CN105973467A - 基于压缩感知的声光信号处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压缩感知的声光信号处理系统，该声光信号处理系统包括激光器(1)、扩束器(2)、声光布拉格器件(3)、第一凸透镜(4)、空间滤波器(5)、第二凸透镜(6)、面阵液晶光阀(7)、第三凸透镜(8)、光电探测器(9)和运算控制器(10)，激光器(1)、扩束器(2)、声光布拉格器件(3)、第一凸透镜(4)、空间滤波器(5)、第二凸透镜(6)、面阵液晶光阀(7)、第三凸透镜(8)和光电探测器(9)固定于同一条线上，形成共轴光学系统。本发明该基于压缩感知的声光信号处理系统结构较为简单，可以适用于声光谱分析，声光相关器，声光卷积器等信号处理领域。

Description

基于压缩感知的声光信号处理系统

技术领域

本发明涉及光电系统及光电信息处理领域，具体涉及一种基于压缩感知的声光信号处理系统。

背景技术

声光信号处理是光电探测领域中重要的一部分，基于声光互作用原理，可以完成多种基于光学的模拟运算过程。但声光信号采集处理需要保证高精度和速度，因此在其后处理过程中一般需要使用高速、高精度器件完成采样，对于高速阵列式光电传感器，其价格昂贵，且难以保证像素一致性，会导致采样精度较差，不利于信号的后端处理。因此对声光信号的采集处理，亟待寻找一种新的方式，达到高速、高精度要求。

压缩感知理论在2004年被提出，其是一种的异于已有理论的全新采样理论，结合了矩阵理论、调和分析、信号处理等学科领域的成果，提出了一种在远低于顺序采样方式的测量次数下，实现信号恢复，重构的方法，通过压缩感知技术进行采样、重构，可以大大降低信号测量、传输时的带宽、资源消耗，并可在一定程度上提高测量的精度，引起了信号处理领域的一定关注。

考虑到压缩感知技术的特性，使其应用于声光信号采集处理上，可以在仅使用单光电探测器的情况下，达到和阵列式传感器等效的测量结果，实现对衍射图案的采集，且能够同时满足高速、高精度的要求。但压缩感知采样方式较为复杂，需要寻找合适方法、器件完成压缩感知的采样、重构过程。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于压缩感知的声光信号处理系统，完成声光互作用过程，并寻找合适的方式实现对声光衍射光谱基于压缩感知的稀疏采样和重构过程。

本发明解决上述的技术问题采用的技术方案为：一种基于压缩感知的声光信号处理系统，包括激光器、扩束器、声光布拉格器件、第一凸透镜、空间滤波器、第二凸透镜、面阵液晶光阀、第三凸透镜、光电探测器和运算控制器，激光器、扩束器、声光布拉格器件、第一凸透镜、空间滤波器、第二凸透镜、面阵液晶光阀、第三凸透镜和光电探测器固定于同一条线上，形成共轴光学系统；

其中，声光布拉格器件完成声光互作用过程，第一凸透镜、空间滤波器、第二凸透镜完成对声光布拉格器件的出射光谱的准直扩束，面阵液晶光阀受运算控制器控制，对准直扩束后的衍射光谱进行空域选择，实现压缩感知采样过程；

其中，面阵液晶光阀、第三凸透镜、光电探测器和运算控制器构成了压缩感知的测量处理单元，实现基于压缩感知的声光信号采样重构过程。

其中，面阵液晶光阀为透射式面阵液晶光阀，可通过电信号控制面阵液晶光阀上任意点对光线的阻挡程度。

其中，光电探测器为由单光电二极管、信号放大电路及数模转换电路构成，可以实现对光电二极管接收面的光功率测量。

其中，运算控制器包含与面阵液晶光阀、光电探测器的通讯电路，用于驱动面阵液晶光阀的控制电路，以及使系统工作的电源系统，其核心运算单元为ARM、FPGA、DSP、PC处理平台中一种或几种组合。

其中，该系统可以适用于声光谱分析，声光相关器，声光卷积器的信号处理领域。

本发明运用的基本原理涉及如下三个方面：

①液晶光电效应。

根据液晶电光效应可知，液晶施加一定电压后，液晶排列方式会发生扭曲，从而使得入射光的偏振方向发生偏转。因此当入射光为偏振光时，出射光的偏振方向可以受施加于液晶上的电压所控制。

