基于壓縮感知的聲光信號(hào)處理系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于壓縮感知的聲光信號(hào)處理系統(tǒng)，該聲光信號(hào)處理系統(tǒng)包括激光器(1)、擴(kuò)束器(2)、聲光布拉格器件(3)、第一凸透鏡(4)、空間濾波器(5)、第二凸透鏡(6)、面陣液晶光閥(7)、第三凸透鏡(8)、光電探測(cè)器(9)和運(yùn)算控制器(10)，激光器(1)、擴(kuò)束器(2)、聲光布拉格器件(3)、第一凸透鏡(4)、空間濾波器(5)、第二凸透鏡(6)、面陣液晶光閥(7)、第三凸透鏡(8)和光電探測(cè)器(9)固定于同一條線上，形成共軸光學(xué)系統(tǒng)。本發(fā)明該基于壓縮感知的聲光信號(hào)處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，可以適用于聲光譜分析，聲光相關(guān)器，聲光卷積器等信號(hào)處理領(lǐng)域。
【專利說(shuō)明】
基于壓縮感知的聲光信號(hào)處理系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及光電系統(tǒng)及光電信息處理領(lǐng)域，具體涉及一種基于壓縮感知的聲光信 號(hào)處理系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 聲光信號(hào)處理是光電探測(cè)領(lǐng)域中重要的一部分，基于聲光互作用原理，可以完成 多種基于光學(xué)的模擬運(yùn)算過(guò)程。但聲光信號(hào)采集處理需要保證高精度和速度，因此在其后 處理過(guò)程中一般需要使用高速、高精度器件完成采樣，對(duì)于高速陣列式光電傳感器，其價(jià)格 昂貴，且難以保證像素一致性，會(huì)導(dǎo)致采樣精度較差，不利于信號(hào)的后端處理。因此對(duì)聲光 信號(hào)的采集處理，亟待尋找一種新的方式，達(dá)到高速、高精度要求。
[0003] 壓縮感知理論在2004年被提出，其是一種的異于已有理論的全新采樣理論，結(jié)合 了矩陣?yán)碚?、調(diào)和分析、信號(hào)處理等學(xué)科領(lǐng)域的成果，提出了一種在遠(yuǎn)低于順序采樣方式的 測(cè)量次數(shù)下，實(shí)現(xiàn)信號(hào)恢復(fù)，重構(gòu)的方法，通過(guò)壓縮感知技術(shù)進(jìn)行采樣、重構(gòu)，可以大大降低 信號(hào)測(cè)量、傳輸時(shí)的帶寬、資源消耗，并可在一定程度上提高測(cè)量的精度，引起了信號(hào)處理 領(lǐng)域的一定關(guān)注。
[0004] 考慮到壓縮感知技術(shù)的特性，使其應(yīng)用于聲光信號(hào)采集處理上，可以在僅使用單 光電探測(cè)器的情況下，達(dá)到和陣列式傳感器等效的測(cè)量結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)衍射圖案的采集，且能 夠同時(shí)滿足高速、高精度的要求。但壓縮感知采樣方式較為復(fù)雜，需要尋找合適方法、器件 完成壓縮感知的采樣、重構(gòu)過(guò)程。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是:提供一種基于壓縮感知的聲光信號(hào)處理系統(tǒng)，完 成聲光互作用過(guò)程，并尋找合適的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)聲光衍射光譜基于壓縮感知的稀疏采樣和重 構(gòu)過(guò)程。
[0006] 本發(fā)明解決上述的技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案為:一種基于壓縮感知的聲光信號(hào)處 理系統(tǒng)，包括激光器、擴(kuò)束器、聲光布拉格器件、第一凸透鏡、空間濾波器、第二凸透鏡、面陣 液晶光閥、第三凸透鏡、光電探測(cè)器和運(yùn)算控制器，激光器、擴(kuò)束器、聲光布拉格器件、第一 凸透鏡、空間濾波器、第二凸透鏡、面陣液晶光閥、第三凸透鏡和光電探測(cè)器固定于同一條 線上，形成共軸光學(xué)系統(tǒng)；
[0007] 其中，聲光布拉格器件完成聲光互作用過(guò)程，第一凸透鏡、空間濾波器、第二凸透 鏡完成對(duì)聲光布拉格器件的出射光譜的準(zhǔn)直擴(kuò)束，面陣液晶光閥受運(yùn)算控制器控制，對(duì)準(zhǔn) 直擴(kuò)束后的衍射光譜進(jìn)行空域選擇，實(shí)現(xiàn)壓縮感知采樣過(guò)程；
