專利名稱：提高陣列光電檢測(cè)器探測(cè)靈敏度的阿達(dá)瑪變換調(diào)制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種信噪比提高的阿達(dá)瑪變換調(diào)制方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)光譜儀一般使用點(diǎn)檢測(cè)器如光電倍增管，通過(guò)掃描的方式來(lái)獲取光譜。而新 興的全譜直讀式光譜儀采用陣列光電探測(cè)器來(lái)獲取全部色散光的光譜，通過(guò)光電探測(cè)器直 接讀取出光譜中的信息，可以免去掃描過(guò)程，提高分析效率。目前，使用面陣列光電探測(cè)器 作為成像元件已經(jīng)成為一個(gè)通用的方法。 對(duì)傳統(tǒng)光譜儀進(jìn)行阿達(dá)瑪變換改造，可以顯著提高光譜儀的分辨能力。根據(jù)編碼 陣列n的不同，信噪比可以提高(n+l)/2n^倍。但是在傳統(tǒng)的阿達(dá)瑪變換光譜系統(tǒng)中，無(wú) 論是使用機(jī)械模板、液晶空間光調(diào)制器還是數(shù)字微鏡陣列作為阿達(dá)瑪模板取代狹縫調(diào)制光 信號(hào)，都需要外加一個(gè)部件來(lái)進(jìn)行光的調(diào)制。再將調(diào)制后的光通過(guò)光電倍增管檢測(cè)?；?阿達(dá)瑪變換的成像系統(tǒng)也是要在成像系統(tǒng)中使用編碼元件。利用編碼元件對(duì)圖像進(jìn)行調(diào)制 同樣需要使用諸如機(jī)械模板、液晶空間光調(diào)制器或數(shù)字微鏡陣列之類的部件。使用編碼部 件的問(wèn)題在于編碼部件的響應(yīng)、運(yùn)動(dòng)可靠性以及精確控制都存在一定的可靠性問(wèn)題，在光 學(xué)系統(tǒng)中增加的部件越多，復(fù)雜性越大，系統(tǒng)的可靠性就會(huì)降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種陣列光電檢測(cè)器探測(cè)靈敏 度的阿達(dá)瑪變換調(diào)制方法。該方法利用陣列檢測(cè)器多通道的特性，通過(guò)阿達(dá)瑪編碼、解碼的 方法，可以大幅度提升檢測(cè)結(jié)果的靈敏度。 本發(fā)明提供的技術(shù)方案是提高陣列光電檢測(cè)器探測(cè)靈敏度的阿達(dá)瑪變換調(diào)制方 法，使用陣列光電探測(cè)器做為檢測(cè)器，通過(guò)檢測(cè)器獲取光信號(hào)，模擬阿達(dá)瑪變換編碼部件的 編碼過(guò)程，通過(guò)阿達(dá)瑪變換編碼算法和解碼算法處理光電檢測(cè)器得到的光信號(hào)，從而提高 探測(cè)靈敏度。 上述陣列光電探測(cè)器為一個(gè)線陣或者面陣的光電檢測(cè)器。 所述阿達(dá)瑪變換的編碼算法和解碼算法以陣列光電探測(cè)器上的n個(gè)像敏單元作 為工作區(qū)域進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，得到原始的光信號(hào)數(shù)列Xi，其中i = 1，2，……n;將Xi與阿達(dá)瑪
變換編碼模板序列Si, j對(duì)應(yīng)相乘，再將這個(gè)數(shù)組求和得到y(tǒng)j，即力=!>,,7Jf,，式中yj是用第
j個(gè)模板編碼序列調(diào)制產(chǎn)生的信號(hào)的總和，其中j = 1，2，……n ;利用Y = (yi， y2……yn) 通過(guò)阿達(dá)瑪解碼算法解出X， X即為通過(guò)阿達(dá)瑪變換編碼算法和解碼算法處理后的光信號(hào)。
本發(fā)明陣列光電探測(cè)器的像敏單元可以劃分為一個(gè)或多個(gè)工作區(qū)域，未劃分進(jìn)工 作區(qū)域的像敏單元被舍棄；對(duì)于劃分為多個(gè)工作區(qū)域，每個(gè)工作區(qū)域均按照所述的阿達(dá)瑪 變換的編碼算法和解碼算法進(jìn)行處理。 本發(fā)明還提供了實(shí)現(xiàn)上述調(diào)制方法的設(shè)備，包括作為檢測(cè)器的陣列光電探測(cè)器、用于實(shí)現(xiàn)阿達(dá)瑪變換編碼算法和解碼算法處理光電檢測(cè)器得到的光信號(hào)的裝置。 本發(fā)明使用陣列光電探測(cè)器做為檢測(cè)器，通過(guò)將檢測(cè)器讀取到的信號(hào)數(shù)列&與阿