当液晶的入射面和出射面都放置有偏振片时，入射自然光经过入射面偏振片变为偏振光，若受液晶偏转后射出的偏振光，与出射面偏振片偏振方向正交，则会被出射面偏振片阻挡，隔断光线。因此，可以利用液晶来构成电子光阀。

此种液晶光阀按阵列排布，形成面阵液晶光阀，其上任意点都可受电信号控制，控制光线透射。

②压缩感知原理。

根据压缩感知原理，对信号进行采样过程可由以下算式表示：

y＝φs＝φψ^Tx＝θx (1)

其中x为长度N的原始信号，M为测量次数，θ为M*N随机测量矩阵，ψ为信号的稀疏基，φ为θ经过ψ变换后得到的恢复矩阵。s为信号的稀疏表示，y为长度为M的测量值向量。

由式(1)可得，任意信号在进行随机采样后，都可以表示成一个恢复矩阵φ与信号稀疏表示s的乘积。当s中非零值较少时，即可通过正交匹配追踪算法或L1范数优化算法等欠定方程求解方法，实现对稀疏表示s的恢复。s恢复后，则可利用稀疏基ψ对s进行反变换，得到恢复而成的原始信号x。

在本发明中，面阵液晶光阀为随机采样的器件，通过输入测量矩阵θ控制光线通过，透镜进行汇聚，实现压缩采样中向量的乘加运算，进而实现压缩采样目的。

③声光互作用原理。

将时变电信号转换成声光器件中的超声波，超声波通过光弹效应可引起介质的折射率变化，该变化具有一定的周期性，相当于形成一个多缝衍射光栅，使入射激光发生衍射。

根据此原理，可通过分析声光器件衍射光谱进行声光谱分析，声光相关器，声光卷积器信号处理应用。

本发明的有益效果：

(1)、本发明系统中传感器使用单光电二极管，即可达到阵列式传感器等效的测量结果，实现对衍图案的采集。

(2)、本发明通过应用压缩感知原理，在进行较少次数测量后，就可以实现原始信号恢复。相比于传统测量方式，处理器与传感器的通信次数大大降低，降低了对通信带宽的需求。

(3)、本发明光电二极管选择范围广，可以通过选择感光面较大的光电二极管，实现极高的灵敏度。

(4)、本发明面阵液晶光阀上各点仅具有全通和阻挡两种状态，各点不存在差异，不需考虑像素一致性问题。

(5)、本发明根据压缩感知理论，压缩采样方式可实现相比于传统顺序采样方式更高的信噪比和动态范围。

(6)、本发明系统为共轴光路系统，相比基于DMD的压缩感知采样设备，结构简单，易于调整。

附图说明

图1为基于压缩感知的声光信号处理系统的示意图。

图2为压缩感知重构流程框图。

其中，1、激光器，2、扩束器，3、声光布拉格器件，4、第一凸透镜，5、空间滤波器，6、第二凸透镜，7、面阵液晶光阀，8、第三凸透镜，9、光电探测器，10、运算控制器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，所有光学元器件排列在同一光轴上，其中激光器1、扩束器2、声光布拉格器件3构成了声光互作用器，其中声光布拉格器件3接收输入声光信号实现声光互作用，产生出射的衍射光谱。衍射光谱经第一凸透镜4、空间滤波器5、第二凸透镜6，实现衍射光谱的扩束、准直整形，并使光投射至面阵液晶光阀7。面阵液晶光阀7对透射光进行空域选择，其出射光束经第三凸透镜8汇聚于光电探测器9上，光电探测器检测到汇聚光功率，传输至运算控制器10中，进行后处理解算过程。

在压缩感知采样过程中，需要选择满足有限等距性质的测量矩阵，由于本发明中选用的压缩采样器件限制，只能选用二值化测量矩阵，因此选择伯努利测量矩阵。伯努利矩阵是一种二值化的随机分布矩阵，当M、N较大时，可近似保证有限等距性质。伯努利矩阵由计算机事先生成，选取测量效果最好载入至运算控制器中。