[0008] 其中，面陣液晶光閥、第三凸透鏡、光電探測(cè)器和運(yùn)算控制器構(gòu)成了壓縮感知的測(cè) 量處理單元，實(shí)現(xiàn)基于壓縮感知的聲光信號(hào)采樣重構(gòu)過(guò)程。
[0009] 其中，面陣液晶光閥為透射式面陣液晶光閥，可通過(guò)電信號(hào)控制面陣液晶光閥上 任意點(diǎn)對(duì)光線的阻擋程度。
[0010] 其中，光電探測(cè)器為由單光電二極管、信號(hào)放大電路及數(shù)模轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成，可以實(shí) 現(xiàn)對(duì)光電二極管接收面的光功率測(cè)量。
[0011] 其中，運(yùn)算控制器包含與面陣液晶光閥、光電探測(cè)器的通訊電路，用于驅(qū)動(dòng)面陣液 晶光閥的控制電路，以及使系統(tǒng)工作的電源系統(tǒng)，其核心運(yùn)算單元為 平臺(tái)中一種或幾種組合。
[0012] 其中，該系統(tǒng)可以適用于聲光譜分析，聲光相關(guān)器，聲光卷積器的信號(hào)處理領(lǐng)域。
[0013] 本發(fā)明運(yùn)用的基本原理涉及如下三個(gè)方面：
[0014] ①液晶光電效應(yīng)。
[0015] 根據(jù)液晶電光效應(yīng)可知，液晶施加一定電壓后，液晶排列方式會(huì)發(fā)生扭曲，從而使 得入射光的偏振方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。因此當(dāng)入射光為偏振光時(shí)，出射光的偏振方向可以受施加 于液晶上的電壓所控制。
[0016] 當(dāng)液晶的入射面和出射面都放置有偏振片時(shí)，入射自然光經(jīng)過(guò)入射面偏振片變?yōu)?偏振光，若受液晶偏轉(zhuǎn)后射出的偏振光，與出射面偏振片偏振方向正交，貝U會(huì)被出射面偏振 片阻擋，隔斷光線。因此，可以利用液晶來(lái)構(gòu)成電子光閥。
[0017] 此種液晶光閥按陣列排布，形成面陣液晶光閥，其上任意點(diǎn)都可受電信號(hào)控制，控 制光線透射。
[0018] ②壓縮感知原理。
[0019] 根據(jù)壓縮感知原理，對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣過(guò)程可由以下算式表示：
[0020] y = φ s = ΦΦτχ = θχ (1)
[0021] 其中χ為長(zhǎng)度Ν的原始信號(hào)，Μ為測(cè)量次數(shù)，Θ為Μ*Ν隨機(jī)測(cè)量矩陣，Φ為信號(hào)的稀疏 基，Φ為Θ經(jīng)過(guò)Φ變換后得到的恢復(fù)矩陣。s為信號(hào)的稀疏表示，y為長(zhǎng)度為Μ的測(cè)量值向量。
[0022] 由式（1)可得，任意信號(hào)在進(jìn)行隨機(jī)采樣后，都可以表示成一個(gè)恢復(fù)矩陣Φ與信號(hào) 稀疏表示s的乘積。當(dāng)s中非零值較少時(shí)，即可通過(guò)正交匹配追蹤算法或L1范數(shù)優(yōu)化算法等 欠定方程求解方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)稀疏表示s的恢復(fù)。s恢復(fù)后，則可利用稀疏基Φ對(duì)s進(jìn)行反變換， 得到恢復(fù)而成的原始信號(hào)X。
[0023] 在本發(fā)明中，面陣液晶光閥為隨機(jī)采樣的器件，通過(guò)輸入測(cè)量矩陣Θ控制光線通 過(guò)，透鏡進(jìn)行匯聚，實(shí)現(xiàn)壓縮采樣中向量的乘加運(yùn)算，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)壓縮采樣目的。
[0024] ③聲光互作用原理。
[0025] 將時(shí)變電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲光器件中的超聲波，超聲波通過(guò)光彈效應(yīng)可引起介質(zhì)的折 射率變化，該變化具有一定的周期性，相當(dāng)于形成一個(gè)多縫衍射光柵，使入射激光發(fā)生衍 射。
[0026] 根據(jù)此原理，可通過(guò)分析聲光器件衍射光譜進(jìn)行聲光譜分析，聲光相關(guān)器，聲光卷 積器信號(hào)處理應(yīng)用。
[0027]本發(fā)明的有益效果：
[0028] (1)、本發(fā)明系統(tǒng)中傳感器使用單光電二極管，即可達(dá)到陣列式傳感器等效的測(cè)量 結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)衍圖案的采集。