達(dá)瑪變換編碼模板的編碼序列Si對(duì)應(yīng)相乘，即等同于獲得機(jī)械模板調(diào)制的投影信號(hào)強(qiáng)度，
再將這個(gè)數(shù)組求和，即為等同于單點(diǎn)探測(cè)器(如光電倍增管)讀到的yj。 利用阿達(dá)瑪編碼算法處理使用陣列探測(cè)器所測(cè)定的信號(hào)，在相同光電轉(zhuǎn)換時(shí)間
內(nèi)，可以提供更高的信噪比。即根據(jù)使用的阿達(dá)瑪編碼算法的中編碼碼元數(shù)n的大小(n為
大于1的自然數(shù)，本發(fā)明可根據(jù)需要設(shè)定n的大小以及對(duì)應(yīng)的n階S編碼矩陣)，信噪比提
高(n+l)/2n"2倍。并且不需要專用編碼部件，適用性非常廣泛。 利用該方法對(duì)陣列傳感器的信號(hào)調(diào)制編碼處理，可能會(huì)因?yàn)殛嚵械囊?guī)模比較大，
而需要通過(guò)"分區(qū)"的手段將某些碼元進(jìn)行統(tǒng)一處理來(lái)節(jié)約編碼、解碼時(shí)間。 本發(fā)明不需要常規(guī)的阿達(dá)瑪變換使用的編碼系統(tǒng)，而是將陣列式檢測(cè)器自身作為
編碼模板，因此可以直接用于現(xiàn)有的陣列檢測(cè)器系統(tǒng)中。因此其優(yōu)點(diǎn)在于l)省掉了一些
部件，簡(jiǎn)化光路和控制部分的電路；2)提高了編碼速度；3)避免了由外加編碼部件帶來(lái)的
多縫衍射造成的測(cè)量誤差。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明涉及的一種針對(duì)陣列式光電檢測(cè)器的信噪比提升的編碼方法。具體的實(shí)施方式為陣列傳感器采集一次數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)與編碼序列相乘進(jìn)行編碼，求出編碼后的信號(hào)值。根據(jù)設(shè)定的編碼級(jí)數(shù)，依次使用每一個(gè)編碼序列處理一次傳感器采集到的數(shù)據(jù)。傳感器采集到的數(shù)據(jù)不重復(fù)使用。所有編碼序列使用完畢后，即可得到用于解碼的數(shù)據(jù)矩陣。利用阿達(dá)瑪解碼過(guò)程即可解出需要測(cè)定的信號(hào)。 實(shí)施例1 :對(duì)使用1024像元的線陣CCD的直讀光譜儀的阿達(dá)瑪編碼改造。
線陣CCD為1024像元，為匹配適用n = 1023的二值循環(huán)S矩陣編碼，舍棄端部一個(gè)像元，使用其中的1023個(gè)像元進(jìn)行編碼。線陣CCD曝光一次，與1023階S矩陣中的一行逐數(shù)據(jù)相乘，S編碼序列中為1的對(duì)應(yīng)測(cè)定值在編碼后保留，為0的對(duì)應(yīng)測(cè)定值就為0，將這一編碼處理過(guò)的信號(hào)值進(jìn)行累加，即為一個(gè)編碼數(shù)據(jù)。同樣的操作進(jìn)行1023次，第n次曝光采集的數(shù)據(jù)使用S矩陣第n行編碼，即可得到一個(gè)1023個(gè)元素的數(shù)組。利用這個(gè)數(shù)組即可通過(guò)阿達(dá)瑪解碼算法求算探測(cè)到的光譜。 以陣列光電探測(cè)器上的1023個(gè)像敏單元做為工作區(qū)域采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行編碼，每次測(cè)到的信號(hào)Y可以寫成(1)式 (1)式中yj是用第j個(gè)模板編碼序列調(diào)制產(chǎn)生的信號(hào)的總和，Xi是該CCD上第i個(gè)像敏單元所產(chǎn)生的信號(hào)，矢量Sj = (Sw， S2,j， . . . Sn,j)的值對(duì)每一個(gè)"透過(guò)"的元素為l，對(duì)"不透過(guò)"的元素為0，為了還原所有的1023個(gè)信號(hào)，則必須進(jìn)行1023次測(cè)量，得方程(2):<formula>formula see original document page 4</formula> (2-1) <formula>formula see original document page 4</formula> (2_2) ......
