本发明专利技术涉及一种基于二阶压缩感知的超灵敏光谱成像天文望远镜，包括光学单元和电学单元；光学单元包括天文望远镜镜头、第一空间光调制器、准直部件、光谱分光部件、光谱会聚部件、第二空间光调制器、收集部件；电学单元包括单光子点探测器、计数器、随机数发生器、控制模块、数据包存储器以及压缩感知模块；天体图像由天文望远镜镜头收集，并成像到第一空间光调制器上；经随机调制的光束准直成平行光，通过光谱分光部件形成光谱带；由第二空间光调制器对该光谱带进行二次随机调制，最终收集在单光子点探测器中；根据光子计数值与两组随机矩阵，利用压缩感知算法获得天文目标光谱成像。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及一种基于二阶压缩感知的超灵敏光谱成像天文望远镜，包括光学单元和电学单元；光学单元包括天文望远镜镜头、第一空间光调制器、准直部件、光谱分光部件、光谱会聚部件、第二空间光调制器、收集部件；电学单元包括单光子点探测器、计数器、随机数发生器、控制模块、数据包存储器以及压缩感知模块；天体图像由天文望远镜镜头收集，并成像到第一空间光调制器上；经随机调制的光束准直成平行光，通过光谱分光部件形成光谱带；由第二空间光调制器对该光谱带进行二次随机调制，最终收集在单光子点探测器中；根据光子计数值与两组随机矩阵，利用压缩感知算法获得天文目标光谱成像。【专利说明】
本专利技术涉及光学与天文学领域，特别涉及一种。
技术介绍
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。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。在天文观测中，光谱信息的获取具有重要的意义，这是因为天文学中大量的信息能以光谱的形式表现出来。第一，对宇宙和星系的研究。宇宙的诞生、星系的形成等前沿问题都建立在对星系物理的研究基础之上。研究宇宙大尺度结构依赖于星系红移巡天的工作。获取星系的光谱就能得到星系的红移，进而知道它的距离，由此获得星系的三维分布，这样就可以了解整个宇宙空间的结构，同时可以研究包括星系的形成、演化在内的宇宙大尺度结构和星系物理。获取星系的光谱是进行这一工作最基础的需要。第二，对恒星和银河系的结构特征的研究。由于不同元素具有不同的特征谱线，通过一颗恒星的光谱，可以分析出其元素构成和含量等化学组成，可以分析出其密度、温度等物理条件，还可以测量出其运动速度和运行轨迹等。研究了不同种类的恒星的分布，可以研究出银河系的结构和银河系的形成。第三，对宇宙生命的研究。通过恒星或行星的光谱，可以研究其表面水分和氧气的含量，以确定是否存在生物的可能。因此，在天文学中对光谱的研究具有重要而不可替代的作用。然而，天文望远镜要想同时获得天文图像和天文光谱信息是十分困难的，其中最主要的困难是维度的问题。二维的天文图像与一维的光谱信息共有三维信息，按照传统的信息获取方式，则需要具有三个维度的探测器，而目前这显然是无法实现的，因此现有的大量的天文望远镜只能分别获得天文图像信息或天文光谱信息，而无法同时获得两方面的信息。一种解决方法是在普通的天文望远镜上通过二维探测器获取图像信息，再通过滤光片等方式滤出某一感兴趣的波段的光信号进行成像，这样可以获得单一波段的光谱成像，而要获得多波段或全波段的光谱成像只能通过改变滤光系统进行重复测量，而获得不同波段的图像。这种光谱成像的方式需要通过扫描光谱实现，要获得高分辨率的光谱，必然会带来巨大的时间成本，而且本质上仍然无法实现天文图像信息和天文光谱信息的同时获取。灵敏度是天文望远镜非常重要的指标，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。在天文光谱探测中，由于只获取单一波段的信息，与全波段成像时相比光信号的强度大大减弱，因此对灵敏度的要求更高。天文光谱望远镜的灵敏度提高，就可以将光谱测量时的波长分得更细，获得更高的光谱分辨率。因此天文成像和天文光谱成像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。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。现阶段我国只有单点的APD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AH)最大像素也只有128X128，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。对高灵敏度探测器像素数不足问题的解决，一种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。另一种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。因此，利用现有技术这些高灵敏度的探测器都无法解决光谱成像天文望远镜存在的探测维度的问题，无法同时获取天文图像和天文光谱信息。综上所述，现有的光谱成像天文望远镜存在图像和光谱探测信息维度过大、探测器维度不足的问题，而且无法实现高灵敏度的探测。由于工作原理的局限，传统的光谱成像天文望远镜在实现多维探测和提高探测灵敏度的途径上存在制约，天体物理的发展亟需灵敏度更高的光谱成像天文望远镜。