[0029] (2)、本發(fā)明通過(guò)應(yīng)用壓縮感知原理，在進(jìn)行較少次數(shù)測(cè)量后，就可以實(shí)現(xiàn)原始信 號(hào)恢復(fù)。相比于傳統(tǒng)測(cè)量方式，處理器與傳感器的通信次數(shù)大大降低，降低了對(duì)通信帶寬的 需求。
[0030] (3)、本發(fā)明光電二極管選擇范圍廣，可以通過(guò)選擇感光面較大的光電二極管，實(shí) 現(xiàn)極高的靈敏度。
[0031] (4)、本發(fā)明面陣液晶光閥上各點(diǎn)僅具有全通和阻擋兩種狀態(tài)，各點(diǎn)不存在差異， 不需考慮像素一致性問(wèn)題。
[0032] (5)、本發(fā)明根據(jù)壓縮感知理論，壓縮采樣方式可實(shí)現(xiàn)相比于傳統(tǒng)順序采樣方式更 高的信噪比和動(dòng)態(tài)范圍。
[0033] (6)、本發(fā)明系統(tǒng)為共軸光路系統(tǒng)，相比基于DMD的壓縮感知采樣設(shè)備，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 易于調(diào)整。
【附圖說(shuō)明】
[0034]圖1為基于壓縮感知的聲光信號(hào)處理系統(tǒng)的示意圖。
[0035]圖2為壓縮感知重構(gòu)流程框圖。
[0036] 其中，1、激光器，2、擴(kuò)束器，3、聲光布拉格器件，4、第一凸透鏡，5、空間濾波器，6、 第二凸透鏡，7、面陣液晶光閥，8、第三凸透鏡，9、光電探測(cè)器，10、運(yùn)算控制器。
【具體實(shí)施方式】
[0037] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0038]如圖1所示，所有光學(xué)元器件排列在同一光軸上，其中激光器1、擴(kuò)束器2、聲光布拉 格器件3構(gòu)成了聲光互作用器，其中聲光布拉格器件3接收輸入聲光信號(hào)實(shí)現(xiàn)聲光互作用， 產(chǎn)生出射的衍射光譜。衍射光譜經(jīng)第一凸透鏡4、空間濾波器5、第二凸透鏡6,實(shí)現(xiàn)衍射光譜 的擴(kuò)束、準(zhǔn)直整形，并使光投射至面陣液晶光閥7。面陣液晶光閥7對(duì)透射光進(jìn)行空域選擇， 其出射光束經(jīng)第三凸透鏡8匯聚于光電探測(cè)器9上，光電探測(cè)器檢測(cè)到匯聚光功率，傳輸至 運(yùn)算控制器10中，進(jìn)行后處理解算過(guò)程。
[0039] 在壓縮感知采樣過(guò)程中，需要選擇滿足有限等距性質(zhì)的測(cè)量矩陣，由于本發(fā)明中 選用的壓縮采樣器件限制，只能選用二值化測(cè)量矩陣，因此選擇伯努利測(cè)量矩陣。伯努利矩 陣是一種二值化的隨機(jī)分布矩陣，當(dāng)M、N較大時(shí)，可近似保證有限等距性質(zhì)。伯努利矩陣由 計(jì)算機(jī)事先生成，選取測(cè)量效果最好載入至運(yùn)算控制器中。
[0040] 運(yùn)算控制器10逐行發(fā)送壓縮感知測(cè)量矩陣中每行的測(cè)量向量至面陣液晶光閥，控 制面陣液晶光閥切換，當(dāng)面陣液晶光閥完成一次切換后，觸發(fā)光電探測(cè)器對(duì)光功率進(jìn)行測(cè) 量，然后運(yùn)算控制平臺(tái)7接收光電探測(cè)器的檢測(cè)值，可完成一次測(cè)量。
[0041] 當(dāng)完成所有Μ次測(cè)量后，運(yùn)算控制器對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮感知重構(gòu)求解過(guò)程，重構(gòu) 算法采用基于匹配追蹤和基追蹤的欠定方程求解算法。該算法的輸入信號(hào)為長(zhǎng)度為Μ的測(cè) 量值向量y，測(cè)量矩陣與稀疏基相乘得到的Μ*Ν大小的恢復(fù)矩陣Φ，和信號(hào)的預(yù)估稀疏度Κ。 其中Μ*Ν大小的恢復(fù)矩陣Φ作為欠定方程組的系數(shù)矩陣，Μ長(zhǎng)度的測(cè)量值向量 y為欠定方程 組的常數(shù)項(xiàng)，K為未知項(xiàng)中非零值個(gè)數(shù)。通過(guò)K次迭代尋找最大原子和更新期望、殘差，和對(duì) L1范數(shù)最小的線性規(guī)劃問(wèn)題求解，最終可得到該欠定方程組的近似解，其中匹配追蹤算法 具有$父尚的速度而精度稍差，基追蹤則有最好的精度。該解為原始?目號(hào)在稀疏域稀疏表不 的近似。通過(guò)稀疏基的逆變換，最終可得到原始信號(hào)的近似解。在滿足Ν>Μ?Κ，可以得到較 為準(zhǔn)確的解，進(jìn)而恢復(fù)出原始信號(hào)。
[0042] 如圖2所示，具體流程如下：
