制器为铌酸锂横向电光调制器，电光晶体采用x切晶体，沿光轴z轴方向通光，沿x轴方向施加电场。在横向电光效应作用下，铌酸锂电光晶体的两个折射率主轴旋转
，并且大小发生改变。沿两个折射率主轴方向分解的两个偏振分量随着折射率的改变而产生相位差，且可以描述为
其中，Lx和Lz分别为电光晶体样品在晶体x轴方向和晶体z轴方向上的长度，电光晶体在x方向上的电场E＝V/Lx与给电光晶体施加电压V成正比，和晶片厚度Lx成反比。如图1所示，电光调制器置于两个正交偏振片之间，起偏器和检偏器的透光轴分别为0°和90°。将通过0°起偏器后入射光Stokes矢量记为Sin＝(I0,I0,0,0)T，其中I0为总光强，依据光偏振传输理论，可以将出射光的Stokes矢量描述为
Sout＝MAMEOMSin (2)
上式中，MA和MEOM分别为90°检偏器和电光调制器的Muller矩阵，其中x切横向铌酸锂电光调制器施加电场时折射率主轴偏转45°，相当于调制快轴为45°的相位延迟器，并考虑到总光强为Stokes矢量第一个分量，经电光调制，出射检偏器后的光强为
因此，能够计算出经电光调制器调制的***，其透过率描述为
由上式能够看出，入射光谱透过率完全由电光调制器的相位差决定，并且当电光调制器的几何尺寸设计确定时，透过率与入射光波长和外电场电压息息相关。将铌酸锂横向电光调制器置于正交偏振片之间，通过设置外电场电压，便能够对不同波长入射光的透过率进行调控，进而实现光谱透过率编码。因此，经过电光器件的透过率调控***的光学透过率可以进一步描述为
T(λ,V)＝I(λ,V)/I0(λ)∝sin2(δ(λ,V)/2) (5)
其中，λ为入射光波长，V为施加在电光器件上的外电场电压，I0(λ)和I(λ,V)分别为入射光通过电光调控***前后的光强，δ(λ,V)为入射光通过电光器件时，外电场作用下，两个偏振分量的相位差值。由式(1)能够看出，当电光晶体尺寸确定时光谱透过率只由外电场电压V决定，并且不同外场电压下呈现不同的透过率，透过率调控曲线如图2所示。
因此，透过率能够通过电光器件，利用不同的外电场电压实现调控。由图2看出，入射光谱的透过率运用电光器件能够通过外电场实现灵活调节。在整个光谱范围内不同驱动电压能够出现多个不同的透过率峰值，并且不同的外电场电压能够实现透过率峰值波长彼此分离，重合最少，这有利于压缩光谱测量实现。利用正交偏振片和电光调制器构成的透过率调控***，外加一个光电探测器便能组成压缩光谱测量装置。
设待测对象的光谱功率分布X(λ)在被探测器探测到时，由电光调制器的透过率T(λ,V)进行了调控，第j次的调控光谱信号被探测器探测到，构成具有特殊编码测量，并可描述为
由于传感器对离散值进行采样，根据压缩感知测量原理，为了进行压缩测量分析和反演重构，用矩阵形式表示式(6)的传感测量过程更方便和更容易理解。光谱信号用x表示，且将光谱通道数设为N，因此x满足x∈RN×1；多次测量光谱信号用y表示，且根据M次测量，光谱测量信号y满足y∈RM×1。运用这些矩阵，测量过程可以描述为：
y＝Φx (7)
其中，Φ∈RM×N代表测量矩阵。从压缩感知理论出发，光谱信号能够从小于信号通道数N的M次测量数据中重构出光谱信号。其关键在于利用不同外电场电压下光谱透过率特征，能够利用这些光谱特征的非相关性。
测量矩阵的设计实现需考虑稀疏基的选取，当稀疏基确定以后，结合非相关性研究设计选取合适的光谱透过率编码测量矩阵。利用电光效应建立的电光器件能够通过外电场实现光谱透过率调控，进而实现光谱透过率灵活编码。已有的稀疏方法包括：离散余弦变换基、小波变换基和学习字典等。对于光谱信号稀疏，Coif3、db4、sym2、和bior3.3等小波变换基均表现出良好的压缩稀疏性能，在可见光范围(0.38-0.78μm)，根据光谱信号的分段光滑特性，小波稀疏基能够使光谱信号获得压缩稀疏比优于3％。优化选择稀疏变换基来最小化稀疏度，然后优化设计测量矩阵来最小化测量矩阵的相关性，实现压缩传感测量。
