压缩感知理论在光学成像中的应用

压缩感知以信号的稀疏性或可压缩性为条件,以远低于耐奎斯特采样频率对信号数据进行采样和编码。简要概括了压缩感知的基本理论,它采用非自适应线性投影来保持信号的原始结构, 能通过数值最优化问题精确或高概率地重构原始信号。详细介绍了其在光学成像系统中的应用,主要包括单像素相机、超薄成像、编码孔径成像、多路技术智能成像、多光谱成像和CMOS成像等成像系统。最后对该理论的应用前景进行了阐述。     

一种基于压缩感知的三维导体目标电磁散射问题的快速求解方法

提出了一种将压缩感知和特征基函数结合的方法来计算三维导体目标的雷达散射截面.利用压缩感知理论,将随机选择的矩量法阻抗矩阵作为测量矩阵,将激励电压视为测量值,然后再用恢复算法可实现二维或二维半目标感应电流的求解.对于三维导体目标,使用Rao-Wilton-Glisson基函数表示的感应电流在常用的离散余弦变换基、小波基等稀疏基上不稀疏.为此,本文将计算出的目标特征基函数作为稀疏基,用广义正交匹配追踪算法作为恢复算法来加速恢复过程,并应用到三维导体目标的雷达散射截面计算中.数值结果证明了本文方法的准确性与高效性.     

基于压缩感知的目标频空电磁散射特性快速分析

矩量法是求解目标电磁散射问题的一种常用数值方法,因其精度较高而被广泛应用.应用矩量法求解目标频空电磁散射特性时,随着入射波的角度和频率的变化,需要间隔很小的角度和频率步长反复求解矩量法生成的矩阵方程,运算量极大.为解决此类问题,本文结合压缩感知理论和渐近波形估计形成一种新的有效计算方法.首先,基于压缩感知理论引入一种富含空间信息的新型入射源,其次,在该入射源照射下应用渐近波形估计技术求解,从而快速实现目标频空电磁散射特性分析.     

新型压缩感知计算模型分析三维电大目标电磁散射特性

为提高基于压缩感知技术的矩量法在三维电大目标双站电磁散射问题中的计算效率和稳定性,提出新的稀疏、测量和重构方法,构建一种新型压缩感知计算模型.不同于基于欠定方程的传统的压缩感知计算模型,新型计算模型首先采用按行均匀抽取阻抗矩阵的方法构造测量矩阵以获得稳定的计算结果;然后,基于Foldy-Lax方程生成多阶特征基函数并作为稀疏基对感应电流进行稀疏转换;再依据少数低阶特征基函数足以近似表征感应电流的先验条件,将恢复算法简化为最小二乘法;最后,将矩阵方程转换为一个超定系统并采用最小二乘法解出电流系数.与传统的计算模型相比,新型计算模型不仅可以获得更加稳定的精确解,还可以显著提高电大目标双站散射问题的求解效率和计算精度.数值仿真结果证明了新方法的可行性和高效性.     

静电场边值问题的矩量法解

本文采用修正格林函数积分方程的矩量法数值解技术求解静电场边值问题。这种方法具有较边界积分法积分域小的特点,不仅有高的计算效率和精度,尤其适用于有无限延伸导体边界的边值问题。本文着重讨论与传输线问题等效的边值问题,这是典型的二维静电场问题,对高频和微波技术有重要的实用价值。本文方法也适用于三维静电场问题和交变电磁场问题。     

压缩感知理论在图像处理领域的应用

针对传统的采样方法得到的图像数据量巨大,给图像信息的后续处理造成极大压力的问题,对压缩感知理论（Compressed Sensing,CS）进行了研究。压缩感知理论使采集很少一部分数据并且从这些少量数据中重构出更大量信息的想法变成可能,突破了奈奎-斯特采样定理的限制。综述了CS理论及关键技术问题,并着重介绍了CS理论在成像系统、图像融合、图像目标识别与跟踪等方面的应用与发展状况。文章指出CS理论开拓了信息处理的新思路,随着该理论的进一步完善,会有更广泛的应用领域。     

压缩感知理论在图像处理领域的应用

针对传统的采样方法得到的图像数据量巨大,给图像信息的后续处理造成极大压力的问题,对压缩感知理论(Compressed Sensing,CS)进行了研究。压缩感知理论使采集很少一部分数据并且从这些少量数据中重构出更大量信息的想法变成可能,突破了奈奎-斯特采样定理的限制。综述了CS理论及关键技术问题,并着重介绍了CS理论在成像系统、图像融合、图像目标识别与跟踪等方面的应用与发展状况。文章指出CS理论开拓了信息处理的新思路,随着该理论的进一步完善,会有更广泛的应用领域。     

