超分辨率信号重构的方法和系统技术方案

在此提出了一种对输入场进行重构的方法和系统，其中该输入场由一个测量系统感测。该方法包括：提供对应于所述测量系统的输出场的测量数据；提供有关该输入场的稀疏度的数据以及有关该测量系统的有效响应函数的数据；并且根据所述已知数据来对测量数据进行处理，该处理包括：根据所述测量数据、所述有关该输入场的稀疏度的数据以及所述有关该测量系统的有效响应函数的数据确定一个稀疏矢量；并且利用该稀疏矢量对输入信息进行重构。本发明专利技术允许成像应用中的次波长分辨率，并且允许在某些其他应用中通过慢检测器检测非常短的脉冲。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体上属于信号重构技术的领域，并涉及一种用于带宽外推和超分辨率信号重构的方法和系统。本专利技术可以在信号测量系统中(其中对信号进行测量)、尤其是光学成像系统、短脉冲检测系统等等中实现。参考文献以下是与理解本专利技术背景相关的参考文献列表[1]F. M. Huang 以及 N. I. Zheludev, Super-resolution without evanescent waves,”Nano Lett.9，1249-1254(2009)。[2]A. YiIdiz，J. N. Forkey, S. A. McKinney，T. Ha, Y. E. Goldman,以及 P. R. Selvin, Myosin ν walks hand-overhand :Single fluorophore imaging with 1. 5nm localization,，，Science 300，2061-2065 (2003)。[3] S. W. Hell, R. Schmidt, VX R A. Egner, Diffraction-unlimited threedimensional optical nanoscopy with opposing lenses, Nat. Photon. 3, 381-387(2009)。[4] J. B. Pendry, Negative refraction makes a perfect lens, Phys. Rev. Lett. 85,3966-3969(2000)。[5]N. Fang, H. Lee, C. Sun, VX R X. Zhang, Sub-diffraction-limited optical imaging with a silver superlens,，，Science 308,534-537(2005)。[6]A.Salandrino 以及 N. Engheta, Far-field subdiffraction optical microscopy using metamaterial crystals :Theory and simulations, Phys. Rev.B74, 075103(2006)。[7] Z. Liu, H. Lee, Y. Xiong, C. Sun,以及 X. Zhang,Far-field optical hyperlens magnifying sub-diffraction-limited objects,，，Science 315,1686(2007)。[8]E.J. Candes, J. Romberg,以及 Τ· Tao,Robust uncertainty principles exact signal reconstruction from highly incomplete frequency information,IEEE Trans. Inf. Theory 52，489-509(2006)。[9]E.J. Candes 以及 Τ. Tao, Near-optimal signal recovery from random projections :Universal encoding strategies ？ IEEE Trans.Inf.Theory52, 5406-5425(2006)。[10]D. L. Donoho, Compressed sensing,，，IEEE Trans. Inf. Theory 52, 1289-1306(2006)。[11]J. A. Tropp, IEEE Trans Inf. Theory 50，2231-2242(2004)。[12]D. L. Donoho, M. Elad 以 R V. Μ. Temlyakov, IEEE Trans. Inf. Theory 52， 6-18(2006)。[13] S. S. Chen, D. L. Donoho,以及 Μ· A. Saunders, Atomic decomposition by basis pursuit,，，SIAMJ. Sci. Comput. 20，33—61 (1998)。[14]J. W. Goodman, Introduction to Fourier optics(McGraw-Hill Comp., 1996)，2nd ed. Pages 132-134。[15] S. Gazit, A. Szameit, Y. C. Eldar,以及 M. Segev, Opt. Exp. 17,23920(2009)。
