一种超灵敏天文望远镜及其天文图像获取方法
【专利摘要】本发明涉及一种超灵敏天文望远镜，包括天文望远镜镜头、空间光调制器、会聚收光部件、单光子点探测器、计数器、数据包存储器、随机数发生器、控制模块及压缩感知模块；光信号由天文望远镜镜头收集，成像到空间光调制器上；空间光调制器对天文图像进行随机调制，将不同位置的光反射到会聚收光部件；会聚收光部件收集的光信号形成待测极弱光，传输到单光子点探测器；随机数发生器控制空间光调制器对光信号的随机调制；单光子点探测器探测待测极弱光中的单光子，将单光子信号转换成电信号后输出；计数器记录单光子数目的电脉冲个数；控制模块对整个超灵敏天文望远镜进行控制协调；压缩感知模块利用单光子数目、随机矩阵、稀疏基实现天文图像重建。
【专利说明】一种超灵敏天文望远镜及其天文图像获取方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及天文领域，特别涉及一种超灵敏天文望远镜及其天文图像获取方法。【背景技术】
[0002]天文望远镜是观测天体的重要工具，可以毫不夸大地说，没有望远镜的诞生和发展，就没有现代天文学。随着望远镜在各方面性能的改进和提高，天文学也正经历着巨大的飞跃，迅速推进着人类对宇宙的认识。
[0003]按工作波段的不同，天文望远镜可分为光学望远镜和射电望远镜。其中光学望远镜主要以可见光为工作波段，根据使用地点的不同，可以分为地面天文望远镜和空间天文望远镜。由于光学系统的不同，又可以分为反射望远镜、折射望远镜、折反射望远镜等类型。射电望远镜主要以无线电波为工作波段。目前地面观测绝大多数处于凝聚态的天体(恒星等)仍以光学波段观测为主要手段，这是由于:大多数恒星等天体温度范围从数千度到数万度，辐射集中在光学波段；携带大量天体物理信息的谱线，主要集中于可见区；大气在可见区有良好的透射。
[0004]灵敏度是天文望远镜最重要的指标，因为天文望远镜灵敏度提高，就能够看到更暗更远的天体，这等同于能够看到更早期的宇宙，这对于研究宇宙的起源等人类关心的最基本问题具有重要意义，因此天体物理的发展需要更高灵敏度的天文望远镜。目前天文望远镜灵敏度的提高主要通过口径的增大来实现，望远镜的口径越大，集光能力越强，灵敏度也会越高，因此现代天文望远镜的口径制作地越来越大。但是，随着望远镜口径的增大，一系列的技术问题接踵而来。例如，口径5米的海尔望远镜曾经是世界上最大的天文望远镜，它的镜头自重达14.5吨，可动部分的重量为530吨，而后来建成的6米口径天文望远镜更是重达800吨。一方面，望远镜的自重过大会使镜头变形相当明显，另一方面，镜体温度不均也令镜面产生畸变，进而影响成像质量。从制造方面看，传统方法制造望远镜的费用几乎与口径的平方或立方成正比，所以制造更大口径的望远镜在性能和费用上都受到极大限制。
[0005]影响天文望远镜灵敏度的另一个重要因素在于光学探测器的性能，高灵敏度的探测器必然可以有效提高天文望远镜的灵敏度。基于盖革工作模式的雪崩光电二极管(APD)可以探测到单个光子的能量，是理论上灵敏度最高的探测器，也称为单光子探测器。其他高灵敏度探测器还包括光电倍增管(PMT)，其灵敏度可达到几个或几十个光子。然而，这些高灵敏度探测器存在的问题是，现阶段我国只有单点的Aro探测器，由于制作工艺的限制还没有生产阵列APD的能力；国际上可用的阵列APD最大像素也只有128X 128，远远达不到获得高分辨率天文图像的需求。另外，PMT由于工作机理的原因也没有阵列探测器。对于单光子探测器等高灵敏度探测器缺乏阵列的问题，一种解决办法是使用点探测器进行扫描实现成像，这样带来的问题是扫描探测器会耗费大量的时间，大大降低图像获取速度，同时图像不同位置的信息探测时间产生差异，扫描期间的图像偏移会造成成像分辨率的下降。另一只解决办法是将大量点探测器拼成阵列进行探测，但是要获得足够的分辨率，需要数量极其庞大的单点探测器，如要获得1024X768像素的图像则需要大约80万的点探测器，造成极高的成本，并且点探测器拼接会存在严重的占空比问题，造成集光效果的下降，进而影响望远镜的灵敏度。