为了能够选择出相关系数较小，满足非相关测量的伪随机测量矩阵，本方法采用顺序浮动向前选择(SFFS)、顺序向前选择(SFS)和顺序向后选择(SBS)等算法，从光谱电光透过率值中选取最不相关的透过率值构成测量矩阵。
合理设计光谱透过率编码矩阵的非相关性特征选取，是实现该类型压缩光谱测量的关键。优选出最不相关的M次外电场电压的光谱透过率，并且将其作为压缩光谱测量的M次测量情况。透过率测量矩阵Φ能够描述为
对于N个通道的待测光谱，采用M次外电场电压实现测量数据获取，其中M<N。所以需要测量M次外电场电压实现的测量矩阵尽可能地满足非相关性。结合图3所示透过率编码情况，由式(8)能够看出，测量矩阵Φ包含大量非对角非零项这是特别利于非相关随机测量的。式(8)中测量矩阵特别类似于典型压缩感知测量矩阵中的部分傅里叶矩阵。根据实际选择的电光调制器件，对电光器件进行透过率精确定标实验，从定标结果中选出M个外电场电压下构成列最不相关的透过率，并实现高非相关的M次测量。在可见光范围，光谱测量通道数选择为1024，光谱分辨率约为0.4nm的情况下，一般测量次数M不小于35次便能够保证高精度重构光谱信号且高压缩比的恢复出光谱原始信号。
电光调制器尺寸(x，y，z)选择为(2，4，40)mm，驱动电压最大约为2000V，便能够获得较大非相关测量。电光调制器的驱动控制是由FPGA作为信号源，产生方波信号并经LC谐振高压驱动电路放大为高压驱动信号，并驱动电光调制器工作的。为了实现高压缩比和快速的压缩感知光谱测量，电光调制器需要在短时间内实现数十次的透过率编码控制，即需要在短时间内给电光调制器提供0到上千伏的驱动电压，与此同时还要实现每次调制电压下对应的输出光信号采集。采用周期交流电压驱动电光调制器，能够很容易地在短时间内(半个驱动周期)遍历所有的非相关测量所需的驱动电压，并且还能够实现高效的驱动控制。与此同时采用双路AD采集***设计实现驱动电压与其透过率编码光信号一一对应测量采集，确保高效、高精度的压缩光谱测量。
AD1和AD2分别用于压缩光谱测量信号和编码驱动信号采集。AD1转换后的压缩光谱测量信号采用y表示。对于辐射目标的原始光谱信号x是可以被稀疏的，N个通道的光谱信号稀疏表示为x＝Ψα，其中α光谱信号稀疏后的K-稀疏向量(包含K<<N个非零元素)，Ψ是稀疏矩阵。根据压缩感知的理论框架，方程式(7)可以改写为
y＝Φx＝ΦΨα＝Aα (9)
上式中，传感矩阵A＝ΦΨ，是由稀疏矩阵Ψ和测量矩阵Φ共同决定的。根据压缩感知理论，利用已确定稀疏稀疏矩阵Ψ，结合测量信号y，然后对式(9)的逆问题进行求解，通过寻找最优光谱稀疏信号
然后将待测光谱信号从稀疏信号中正确地恢复出来
其中光谱重构算法以重构时间、重构误差和测量次数与重构概率为评价指标的优化光谱重构方法，可选用正交匹配追踪法(OMP)，光谱稀疏度K自适应匹配追踪(SAMP)优化算法以及和迭代软阈值算法(IST)、二步迭代收缩算法(TwIST)进行压缩感知光谱重构，实现较大压缩比和较高精度的光谱压缩感知测量。
上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种电光调控透过率编码的压缩感知光谱测量装置，其特征在于：包括依次设置的准直透镜(3)、起偏器(4)、电光调制器(5)、检偏器(6)、汇聚透镜(7)和光电探测器(9)，光电探测器(9)连接有FPGA控制及数据采集模块(12)，FPGA控制及数据采集模块(12)通过LC谐振高压驱动电路(10)与电光调制器(5)连接，FPGA控制及数据采集模块(12)连接有电脑(11)；待测光源输入准直后，入射光经起偏器(4)后变为线偏振光，经电光调制后，再经检偏出射，实现透过率随电光调，通过FPGA控制及数据采集模块(12)采集光电探测器(9)输出的压缩光谱测量信号以及采集LC谐振高压驱动电路(10)输出的编码驱动信号。
