基于压缩感知的AOTF光谱测量方法

作     者：姬忠鹏 桂裕华 李津宁 谭永健 杨秋杰 王建宇 何志平 JI Zhong-Peng;GUI Yu-Hua;LI Jin-Ning;TAN Yong-Jian;YANG Qiu-Jie;WANG Jian-Yu;HE Zhi-Ping

作者机构：中国科学院上海技术物理研究所空间主动光电技术重点实验室上海200083 中国科学院大学北京100049 

出 版 物：《红外与毫米波学报》 (Journal of Infrared and Millimeter Waves)

年 卷 期：2023年第42卷第1期

页      面：111-121页

核心收录：

学科分类：0810[工学-信息与通信工程] 08[工学] 081002[工学-信号与信息处理] 0702[理学-物理学] 

基　　金：the National Natural Science Foundation of China(61605231) 

主　　题：压缩感知 计算光谱学 多频声光效应 AOTF 

摘      要：基于声光可调谐滤波器(AOTF)的光谱仪器已经在生物医学、农业、航空航天等领域中广泛应用。然而,传统的AOTF光谱仪很难在保持光谱分辨率和减少采样次数的同时,还实现系统光通量的增加。针对上述问题,本文提出了一种基于压缩感知理论的AOTF光谱测量方法,利用AOTF可多频驱动的特点,在光谱维度上实现稀疏随机编码复合光信号调制,可利用单元或面阵探测器顺次记录完成压缩采样,再通过压缩感知重建算法获得目标光谱曲线或光谱图像数据立方体。为了验证本方法的有效性,我们利用实际测量得到AOTF光谱响应带宽数据,构建传感矩阵,以展宽光谱为恢复目标,仿真了压缩采样和目标数据重构效果。仿真结果表明,该方法可以通过202次压缩采样,重构得到512个波长点的光谱数据,光谱数据采样率和压缩比为0.39。此采样率下,本方法可以高精度恢复光谱曲线,PSNR指标达到41.75dB,SAM和GSAM指标为0.9998和0.9754。多频同时驱动下,系统光通量平均提升了5倍。与传统逐波长点扫描的采样方式相比,该方法能够在保持原有光谱分辨率的前提下减少总采样次数,提高系统的光通量,同时还压缩了光谱数据,在微弱信号检测、物质快速识别以及光谱数据传输和存储等领域具有十分重要的意义。