[0006]综上所述，现有的天文望远镜在灵敏度上存在不足，并且传统的天文望远镜在灵敏度提高途径上存在制约，天体物理的发展亟需灵敏度更高的天文望远镜。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于克服现有的天文望远镜在灵敏度上的不足，从而提供一种超灵敏天文望远镜。
[0008]为了实现上述目的，本发明提供了一种超灵敏天文望远镜，包括光学单元I和电学单元II ;其中，光学单元I至少包括天文望远镜镜头1、空间光调制器2、会聚收光部件3 ;电学单元II包括单光子点探测器5、计数器6、数据包存储器7、随机数发生器8、控制模块9以及压缩感知模块10 ；
[0009]从天体传播而来的处在单光子水平的光信号由所述天文望远镜镜头I收集，并成像到所述空间光调制器2上；所述空间光调制器2对成像在其表面的天文图像进行随机调制，以随机概率将图像上不同位置的光反射到所述会聚收光部件3方向；所述会聚收光部件3所收集的光信号形成待测极弱光，所述待测极弱光传输到所述电学单元II中的单光子点探测器5 ；
[0010]所述随机数发生器8产生随机数用于控制所述空间光调制器2，所述空间光调制器2根据该随机数实现对光信号的随机调制；所述单光子点探测器5探测待测极弱光中的单光子，将采集到的单光子信号转换成脉冲形式的电信号后输出；所述计数器6记录所述单光子点探测器5发出的代表单光子数目的电脉冲个数；所述控制模块9对整个超灵敏天文望远镜进行控制协调，包括对各部件的工作控制和同步脉冲触发信号发射，确保所述计数器6和所述空间光调制器2同步工作；所述计数器6所记录的单光子的数目和所述随机数发生器8生成的随机矩阵全部存入所述数据包存储器7中；所述压缩感知模块10利用所述数据包存储器7中的单光子数目以及对应的随机矩阵，并选取稀疏基实现天文图像重建，得到极弱光水平的天文图像。
[0011]上述技术方案中，所述光学单元I还包括光谱滤光部件4，所述光谱滤光部件4位于会聚收光部件3与单光子点探测器5之间的光路上；所述光谱滤光部件4对会聚收光部件3所收集的光信号进行滤波，滤出待测波长的光，将过滤后的待测极弱光传输到所述电学单元II中的单光子点探测器5。
[0012]上述技术方案中，所述随机数发生器8用于生成二值伯努利分布的散斑或二值非均匀分布的散斑，二值由O和I组成；当生成二值伯努利分布的散斑时，需使第一帧的散斑全为I,而伯努利分布由Walsh或Hadamard或noiselet变换获得；当生成二值非均勻分布的散斑时，每帧散斑中I的个数需远小于O的个数，且I在每帧散斑的空间分布上是随机的。
[0013]上述技术方案中，所述天文望远镜镜头I采用下列任意一种天文望远镜类型的镜头:反射式天文望远镜，包括牛顿式、卡塞格林式、格里式；折射式天文望远镜，包括伽利略望远镜、开普勒望远镜；折反射式天文望远镜，包括施密特-卡塞格林式、马克苏托夫-卡塞格林式；多镜面望远镜；双筒望远镜；也包括应用于卫星、空间站之上的空间天文望远镜。
[0014]上述技术方案中，所述空间光调制器2采用数字微镜器件实现。
[0015]上述技术方案中，所述会聚收光部件3包括会聚透镜和衰减片。
[0016]上述技术方案中，所述光谱滤光部件4采用包括干涉滤光片、有色玻璃、光栅、棱角在内的具有滤光能力的器件实现。
[0017]上述技术方案中，所述单光子点探测器5采用盖革模式雪崩二极管或光电倍增管实现。
[0018]上述技术方案中，所述控制模块9确保所述计数器6和空间光调制器2之间同步工作，包括:所述空间光调制器2每进行一次随机调制，所述计数器6累积所述单光子点探测器5发出的代表单光子数目的电脉冲个数，直到所述空间光调制器2进行下一次随机调制，将所述空间光调制器2稳定于一次随机调制时间内的光子计数传输至数据包存储器7，并将计数清零，开始下一次计数。