运算控制器10逐行发送压缩感知测量矩阵中每行的测量向量至面阵液晶光阀，控制面阵液晶光阀切换，当面阵液晶光阀完成一次切换后，触发光电探测器对光功率进行测量，然后运算控制平台7接收光电探测器的检测值，可完成一次测量。

当完成所有M次测量后，运算控制器对测量数据进行压缩感知重构求解过程，重构算法采用基于匹配追踪和基追踪的欠定方程求解算法。该算法的输入信号为长度为M的测量值向量y，测量矩阵与稀疏基相乘得到的M*N大小的恢复矩阵φ，和信号的预估稀疏度K。其中M*N大小的恢复矩阵φ作为欠定方程组的系数矩阵，M长度的测量值向量y为欠定方程组的常数项，K为未知项中非零值个数。通过K次迭代寻找最大原子和更新期望、残差，和对L1范数最小的线性规划问题求解，最终可得到该欠定方程组的近似解，其中匹配追踪算法具有较高的速度而精度稍差，基追踪则有最好的精度。该解为原始信号在稀疏域稀疏表示的近似。通过稀疏基的逆变换，最终可得到原始信号的近似解。在满足N>M>>K，可以得到较为准确的解，进而恢复出原始信号。

如图2所示，具体流程如下：

步骤1、输入测量值向量y，恢复矩阵φ和信号的预估稀疏度K；

步骤2、根据需求，选择基追踪或匹配追踪，若选则匹配追踪算法则跳入步骤4；

步骤3、构建L1范数最小的线性规划问题，并求解，跳至步骤9；

步骤4、初始化残差e＝y，列集合A为空集，计数器t＝0；

步骤5、对残差e和恢复矩阵φ中每一列求内积，并选取最大列作为最大原子插入至列集合A中；

步骤6、求方程的最小二乘解并更新残差

步骤7、计数器t+1；

步骤8、若t<K则从步骤4开始重复，若t＝K，则执行步骤9；

步骤9、输出最后一次计算得最小二乘解其值在稀疏度K较小时即为原始信号x的稀疏表示s；

步骤10、结束计算。

Claims (5)

1.一种基于压缩感知的声光信号处理系统，其特征在于：包括激光器(1)、扩束器(2)、声光布拉格器件(3)、第一凸透镜(4)、空间滤波器(5)、第二凸透镜(6)、面阵液晶光阀(7)、第三凸透镜(8)、光电探测器(9)和运算控制器(10)，激光器(1)、扩束器(2)、声光布拉格器件(3)、第一凸透镜(4)、空间滤波器(5)、第二凸透镜(6)、面阵液晶光阀(7)、第三凸透镜(8)和光电探测器(9)固定于同一条线上，形成共轴光学系统；

其中，声光布拉格器件(3)完成声光互作用过程，第一凸透镜(4)、空间滤波器(5)、第二凸透镜(6)完成对声光布拉格器件(3)的出射光谱的准直扩束，面阵液晶光阀(7)受运算控制器(10)控制，对准直扩束后的衍射光谱进行空域选择，实现压缩感知采样过程；

其中，面阵液晶光阀(7)、第三凸透镜(8)、光电探测器(9)和运算控制器(10)构成了压缩感知的测量处理单元，实现基于压缩感知的声光信号采样重构过程。

2.根据权利要求1所述的基于压缩感知的声光信号处理系统，其特征在于：面阵液晶光阀(7)为透射式面阵液晶光阀，可通过电信号控制面阵液晶光阀(7)上任意点对光线的阻挡程度。

3.根据权利要求1所述的基于压缩感知的声光衍射测量系统，其特征在于：光电探测器(9)为由单光电二极管、信号放大电路及数模转换电路构成，可以实现对光电二极管接收面的光功率测量。

4.根据权利要求1所述的基于压缩感知的声光衍射测量系统，其特征在于：运算控制器(10)包含与面阵液晶光阀(7)、光电探测器(9)的通讯电路，用于驱动面阵液晶光阀(7)的控制电路，以及使系统工作的电源系统，其核心运算单元为ARM、FPGA、DSP、PC处理平台中一种或几种组合。

5.根据权利要求1所述的基于压缩感知的声光信号测量系统，其特征在于：该系统可以适用于声光谱分析，声光相关器，声光卷积器的信号处理领域。