技术实现思路
本专利技术的目的在于以二阶压缩感知为基础，克服现有技术中的光谱成像天文望远镜在多维探测和灵敏度上的不足，从而提供一种基于二阶压缩感知的超灵敏光谱成像天文望远镜。为了实现上述目的，本专利技术提供了 一种基于二阶压缩感知的超灵敏光谱成像天文望远镜，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、第一空间光调制器2、准直部件3、光谱分光部件4、光谱会聚部件5、第二空间光调制器6、收集部件7;电学单元II包括单光子点探测器8、计数器9、随机数发生器10、控制模块11、数据包存储器12以及压缩感知模块13 ;其中，所述准直部件3包括收集透镜3_1、光阑3_2、准直透镜3_3 ;所述随机数发生器10包括第一随机数发生器10_1、第二随机数发生器10_2 ；从天体传播而来的单光子水平的光信号由所述天文望远镜镜头I收集，并成像本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于二阶压缩感知的超灵敏光谱成像天文望远镜，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)包括天文望远镜镜头(1)、第一空间光调制器(2)、准直部件(3)、光谱分光部件(4)、光谱会聚部件(5)、第二空间光调制器(6)、收集部件(7)；电学单元(II)包括单光子点探测器(8)、计数器(9)、随机数发生器(10)、控制模块(11)、数据包存储器(12)以及压缩感知模块(13)；其中，所述准直部件(3)包括收集透镜(3_1)、光阑(3_2)、准直透镜(3_3)；所述随机数发生器(10)包括第一随机数发生器(10_1)、第二随机数发生器(10_2)；从天体传播而来的单光子水平的光信号由所述天文望远镜镜头(1)收集，并成像到所述第一空间光调制器(2)上；所述第一空间光调制器(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准直部件(3)方向；所述第一空间光调制器(2)随机反射的光首先由所述收集透镜(3_1)会聚到所述光阑(3_2)，限制光斑尺寸，形成近似点光源，然后经过所述准直透镜(3_3)准直形成平行光，照射在所述光谱分光部件(4)上；所述光谱分光部件(4)将不同波长的光向不同方向出射；经过所述光谱会聚部件(5)后不同波长的光会聚到所述光谱会聚部件(5)焦平面上不同位置，形成光谱带；所述第二空间光调制器(6)放置在所述光谱会聚部件(5)的焦平面位置，对其表面的光谱带进行随机调制，以随机概率将光谱带上不同位置的光反射到所述收集部件(7)方向；所述收集部件(7)收集所述第二空间光调制器(6)反射而来的光信号，由所述电学单元(II)中单光子点探测器(8)探测；所述第一随机数发生器(10_1)产生随机数用于控制所述第一空间光调制器(2)、所述第二随机数发生器(10_2)产生随机数用于控制所述第二空间光调制器(6)；所述第一空间光调制器(2)和所述第二空间光调制器(6)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(8)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(9)记录所述单光子点探测器(8)发出的代表单光子数目的电脉冲个数；所述控制模块(11)对整个超灵敏光谱成像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(9)、所述第一空间光调制器(2)和所述第二空间光调制器(6)同步工作；所述计数器(9)所记录的单光子数目和所述第一随机数发生器(10_1)、所述第二随机数发生器(10_2)生成的随机矩阵全部存入所述数据包存储器(12)中；所述压缩感知模块(13)利用所述数据包存储器(12)中的单光子数目以及对应的随机矩阵，并选取稀疏基对天文光谱图像进行重建，得到极弱光水平的天文光谱图像。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：刘雪峰，翟光杰，王超，俞文凯，姚旭日，
申请(专利权)人：中国科学院空间科学与应用研究中心，
类型：发明
国别省市：北京;11
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