[0019]上述技术方案中，所述压缩感知模块10采用下列算法中的任意一种实现压缩感知:匹配跟踪算法MP、正交匹配跟踪算法0ΜΡ、基跟踪算法BP、贪心重建算法、LASSO、LARS,GPSR、贝叶斯估计算法、magi C、1ST、TV、StOMP、CoSaMP、LB1、SP、ll_ls、smp 算法、SpaRSA 算法、TwIST算法、10重建算法、I1重建算法、I2重建算法；稀疏基采用离散余弦变换基、小波基、傅里叶变换基、梯度基、gabor变换基中的任意一种；当所测天文图像本身具有很好的稀疏性时，则无需使用 稀疏基，直接对原始信号进行重建。
[0020]本发明还提供了根据所述的超灵敏天文望远镜所实现的天文图像获取方法，包括:
[0021]步骤I)光信号获取的步骤:
[0022]单光子水平的从天体传播而来的光信号由所述天文望远镜镜头I收集，并成像到所述空间光调制器2上；所述空间光调制器2对成像在其表面的天文图像进行随机调制，以随机概率将图像上不同位置的光反射到所述会聚收光部件3方向；所述会聚收光部件3所收集的光信号通过所述光谱滤光部件4 ;所述光谱滤光部件4滤出待测波长的光，将过滤后的待测极弱光传输到所述电学单元II中的单光子点探测器5 ；
[0023]步骤2)光学调制与单光子探测、计数同步工作的步骤；
[0024]所述随机数发生器8产生随机数用于控制所述空间光调制器2，所述空间光调制器2根据该随机数实现对光信号的随机调制；所述单光子点探测器5探测待测极弱光中的单光子，将采集到的单光子信号转换成脉冲形式的电信号后输出；所述计数器6记录所述单光子点探测器5发出的代表单光子数目的电脉冲个数；所述控制模块9对整个超灵敏天文望远镜进行控制协调，包括对各部件的工作控制和同步脉冲触发信号发射，确保所述计数器6和所述空间光调制器2同步工作；
[0025]步骤3)单光子数目与随机矩阵预处理的步骤；
[0026]当随机数发生器8生成二值伯努利分布的散斑时，若第I帧为全1，设所有的单光子数目组成一个列向量y，维度为mX I, m为总的测量数,随机矩阵记作A,维度为mX η, η为总的信号长度，令第一帧所对应的单光子数目为y1;则使2y-yi作为新的单光子数目，2A-1作为新的随机矩阵；
[0027]当随机数发生器8生成二值非均匀分布的散斑时，跳过此步骤3)；[0028]步骤4)压缩感知图像恢复的步骤；
[0029]将所述的单光子数目和随机矩阵全部存入所述数据包存储器7中；所述压缩感知模块10利用所述数据包存储器7中的单光子数目以及对应的随机矩阵，并选取稀疏基实现天文图像重建，得到极弱光水平的天文图像。
[0030]上述技术方案中，在步骤I)之前还包括减少仪器噪声的步骤；该步骤包括:对仪器进行密闭封装，或提高光学部件的透过率，或提高仪器内部的清洁度，或提高单光子点探测器5的包括探测效率、暗计数在内的参数，或提高仪器稳定性。
[0031]上述技术方案中，在步骤I)之前还包括采用主动光学或自适应光学提高图像信噪比的步骤；其中，所述主动光学通过促动器主动改变主镜镜面的形状，修正由于重力、温度和风力造成的镜面本身的形变对成像带来的影响，减少由此产生的光学畸变；所述自适应光学需要首先检测波前扭曲情况，然后通过安装在望远镜焦面后方的携带有促动器的小型可变形镜面对波前实时进行矫正，从而修复大气湍流等因素对光波波前的扭曲。
[0032]本发明的优点在于:
[0033]1、本发明利用了最新的数学研究成果一压缩感知理论，只需要单光子点探测器即可实现高分辨率的天文图像观测，解决了现阶段高分辨率单光子探测器阵列缺乏的问题；
[0034]2、天文图像获取过程中无需对单光子点探测器进行扫描，减少了机械移动产生的误差；每一次测量过程单光子点探测器均会获取天文图像整体区域的信息，不会因测量过程中图像的偏移造成成像分辨率的下降；
[0035]3、每次测量单光子点探测器可以随机获取图像上一半像素的总光强，因此每次测量光子数可达到整个图像光子数的一半，是一种高通量、高信噪比的测量方式，其灵敏度远高于采用单光子点探测器扫描或单光子阵列探测器测量方式时的灵敏度，可实现高灵敏度的图像探测；
[0036]4、压缩感知理论允许亚采样的采样数，本发明的测量次数小于单光子点探测器扫描模式的测量次数，可以利用更短的时间获取天文图像；