[0043] 步驟1、輸入測(cè)量值向量y，恢復(fù)矩陣Φ和信號(hào)的預(yù)估稀疏度K;
[0044] 步驟2、根據(jù)需求，選擇基追蹤或匹配追蹤，若選則匹配追蹤算法則跳入步驟4;
[0045] 步驟3、構(gòu)建L1范數(shù)最小的線性規(guī)劃問(wèn)題，并求解，跳至步驟9;
[0046] 步驟4、初始化殘差e = y，列集合A為空集，計(jì)數(shù)器t = 0;
[0047] 步驟5、對(duì)殘差e和恢復(fù)矩陣Φ中每一列求內(nèi)積，并選取最大列作為最大原子插入 至列集合A中；
[0048] 步驟6、求方程.y=A§_的最小二乘解§，并更新殘差e=y-;^=y-AS;
[0049] 步驟7、計(jì)數(shù)器t+1;
[0050] 步驟8、若t〈K則從步驟4開(kāi)始重復(fù)，若t=K，則執(zhí)行步驟9;
[0051] 步驟9、輸出最后一次計(jì)算得最小二乘解其值在稀疏度K較小時(shí)即為原始信號(hào)X的 稀疏表不s;
[0052] 步驟10、結(jié)束計(jì)算。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于壓縮感知的聲光信號(hào)處理系統(tǒng)，其特征在于:包括激光器（1)、擴(kuò)束器(2)、 聲光布拉格器件(3)、第一凸透鏡(4)、空間濾波器(5)、第二凸透鏡(6)、面陣液晶光閥（7)、 第三凸透鏡(8)、光電探測(cè)器(9)和運(yùn)算控制器（10)，激光器（1)、擴(kuò)束器(2)、聲光布拉格器 件(3)、第一凸透鏡(4)、空間濾波器(5)、第二凸透鏡(6)、面陣液晶光閥（7)、第三凸透鏡(8) 和光電探測(cè)器(9)固定于同一條線上，形成共軸光學(xué)系統(tǒng)； 其中，聲光布拉格器件(3)完成聲光互作用過(guò)程，第一凸透鏡(4)、空間濾波器(5)、第二 凸透鏡(6)完成對(duì)聲光布拉格器件(3)的出射光譜的準(zhǔn)直擴(kuò)束，面陣液晶光閥（7)受運(yùn)算控 制器(10)控制，對(duì)準(zhǔn)直擴(kuò)束后的衍射光譜進(jìn)行空域選擇，實(shí)現(xiàn)壓縮感知采樣過(guò)程； 其中，面陣液晶光閥（7)、第三凸透鏡(8)、光電探測(cè)器(9)和運(yùn)算控制器（10)構(gòu)成了壓 縮感知的測(cè)量處理單元，實(shí)現(xiàn)基于壓縮感知的聲光信號(hào)采樣重構(gòu)過(guò)程。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓縮感知的聲光信號(hào)處理系統(tǒng)，其特征在于:面陣液晶光 閥（7)為透射式面陣液晶光閥，可通過(guò)電信號(hào)控制面陣液晶光閥(7)上任意點(diǎn)對(duì)光線的阻擋 程度。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓縮感知的聲光衍射測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:光電探測(cè)器 (9) 為由單光電二極管、信號(hào)放大電路及數(shù)模轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光電二極管接收面 的光功率測(cè)量。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓縮感知的聲光衍射測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:運(yùn)算控制器 (10) 包含與面陣液晶光閥（7)、光電探測(cè)器(9)的通訊電路，用于驅(qū)動(dòng)面陣液晶光閥（7)的控 制電路，以及使系統(tǒng)工作的電源系統(tǒng)，其核心運(yùn)算單元為ARM、FPGA、DSP、PC處理平臺(tái)中一種 或幾種組合。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓縮感知的聲光信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:該系統(tǒng)可以 適用于聲光譜分析，聲光相關(guān)器，聲光卷積器的信號(hào)處理領(lǐng)域。
【文檔編號(hào)】G01J3/28GK105973467SQ201610286829
【公開(kāi)日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年5月4日
【發(fā)明人】周鷹, 王浩正, 高椿明, 何其銳, 趙斌興, 王靜, 甘袁超, 苗澤恩, 張書晗
【申請(qǐng)人】電子科技大學(xué)