2.根据权利要求1所述的一种电光调控透过率编码的压缩感知光谱测量装置，其特征在于：所述FPGA控制及数据采集模块(12)包括FPGA核心芯片、第一信号采集单元和第二信号采集单元，光电探测器(9)通过第一信号采集单元与FPGA核心芯片连接，LC谐振高压驱动电路(10)通过第二信号采集单元与FPGA核心芯片连接，通过FPGA核心芯片控制第一信号采集单元和第二信号采集单元工作，实现测量光信号和编码驱动控制电压信号一一对应同步采集，达到驱动电压和压缩光谱信号的同步测量。
3.根据权利要求1所述的一种电光调控透过率编码的压缩感知光谱测量装置，其特征在于：所述电光调制器(5)为铌酸锂横向电光调制器，其电光晶体采用X切铌酸锂电光晶体，并置于正交偏振片之间，利用外电场作用下的横向电光效应实现强度调控以及压缩感知光谱测量在光谱维直接编码。
4.根据权利要求3所述的一种电光调控透过率编码的压缩感知光谱测量装置，其特征在于：X切铌酸锂电光晶体尺寸为2×4×40mm，并沿晶体的x方向施加电场，沿晶体的z轴方向通光。
5.根据权利要求1所述的一种电光调控透过率编码的压缩感知光谱测量装置，其特征在于：还包括光纤耦合器一(2)和光纤耦合器二(8)，光纤耦合器一(2)设置在准直透镜(3)前，光纤耦合器二(8)设置在汇聚透镜(7)后，待测光源经光纤耦合输入，压缩测量光谱信号经光纤耦合输出。
6.根据权利要求1所述测量装置采用的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、搭建光谱测量装置；
S2、选择合适的稀疏基，并依据测量光谱范围和分辨率需求，采用顺序浮动向前选择、顺序向前选择或顺序向后选择实现透过率测量矩阵编码，并确定编码电压；
S3、根据S2的驱动电压要求，遍历所有编码驱动电压；
S4、将编码电压与压缩光谱测量信号一一对应采集；
S5、应用正交匹配追踪算法，稀疏度自适应匹配追踪算法或迭代软阈值算法、二步迭代收缩算法实现高压缩比、高速和高精度的光谱重构。
7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于：利用离散余弦基、小波基和学习字典实现光谱信号稀疏，实现光谱原始信号压缩稀疏比优于3％的光谱信号稀疏。
8.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于：S1中的光谱测量装置将待测光源准直后，入射光经起偏器后变为线偏振光，并且线偏振光的方向与电光折射率主轴夹角为45°，经电光调制后，再经检偏出射；电光调制器为铌酸锂横向电光调制器，电光晶体采用x切晶体，沿光轴z轴方向通光，沿x轴方向施加电场，在横向电光效应作用下，铌酸锂电光晶体的两个折射率主轴旋转45°，并且大小发生改变；利用正交偏振片和电光调制器构成的透过率调控***并与光电探测器组成压缩光谱测量装置。
9.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于：采用周期交流电压驱动电光调制器，在短时间内遍历所有的非相关测量所需的驱动电压；采用双路AD采集***，并通过FPGA控制双路AD工作。
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Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112345074A (zh) * | 2020-11-11 | 2021-02-09 | 中北大学 | 一种芯片级星载高光谱成像探测器及其光谱成像方法 |
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| CN113566862A (zh) * | 2021-07-26 | 2021-10-29 | 大连理工大学 | 一种基于压缩感知原理的光纤白光干涉解调方法及*** |
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