[0037]5、本发明利用单光子点探测器实现了远高于现有天文望远镜的灵敏度，从根本上解决以往从提高望远镜口径的途径提高天文望远镜灵敏度的方式，不需要超大口径的望远镜镜头即可实现高灵敏度的天文图像探测，适当尺寸的望远镜口径可以提高镜头的均匀性和光学、力学性能，提高成像精度和分辨率；
[0038]6、本发明中的超灵敏天文望远镜可以广泛应用在地面、空间等工作条件下的天文望远镜，对于天文学、宇宙学、天体物理等领域的发展有重要作用。
【专利附图】
【附图说明】
[0039]图1是是本发明的超灵敏天文望远镜的结构示意图；
[0040]图2是数字微镜器件中单个微镜的反射机制描述图。
[0041]图面说明
[0042]I光学单元
[0043]I天文望远镜镜头2空间光调制器
[0044]3会聚收光部件 4光谱滤光部件[0045]II电学单元
[0046]5单光子点探测器6计数器
[0047]7数据包存储器 8随机数发生器
[0048]9控制模块 10压缩感知模块
【具体实施方式】
[0049]现结合附图对本发明作进一步的描述。
[0050]本发明的具有超灵敏度的天文望远镜利用了压缩感知(Compressive Sensing,简称CS)原理,所述的压缩感知原理是由Donoho、Tao和CandSs等人提出的一个全新数学理论。按照压缩感知，通过对信号进行随机采样的方式，可以利用远低于奈奎斯特/香农采样定理要求的采样数实现对信号信息的采样，并通过数学算法完美地恢复原始信号，且具有很高的鲁棒性。压缩感知主要分为三步骤:压缩采样、稀疏变换与算法重建；其中，压缩采样，是指以少于信号数量的测量数对信号进行采样的过程I = Ax，其中X为待测信号，A为测量矩阵，y为测量值。同时对信号的线性随机采样可以对探测维度进行压缩，只需要低于原始信号维度探测器即可获取信号的线性叠加信息。所述的稀疏变换是选取适当的稀疏基Ψ，使得X经Ψ作用所得值X’是稀疏的，即X在Ψ框架下可稀疏表达；所述的算法重建是在已知测量值y、测量矩阵A和稀疏基Ψ的条件下求解y = ΑΨχ’+e的过程，最后再由
χ=Σ^χ’ i l^i 反演出 X。
[0051]参考图1，本发明的基于压缩感知原理的超灵敏天文望远镜，包括光学单元I和电学单元II ;其中，光学单元I包括天文望远镜镜头1、空间光调制器2、会聚收光部件3、光谱滤光部件4 ;电学单元II包括单光子点探测器5、计数器6、数据包存储器7、随机数发生器
8、控制模块9以及压缩感知模块10 ；
[0052]在光学单元I中，从天体传播而来的处在单光子水平的光信号由天文望远镜镜头I收集，并成像到空间光调制器2上，天文望远镜镜头的成像面大小应与空间光调制器的有效面积相当，使得空间光调制器的有效面积上完全覆盖图像信息，同时天文望远镜镜头所成图像不会超出空间光调制器的有效面积之外；空间光调制器2对成像在其表面的天文图像进行随机调制，以随机概率将图像上不同位置的光反射到会聚收光部件3方向；会聚收光部件3所收集的光信号通过光谱滤光部件4 ;光谱滤光部件4滤出待测波长的光，将过滤后的待测极弱光传输到电学单元II中的单光子点探测器5 ；
[0053] 在电学单元II中，随机数发生器8产生随机数用于控制空间光调制器2，空间光调制器2根据该随机数实现对光信号的随机调制；单光子点探测器5探测待测极弱光中的单光子，将采集到的单光子信号转换成脉冲形式的电信号后输出；计数器6记录单光子点探测器5发出的代表单光子数目的电脉冲个数；控制模块9对整个超灵敏天文望远镜进行控制协调，包括对各部件的工作控制和同步脉冲触发信号发射，确保计数器6和空间光调制器2同步工作；计数器6所记录的单光子的数目和随机数发生器8生成的随机基全部存入数据包存储器7中；压缩感知模块10根据数据包存储器7中的单光子数目以及随机基实现天文图像重建，得到极弱光水平的天文图像。
[0054]以上是对本发明的天文望远镜的总体结构的描述，下面对天文望远镜中各个部件的具体实现做进一步的描述。[0055]所述天文望远镜镜头I用于收集从天体发射并传播到望远镜位置的光子信号，并对天体进行成像。天文望远镜的成像分辨率和像差、色差等图像质量主要由天文望远镜镜头决定。天文望远镜镜头的结构可以采用下列任意一种天文望远镜类型的镜头:反射式天文望远镜，包括牛顿式、卡塞格林式、格里式等；折射式天文望远镜，包括伽利略望远镜、开普勒望远镜等；折反射式天文望远镜，包括施密特-卡塞格林式、马克苏托夫-卡塞格林式等；多镜面望远镜；双筒望远镜；也包括应用于卫星、空间站之上的空间天文望远镜。