基于压缩感知及光学理论的图像信息加密

针对信息加密系统中信息安全性不理想的问题,提出一种基于压缩感知的光学图像信息加密方法.在发送端,自然图像经稀疏表示、随机投影实现图像信息加密;然后将降维后的观测值通过4F双随机相位编码光学系统进行二次加密并将其融入宿主图像,实现信息加密及隐藏.在接收端,图像信息经双随机相位编码技术解码,通过正交匹配追踪算法实现原始图像信息重构.该系统能有效降低数据传输量、减小随机相位板大小.且收发方只需按照规则生成密钥而不需传输密钥,保证了密钥的安全性.仿真结果表明:解密恢复图像质量理想,峰值信噪比为30.899 1dB,且系统能较好地抵抗裁剪、噪音污染、高通滤波、旋转等攻击,鲁棒性强,安全性高.     

多芯屏蔽电缆电容的矩量法求解

介绍了基于电压积分方程的矩量法计算具有圆形截面多导体传输线电容的基本原理,给出了三例屏蔽单芯或多芯电缆电容参数的计算结果,计算结果显示SYVZ-9电缆相邻导线间存在电容耦合,不相邻导线间几乎无电容耦合。     

多芯屏蔽电缆电容的矩量法求解

 介绍了基于电压积分方程的矩量法计算具有圆形截面多导体传输线电容的基本原理,给出了三例屏蔽单芯或多芯电缆电容参数的计算结果,计算结果显示SYVZ-9电缆相邻导线间存在电容耦合,不相邻导线间几乎无电容耦合。     

基于压缩感知的一维海面与二维舰船复合后向电磁散射快速算法研究

矩量法作为数值方法中积分方程方法的代表, 具有计算精度高、所用格林函数自动满足辐射条件、无须额外设置边界条件等优点. 但是在舰船目标与海面复合后向电磁散射仿真中, 传统矩量法需针对每个入射角反复求解矩阵方程组, 导致其在处理后向散射问题时计算量大, 耗时长, 仿真效率低下. 为解决上述问题, 本文提出了一种基于压缩感知技术的矩量法的改进算法. 该算法在求解复合后向散射问题时, 首先利用观测矩阵与传统矩量法中的电压矩阵相乘, 得到一组新的低维度的电压矩阵; 其次通过求解新电压矩阵下的矩阵方程组, 获得电流矩阵的观测值; 最后利用恢复算法(本文采用正交匹配追踪算法)重构出所需的原始入射源照射下的电流系数. 通过与传统矩量法的计算结果对比, 表明本文所提算法能够在保证计算精度的前提下, 明显减少计算时间, 提高计算效率.     

基于柱坐标系抛物方程和矩量法的电波传播混合算法

针对包含近源障碍物条件下的电波传播问题,提出了一种新颖的电波传播预测混合建模方法:矩量法(MOM)和圆柱坐标系抛物方程法(PEM)混合建模方法(MOM-PEM);MOM用于包含辐射源和近源障碍物的小圆柱区域内的电波传播建模,PEM用于MOM计算空间外的大区域范围内电波传播建模。MOM和PEM的计算过渡区域进行精细化网格剖分处理以避免场强数值传递的不兼容。仿真模拟了三类近源障碍物存在场景下的电波传播问题:有限开窗屏障碍物、立方体障碍物以及包含辐射源的半封闭空间障碍物,并将混合算法计算得到的结果和相同环境下采用全矩量法计算得到的结果进行了数值对比,结果表明混合算法和矩量法在精度上吻合较好。     

压缩感知在宽带声学多普勒测速技术中的应用

为降低宽带声学多普勒测速技术中宽带回波信号处理系统的采样和数据存储压力,研究了压缩感知的回波信号重构算法,并将其应用于宽带声学多普勒测速的回波信号分析中.在点回波模型下进行宽带回波信号的仿真实验,利用复协方差法计算频移.仿真实验结果表明,在无噪声的理想条件下,利用压缩感知理论处理宽带多普勒测速的回波信号,能够达到理想的...     