少旭廣2X鵬Z, (2-1023)
'w 利用Y = (yi， y2……yn)即通過(guò)阿達(dá)瑪解碼算法解出X，也就是求算出所需要這n個(gè)像敏單元所檢測(cè)到的信號(hào)。 線陣CCD所得到的數(shù)據(jù)即為直讀光譜儀所讀取到的光譜。利用阿達(dá)瑪變換可
以提高系統(tǒng)探測(cè)微弱光譜的信噪比。通過(guò)1023階阿達(dá)瑪變換，光譜探測(cè)的信噪比提高
(1023+1)/(2X 10231/2) = 16. 0倍。對(duì)于弱光光譜信號(hào)的探測(cè)更有利。 上述阿達(dá)瑪變換的編碼算法和解碼算法可通過(guò)計(jì)算機(jī)的軟、硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)。 上述調(diào)制方法可通過(guò)包括作為檢測(cè)器的陣列光電探測(cè)器、用于實(shí)現(xiàn)阿達(dá)瑪變換編
碼算法和解碼算法處理光電檢測(cè)器得到的光信號(hào)的裝置的設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。 實(shí)施例2 :對(duì)使用512X512像素分辨率的面陣CCD探測(cè)器成像圖片的編碼處理。 面陣CCD所得到的數(shù)據(jù)實(shí)際上是一個(gè)512X512的數(shù)據(jù)矩陣。利用阿達(dá)瑪變換可
以提高圖像的信噪比，但是這個(gè)時(shí)候就不宜使用512 X 512 = 262144階S矩陣進(jìn)行編碼，這
樣的測(cè)定時(shí)間長(zhǎng)度將是不能接受的。因此對(duì)圖像應(yīng)當(dāng)使用較低階S矩陣進(jìn)行編碼。 可以將該面陣CCD視為512個(gè)512線陣的集合。通過(guò)對(duì)每一個(gè)線陣進(jìn)行編碼處
理，也可以實(shí)現(xiàn)提高圖像分辨率的效果。參照實(shí)施例1的方法，512階方矩陣舍棄尾部的一
列數(shù)據(jù)。不過(guò)這列數(shù)據(jù)可以另外進(jìn)行一次511的編碼，不參與編碼的數(shù)據(jù)只有一個(gè)。每一
行的511個(gè)數(shù)據(jù)均與511階S矩陣中的一行逐數(shù)據(jù)相乘，編碼序列中為1的對(duì)應(yīng)測(cè)定值在
編碼后保留，為0的對(duì)應(yīng)測(cè)定值就為O，將這一編碼處理過(guò)的信號(hào)值進(jìn)行累加，即為一個(gè)511
元素的編碼數(shù)組。同樣的操作進(jìn)行511次，第n次曝光采集的數(shù)據(jù)使用S矩陣第n行編碼，
即可得到512個(gè)511元素的數(shù)列組。利用這個(gè)511X512的數(shù)列組進(jìn)行解碼，就可以得到
512X511的數(shù)據(jù)矩陣，再加上額外一行的一個(gè)511數(shù)列通過(guò)編碼、解碼的結(jié)果，以及未參與
編碼的一個(gè)像素，即可以得到512X512的數(shù)據(jù)矩陣。利用這個(gè)數(shù)據(jù)矩陣即可得到一張邊長(zhǎng)
512像素的正方形圖像，圖片的信噪比提高(511+1)/(2X5111/2) = 11.3倍(未參與編碼的
一個(gè)數(shù)據(jù)的影響可以忽略)。 實(shí)施例3 :對(duì)使用600X400像素分辨率的面陣CCD探測(cè)器成像圖片的編碼處理。
面陣CCD所得到的數(shù)據(jù)實(shí)際上是一個(gè)600X400的數(shù)據(jù)矩陣。利用阿達(dá)瑪變換可以提高圖像的信噪比，與實(shí)施例2相類似，不宜使用600X400 = 240000階S編碼序列進(jìn)行編碼。因此對(duì)圖像應(yīng)當(dāng)使用較低階S編碼序列進(jìn)行編碼。 可以將該面陣CCD劃分為若干個(gè)15X17的小區(qū)域。通過(guò)對(duì)每一個(gè)區(qū)域利用255階S循環(huán)矩陣編碼處理，也可以實(shí)現(xiàn)提高圖像分辨率的效果。由于傳感器像素比例不是15X 17的整數(shù)倍，因此邊緣的數(shù)據(jù)需要舍去。有9列400像素的區(qū)域被舍棄。