[0056]所述空间光调制器(SLM) 2能将信息加载于一维或两维的光场上。这类器件可在随时间变化的电驱动信号或其他信号的控制下，改变空间上光分布的振幅或强度、相位、偏振态以及波长，或者把非相干光转化成相干光，是实时光学信息处理、光学计算、光学神经网络和自适应光学等现代光学领域的关键器件，其种类有很多种，主要有数字微镜器件(Digital Micro-mirror Device,简称DMD)、液晶光阀、毛玻璃等。在本实施例中,所述SLM为数字微镜器件，包括微镜阵列和集成电路部分。在其他实施例中，也可以是其它类型的SLM。
[0057]本实施例中所采用的DMD是包含有大量安装在铰链上的微镜的阵列(主流的DMD由1024X 768的阵列构成)，每一镜片的尺寸为14 μ mX 14 μ m,并可对每个像素上的光实现独立控制。通过对每一个镜片下的存储单元以二进制信号进行电子化寻址，便可让每个镜片在静电作用下向两侧翻转10?12°左右(本实施例中为+12°和-12° )，把这两种状态记为I和0，分别对应“开”和“关”，当镜片不工作时，它们处于0°的“停泊”状态。
[0058]在图2中，对DMD中的单个微镜的反射机制做了描述。图中矩形表示DMD微镜，0°位置为微镜初始位置。图中标出了微镜处于初始位置时的法线方向，及光线入射、出射方向。当微镜处于+12°翻转状态时，微镜顺时针旋转+12°，法线方向也随之旋转+12°。根据反射定律，反射光将顺时针旋转24° ;同理，当微镜处于-12°翻转状态时，反射光将逆时针旋转24°。因此，两个方向的反射光成48°夹角。当单光子点探测器5处于+12°或-12°反射方向时，不会收集到向另一个方向反射的光子，即可实现随机将DMD上不同位置的光收集到单光子点探测器5。
[0059]所述会聚收光部件3包括会聚透镜和衰减片。会聚透镜将提高空间光调制器2反射到单光子点探测器方向的光收集到单光子点探测器5的效率；衰减片用于在光强较大时调节收集进入单光子点探测器5的光强度，使光子数处于单光子点探测器的最佳探测范围之内。
[0060]光谱滤光部件4用于滤出希望观测的波段的光子，得到所需波段的天文图像。调节光谱滤光部件4，可以得到不同波段的天文图像。光谱滤光部件4并非本发明的必要部件，当希望得到全波段的天文图像时，可以在光路中去除光谱滤光部件4，使全部波段的光子通过。光谱滤光部件4可以采用干涉滤光片、有色玻璃、光栅、棱镜等具有滤光能力的器件实现。
[0061]单光子点探测器5采用盖革模式雪崩二极管(avalanche photodiode,简称APD)或光电倍增管(Photomultiplier tube,简称PMT)实现。本实施例中，单光子点探测器5采用盖革模式雪崩二极管APD。
[0062]所述随机数发生器8用于生成二值伯努利分布的散斑或二值非均匀分布的散斑，二值由O和I组成；当生成二值伯努利分布的散斑时，需使第一帧的散斑全为1，而伯努利分布由Walsh或Hadamard或noiselet变换获得；当生成二值非均勻分布的散斑时，每巾贞散斑中I的个数需远小于O的个数，且I在每帧散斑的空间分布上是随机的。
[0063]所述控制模块9实现对各部件的使能和触发脉冲控制，确保所述计数器6和空间光调制器2之间同步工作，包括:所述空间光调制器2每进行一次随机调制，所述计数器6累积所述单光子点探测器5发出的代表单光子数目的电脉冲个数，直到所述空间光调制器2进行下一次随机调制，将所述空间光调制器2稳定于一次随机调制时间内的光子计数传输至数据包存储器7，并将计数清零，开始下一次计数。