C2V群寻基在矩量法求解二维电磁散射问题中的应用

针对横截面为双轴对称特征的散射柱,确定以柱各边的中心点共计4个群变换对称点,以此构成4个自然对称基函数.根据二维对称物体的对称特点构造出对称变换群,继而确定出该变换群的正规表示,将正规表示进行约化,根据所约化出的不可约表示,进而确定出以上述4个自然对称基的线性组合的线性独立归一的完备基,计算结果表明,以该基函数级数展开来描述散射体表面电流,具有收敛速度快、计算精度高等特点.     

应用矩量法研究有限长带电直导线的电荷分布

文章采用矩量法数值计算有限长带电直导线的电荷密度分布.结果表明,带电直导线的电荷密度分布不均匀,导线两端电荷密度大,中间电荷密度小,正电荷密度呈"∪"分布,负电荷密度呈"∩"分布,计算结果较为精确并具有良好的收敛性.     

雪层覆盖地面电磁散射的矩量法

为实现分层介质粗糙面电磁散射的矩量法研究,给出一种分层介质粗糙面电磁积分方程的区域分解方法.将格林定理应用于粗糙面所分的各子空间,结合波动方程和格林函数推导分层粗糙面的电磁积分方程,利用矩量法对其进行离散,数值计算得到雪层覆盖地面散射系数的角分布曲线,其中,粗糙表面由一维带限Weierstrass分形谱和Monte Carlo方法模拟.通过与时域有限差分法数值结果的比对,验证该方法的准确性,并分析散射系数随雪和地面参数、介质参数以及入射波参数的变化,获得了较完整的散射特征.     

应用压缩传感求解宽角度电磁散射问题

基于矩量法中阻抗矩阵与电磁波入射方向的无关性,引入压缩传感技术,构建一种全新的含有丰富角度信息的入射源.在该入射源照射下利用矩量法获得感应电流的测度,在数次测度之后,通过快速正交匹配追踪算法可恢复各个角度入射下的激励电流.与传统的矩量法相比,计算结果保持很高的精度,且计算时间减少为原来的三分之一,从而降低了宽角度电磁响应分析的计算复杂度.     

压缩感知技术在激光惯性约束聚变研究中的应用

激光驱动惯性约束聚变（ICF）研究是当前国际前沿科学中一个具有挑战性的研究领域,它以高能激光作为驱动源,在极短的时间内将大量能量注入靶丸中使聚变材料达到高温高密度的状态从而在靶丸中心形成热斑并引燃整个燃料层,最终实现可控核聚变。由于内爆热斑直径为50～100 μm,其持续时间为100～200 ps,离子温度达到5 keV,压力可达4.0×1016 Pa。因此,发展极端瞬态条件下的诊断技术具有重要意义。介绍了两种基于压缩感知技术的诊断方法,第一种是基于数字微镜阵列（DMD）进行编码的反射式可见光压缩感知技术,这种技术将现有的一维任意反射面速度干涉仪（VISAR）与压缩超快成像（CUP）系统相结合,有望实现一种全新的具有高时间分辨的二维VISAR诊断技术,将诊断维度从一维扩展至二维,同时它克服了现有的二维VISAR单幅成像的缺点,有望实现对内爆压缩过程流体力学不稳定性演化过程的连续诊断。由于基于DMD进行编码的反射式可见光压缩感知技术只能用于可见光波段,无法用于紫外与X光波段,为此还发展了一种透射式压缩感知技术。这种透射式压缩感知技术采用一种新颖的透射式元件实现对待测信号的编码,可以实现对紫外和X光波段信号的二维超快探测,有望实现对内爆热斑超快时空演化过程进行精密诊断。此外,针对单通道CUP技术的高时间分辨的优势和低空间分辨的不足,还提出了多通道编码、分别扫描、解码、再合成的全新的高时空分辨诊断系统基本思路,有望实现高时间分辨的同时,实现高空间分辨的二维新型诊断技术。     

基于压缩感知理论的PIE显微成像研究

为了克服PIE成像中所面临的数据量过大的问题,将压缩感知理论用于PIE成像。将采样到的衍射斑稀疏变换并压缩后,可以显著减少需要存贮的数据量。再现过程中选用子空间匹配追踪算法(SP)或者正交匹配追踪算法(OMP)重构出散射斑的原始分布,用常规的PIE算法进行图像重建。模拟和实验结果均表明,当压缩采样率在30%的时候就能重构出很好的图像。和OMP重构算法相比,SP算法更适合在PIE成像中应用。