每個(gè)區(qū)域通過(guò)255編碼進(jìn)行編碼處理后，通過(guò)255階的解碼處理，可以得到一張600X391像素的圖像。該圖片的信噪比提高(255+l)/(2X2551/2) = 8. 0倍。
權(quán)利要求
提高陣列光電檢測(cè)器探測(cè)靈敏度的阿達(dá)瑪變換調(diào)制方法，使用陣列光電探測(cè)器作為檢測(cè)器，通過(guò)檢測(cè)器獲取光信號(hào)，模擬阿達(dá)瑪變換編碼部件的編碼過(guò)程，通過(guò)阿達(dá)瑪變換編碼算法和解碼算法處理光電檢測(cè)器得到的光信號(hào)，從而提高探測(cè)靈敏度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)制方法，其特征是陣列光電探測(cè)器為一個(gè)線陣或者面陣 的光電檢測(cè)器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的調(diào)制方法，其特征是所述阿達(dá)瑪變換的編碼算法和解碼 算法為以陣列光電探測(cè)器上的n個(gè)像敏單元作為工作區(qū)域進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，得到原始的光 信號(hào)數(shù)列Xi，其中i = 1，2，……n ;將&與阿達(dá)瑪變換編碼模板序列Si,j對(duì)應(yīng)相乘，再將這個(gè)數(shù)組求和得到y(tǒng)j，即<formula>formula see original document page 2</formula>式中yj是用第J個(gè)模板編碼序列調(diào)制產(chǎn)生的信號(hào)的總和，其中j = 1，2，……n ;利用Y = (yi，y2……yn)通過(guò)阿達(dá)瑪解碼算法解出X，X即為通 過(guò)阿達(dá)瑪變換編碼算法和解碼算法處理后的光信號(hào)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的調(diào)制方法，其特征是陣列光電探測(cè)器的像敏單元可以劃分 為一個(gè)或多個(gè)工作區(qū)域，未劃分進(jìn)工作區(qū)域的像敏單元被舍棄；對(duì)于劃分為多個(gè)工作區(qū)域， 每個(gè)工作區(qū)域均按照所述的阿達(dá)瑪變換的編碼算法和解碼算法進(jìn)行處理。
5. 實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述調(diào)制方法的設(shè)備，包括作為檢測(cè)器的陣列光電探測(cè)器、用于實(shí) 現(xiàn)阿達(dá)瑪變換編碼算法和解碼算法處理光電檢測(cè)器得到的光信號(hào)的裝置。
全文摘要
本發(fā)明提供一種提高陣列光電檢測(cè)器探測(cè)靈敏度的阿達(dá)瑪變換調(diào)制方法，使用陣列光電探測(cè)器做為檢測(cè)器，通過(guò)檢測(cè)器獲取光信號(hào)，模擬阿達(dá)瑪變換編碼部件的編碼過(guò)程，通過(guò)阿達(dá)瑪變換編碼算法和解碼算法處理光電檢測(cè)器得到的光信號(hào)，從而提高探測(cè)靈敏度。本發(fā)明還提供了實(shí)現(xiàn)上述調(diào)制方法的設(shè)備，包括作為檢測(cè)器的陣列光電探測(cè)器、用于實(shí)現(xiàn)阿達(dá)瑪變換編碼算法和解碼算法處理光電檢測(cè)器得到的光信號(hào)的裝置。該方法和設(shè)備利用陣列檢測(cè)器多通道的特性，通過(guò)利用阿達(dá)瑪變換調(diào)制陣列探測(cè)器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼處理，同時(shí)又無(wú)需增加專用編碼部件，可以大幅度提升檢測(cè)器的靈敏度。
文檔編號(hào)G01J3/28GK101718585SQ20091027275
公開(kāi)日2010年6月2日 申請(qǐng)日期2009年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月13日
發(fā)明者唐宏武, 徐昊 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)