[0064]所述压缩感知模块10根据计数器6得到的光子计数值、随机数发生器8产生的随机测量矩阵进行压缩感知稀疏变换和图像重建，得到天文图像。该模块仅需天文图像的少量线性随机投影便可重建出天文图像，并可利用矩阵填充理论弥补天文图像中的信息缺失。其中，所述的稀疏变换是选取合适的Ψ，使得天文图像X可在Ψ框架下稀疏表达。压缩感知模块10采用下列算法中的任意一种实现压缩感知:匹配跟踪算法MP、正交匹配跟踪算法0ΜΡ、基跟踪算法BP、贪心重建算法、LASSO, LARS, GPSR、贝叶斯估计算法、magic、1ST、TV、StOMP、CoSaMP, LB1、SP、ll_ls、smp 算法、SpaRSA 算法、TwIST 算法、10 重建算法、I1 重建算法、I2重建算法。稀疏基采用离散余弦变换基、小波基、傅里叶变换基、梯度基、gabor变换基中的任意一种。作为一种可选的实现方式，当所测天文图像本身具有很好的稀疏性时，可以不通过稀疏基的变化，直接对原始信号进行重建。
[0065]以上是对本发明的超灵敏天文望远镜的结构说明。下面对该天文望远镜的工作过程进行描述。
[0066]本发明的超灵敏天文望远镜在工作时包括以下步骤:
[0067]步骤I)光信号获取的步骤:
[0068]单光子水平的从天体传播而来的光信号由所述天文望远镜镜头I收集，并成像到所述空间光调制器2上；所述空间光调制器2对成像在其表面的天文图像进行随机调制，以随机概率将图像上不同位置的光反射到所述会聚收光部件3方向；所述会聚收光部件3所收集的光信号通过所述光谱滤光部件4 ;所述光谱滤光部件4滤出待测波长的光，将过滤后的待测极弱光传输到所述电学单元II中的单光子点探测器5 ；
[0069]步骤2)光学调制与单光子探测、计数同步工作的步骤
[0070]所述随机数发生器8产生随机数用于控制所述空间光调制器2，所述空间光调制器2根据该随机数实现对光信号的随机调制；所述单光子点探测器5探测待测极弱光中的单光子，将采集到的单光子信号转换成脉冲形式的电信号后输出；所述计数器6记录所述单光子点探测器5发出的代表单光子数目的电脉冲个数；所述控制模块9对整个超灵敏天文望远镜进行控制协调，包括对各部件的工作控制和同步脉冲触发信号发射，确保所述计数器6和所述空间光调制器2同步工作；
[0071]步骤3)单光子数目与随机矩阵预处理的步骤；
[0072]当随机数发生器8生成二值伯努利分布的散斑时，若第I帧为全1，设所有的单光子数目组成一个列向量y，维度为mX I, m为总的测量数,随机矩阵记作A,维度为mX η, η为总的信号长度，令第一帧所对应的单光子数目为y1;则使2y-yi作为新的单光子数目，2A-1作为新的随机矩阵；
[0073]当随机数发生器8生成二值非均匀分布的散斑时，跳过此步骤3)；[0074]步骤4)压缩感知图像恢复的步骤；
[0075]所述计数器6所记录的单光子的数目和所述随机数发生器8生成的随机基全部存入所述数据包存储器7中；所述压缩感知模块10利用所述数据包存储器7中的单光子数目以及对应的随机矩阵，并选取适当的稀疏基实现天文图像重建，得到极弱光水平的天文图像。
[0076]作为一种优选实现方式，在又一个实施例中，在步骤I)之前还包括有减少仪器噪声的操作。仪器噪声来源包含环境噪声、光学噪声、电学噪声等。压缩感知米样中，信息存在于探测值的涨落中，若仪器噪声的涨落淹没了信号的涨落，则压缩感知算法失效；若仪器噪声的涨落小于或远小于信号的涨落，则能较好甚至完美重建图像。因此，减少仪器噪声有助于提高成像质量。减少仪器噪声的方式有多种，如对仪器进行密闭封装，以遮挡外部环境光信号进入光学系统和探测系统；提高光学部件的透过率，提高仪器内部的清洁度，减少光/[目号的裳减和散射；提闻单光子点探测器5的探测效率、暗计数等参数；提闻仪器稳定性，减少仪器震动对成像分辨率的影响。
[0077]作为一种优选实现方式，在又一个实施例中，在步骤I)之前还包括有利用主动光学、自适应光学提高图像信噪比的操作。主动光学是一种为消除望远镜的光学系统及支架受重力、温度、风力等影响引起的变形而采用的波面校正技术。通过天文望远镜镜头I中的促动器主动改变主镜镜面的形状，可以修正由于重力、温度和风力造成的镜面本身的形变对成像带来的影响，减少由此产生的光学畸变。自适应光学是一种补偿由大气湍流或其他因素造成的成像过程中波前畸变的技术。自适应光学需要首先检测波前扭曲情况，然后通过安装在天文望远镜镜头I中的望远镜焦面后方的携带有促动器的小型可变形镜面对波前实时进行矫正，从而修复大气湍流等因素对光波波前的扭曲。对天文望远镜镜头I根据主动光学或自适应光学的要求进行设计，可以有效提高天文望远镜镜头I的成像质量，进而提高超灵敏天文望远镜获得的天文图像质量。
[0078]最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【权利要求】
1.一种超灵敏天文望远镜，其特征在于，包括光学单元(I)和电学单元(II);其中，光学单元(I)至少包括天文望远镜镜头(1)、空间光调制器(2)、会聚收光部件(3);电学单元(II)包括单光子点探测器(5)、计数器(6)、数据包存储器(7)、随机数发生器(8)、控制模块(9)以及压缩感知模块(10)； 从天体传播而来的处在单光子水平的光信号由所述天文望远镜镜头(I)收集，并成像到所述空间光调制器⑵上；所述空间光调制器⑵对成像在其表面的天文图像进行随机调制，以随机概率将图像上不同位置的光反射到所述会聚收光部件(3)方向；所述会聚收光部件(3)所收集的光信号形成待测极弱光，所述待测极弱光传输到所述电学单元(II)中的单光子点探测器(5)； 所述随机数发生器(8)产生随机数用于控制所述空间光调制器(2)，所述空间光调制器(2)根据该随机数实现对光信号的随机调制；所述单光子点探测器(5)探测待测极弱光中的单光子，将采集到的单光子信号转换成脉冲形式的电信号后输出；所述计数器(6)记录所述单光子点探测器(5)发出的代表单光子数目的电脉冲个数；所述控制模块(9)对整个超灵敏天文望远镜进行控制协调，包括对各部件的工作控制和同步脉冲触发信号发射，确保所述计数器(6)和所述空间光调制器(2)同步工作；所述计数器(6)所记录的单光子的数目和所述随机数发生器(8)生成的随机矩阵全部存入所述数据包存储器(7)中；所述压缩感知模块(10)利用所述数据包存储器(7)中的单光子数目以及对应的随机矩阵，并选取稀疏基实现天文图像重建，得到极弱光水平的天文图像。
2.根据权利要求1所述的超灵敏天文望远镜，其特征在于，所述光学单元(I)还包括光谱滤光部件(4)，所述光谱滤光部件(4)位于会聚收光部件(3)与单光子点探测器(5)之间的光路上；所述光谱滤光部件(4)对会聚收光部件(3)所收集的光信号进行滤波，滤出待测波长的光，将过滤后的待测极弱光传输到所述电学单元(II)中的单光子点探测器(5)。
3.根据权利要求1或2所述的超灵敏天文望远镜，其特征在于，所述随机数发生器(8)用于生成二值伯努利分布的散斑或二值非均匀分布的散斑，二值由O和I组成；当生成二值伯努利分布的散斑时，需使第一帧的散斑全为I，而伯努利分布由Walsh或Hadamard或noiselet变换获得；当生成二值非均匀分布的散斑时，每帧散斑中I的个数需远小于O的个数，且I在每帧散斑的空间分布上是随机的。
4.根据权利要求1或2所述的超灵敏天文望远镜，其特征在于，所述天文望远镜镜头(I)采用下列任意一种天文望远镜类型的镜头:反射式天文望远镜，包括牛顿式、卡塞格林式、格里式；折射式天文望远镜，包括伽利略望远镜、开普勒望远镜；折反射式天文望远镜，包括施密特-卡塞格林式、马克苏托夫-卡塞格林式；多镜面望远镜；双筒望远镜；也包括应用于卫星、空间站之上的空间天文望远镜。
5.根据权利要求1或2所述的超灵敏天文望远镜，其特征在于，所述空间光调制器(2)采用数字微镜器件实现。
6.根据权利要求1或2所述的超灵敏天文望远镜，其特征在于，所述会聚收光部件(3)包括会聚透镜和衰减片。
7.根据权利要求2所述的超灵敏天文望远镜，其特征在于，所述光谱滤光部件(4)采用包括干涉滤光片、有色玻璃、光栅、棱角在内的具有滤光能力的器件实现。
8.根据权利要求1或2所述的超灵敏天文望远镜，其特征在于，所述单光子点探测器(5)采用盖革模式雪崩二极管或光电倍增管实现。
9.根据权利要求1或2所述的超灵敏天文望远镜，其特征在于，所述控制模块(9)确保所述计数器(6)和空间光调制器(2)之间同步工作，包括:所述空间光调制器⑵每进行一次随机调制，所述计数器(6)累积所述单光子点探测器(5)发出的代表单光子数目的电脉冲个数，直到所述空间光调制器⑵进行下一次随机调制，将所述空间光调制器⑵稳定于一次随机调制时间内的光子计数传输至数据包存储器(7)，并将计数清零，开始下一次计数。
10.根据权利要求1或2所述的超灵敏天文望远镜，其特征在于，所述压缩感知模块(10)采用下列算法中的任意一种实现压缩感知:匹配跟踪算法MP、正交匹配跟踪算法OMP、基跟踪算法BP、贪心重建算法、LASSO, LARS、GPSR、贝叶斯估计算法、magi C、1ST、TV、StOMP、CoSaMP、LB1、SP、ll_ls、smp 算法、SpaRSA 算法、TwIST 算法、10 重建算法、I1 重建算法、I2重建算法；稀疏基采用离散余弦变换基、小波基、傅里叶变换基、梯度基、gabor变换基中的任意一种；当所测天文图像本身具有很好的稀疏性时，则无需使用稀疏基，直接对原始信号进行重建。
11.根据权利要求1-10之一所述的超灵敏天文望远镜所实现的天文图像获取方法，包括: 步骤I)光信号获取的步骤: 单光子水平的从天体传 播而来的光信号由所述天文望远镜镜头(I)收集，并成像到所述空间光调制器(2)上；所述空间光调制器(2)对成像在其表面的天文图像进行随机调制，以随机概率将图像上不同位置的光反射到所述会聚收光部件(3)方向；所述会聚收光部件(3)所收集的光信号通过所述光谱滤光部件(4);所述光谱滤光部件(4)滤出待测波长的光，将过滤后的待测极弱光传输到所述电学单元(II)中的单光子点探测器(5)； 步骤2)光学调制与单光子探测、计数同步工作的步骤； 所述随机数发生器(8)产生随机数用于控制所述空间光调制器(2)，所述空间光调制器(2)根据该随机数实现对光信号的随机调制；所述单光子点探测器(5)探测待测极弱光中的单光子，将采集到的单光子信号转换成脉冲形式的电信号后输出；所述计数器(6)记录所述单光子点探测器(5)发出的代表单光子数目的电脉冲个数；所述控制模块(9)对整个超灵敏天文望远镜进行控制协调，包括对各部件的工作控制和同步脉冲触发信号发射，确保所述计数器(6)和所述空间光调制器(2)同步工作； 步骤3)单光子数目与随机矩阵预处理的步骤； 当随机数发生器(8)生成二值伯努利分布的散斑时，若第I帧为全1，设所有的单光子数目组成一个列向量y，维度为mX l,m为总的测量数,随机矩阵记作A,维度为mXη,η为总的信号长度，令第一帧所对应的单光子数目为Y1，则使2y-yi作为新的单光子数目，2A-1作为新的随机矩阵； 当随机数发生器(8)生成二值非均匀分布的散斑时，跳过此步骤3)； 步骤4)压缩感知图像恢复的步骤； 将所述的单光子数目和随机矩阵全部存入所述数据包存储器(7)中；所述压缩感知模块(10)利用所述数据包存储器(7)中的单光子数目以及对应的随机矩阵，并选取稀疏基实现天文图像重建，得到极弱光水平的天文图像。
12.根据权利要求11所述的天文图像获取方法，其特征在于，在步骤I)之前还包括减少仪器噪声的步骤；该步骤包括:对仪器进行密闭封装，或提高光学部件的透过率，或提高仪器内部的清洁度，或提高单光子点探测器(5)的包括探测效率、暗计数在内的参数，或提高仪器稳定性。
13.根据权利要求11或12所述的天文图像获取方法，其特征在于，在步骤I)之前还包括采用主动光学或自适应光学提高图像信噪比的步骤；其中，所述主动光学通过促动器主动改变主镜镜面的形状，修正由于重力、温度和风力造成的镜面本身的形变对成像带来的影响，减少由此产生的光学畸变；所述自适应光学需要首先检测波前扭曲情况，然后通过安装在望远镜焦面后方的携带有促动器的小型可变形镜面对波前实时进行矫正，从而修复大气湍流等因素对光波波前的扭曲。
【文档编号】G01J3/28GK104019899SQ201410232623
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年5月28日 优先权日:2014年5月28日
【发明者】刘雪峰, 翟光杰, 王超, 姚旭日, 俞文凯 申请人:中国科学院空间科学与应用研究中心