技术介绍
各种测量系统的共同目标是增强测量数据的分辨率。这类测量系统包括例如光学成像系统，其中分辨率通常由衍射极限所限制，即定义了特定成像系统的光学成像中的最小可分辨特征，这主要由所用光学元件(镜头等)的数值孔径所决定。然而，即使是一个具有无限孔径的系统，其仍具有分辨率限制，这是由电磁(EM)场的波长λ所引起的。因此无论如何，光学系统的最佳可恢复分辨率是λ/2。这是因为EM波在块状介质中的传播相当于低通滤波器，由于距离远大于波长，从而衰减了大于1/λ的空间频率。因而，这些空间频率迅速在若干个波长的距离尺度上衰减，而利用常规成像方法基本上不可能实现次波长特征的观测。多年以来，人们多次尝试摆脱光学成像上的λ /2极限。这些尝试中的很多集中于对非常接近(“近场”)次波长样本的测量。一种这类方法是近场扫描光学显微镜(NS0M或 SN0M)。这种技术基于非常窄小的尖端，该尖端在次波长样本的近场上对电磁场进行逐点采样。然而，这种技术总是要求以非常高的精度(纳米)以及在距样本非常短的距离(亚微米)上逐点地对样本进行扫描。因此，NSOM不能实时地捕捉到一幅全景图像。其他已知途径是利用电浆子金属薄膜制成的次波长孔来探测信息并对样本进行扫描，或者利用电浆子金属中纳米孔阵列的特定排列来构建处于次波长热点形式的超振荡波包，并且然后以次波长分辨率对样本进行扫描[1]。这两种方法依赖于扫描，因而均不能产生实时成像。次波长成像的其他技术依赖于在目标体上分布小于波长的荧光物并多次重复试验[2，3]。所有这些技术均受到例如长时间扫描、或扫描所用的成像时间、或需要重复试验、实时成像不可行这类不利因素的影响。另外一种方法包括多个成像设备(超级透镜、超透镜等)，这些成像设备由负折射率材料制成W-7]。然而，光学负折射率材料受到巨大损耗的影响，并且除此之外，超透镜仅可以处理一维信息，不能处理全2D图像。因而，负折射率材料目前无法提供用于次波长光学成像的可行技术。人们也曾经尝试利用算法技术(对图像数据进行处理)来实现次波长成像。这些技术依赖于EM场的解析性如果解析函数在某个有限区域上是确知的，通过解析开拓就可以完全恢复并唯一找到它。已经开发出基于解析理论的若干概念和外推方法。然而，这些方法对测量数据中的噪声以及对作为图像的信息(待恢复的信号)所做的假设极为敏感。美国2008/(^60279中描述了分辨率增强技术的一些实例，其中提供了从一个场景的不同的、至少是部分重叠的区域的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2009.07.08 US 61/223,718;2010.03.29 US 61/318,4941.一种对输入场进行重构的方法，该输入场由一个测量系统感测，该方法包括 提供对应于所述测量系统的输出场的测量数据；提供有关该输入场的稀疏度的数据，以及有关该测量系统的有效响应函数的数据；并且基于所述已知数据对该测量数据进行处理，该处理包括根据所述测量数据、所述有关该输入场的稀疏度的数据、以及所述有关该有效响应函数的数据确定一个稀疏矢量；并且使用该稀疏矢量来对输入信息进行重构。2.根据权利要求1所述的方法，其中利用该有效响应函数的有效截频以上的分辨率来对该输入场进行重构。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述输入信号是一个光场。4.根据以上权利要求中的任一项所述的方法，其中该测量单元包括一个光学成像系统。5.根据权利要求4所述的方法，其中该输入场对应于成像过程中的相干照明，该有效响应函数与测量系统的一个相干传递函数(CTF)相关联。6.根据权利要求4所述的方法，其中该输入场对应于成像过程中的非相干照明，该有效响应函数与测量系统的光传递函数(OTF)相关联。7.根据权利要求4所述的方法，其中该输入场对应于成像过程中的部分非相干照明， 该有效响应函数与输入场和测量数据之间的关系相关联。8.根据权利要求4至7中任一项所述的方法，其中所述重构的输入场具有对应于多个特征的分辨率，这些特征小于成像系统的一个衍射极限斑点。9.根据权利要求4至8中任一项所述的方法，其中这些测量是在输入场的远场平面中进行的。10.根据权利要求4至8中任一项所述的方法，其中这些测量是在输入场的图像平面中进行的。11.根据权利要求4至8中任一项所述的方法，其中这些测量是在输入场的任意平面中进行的，假设该测量平面和输入平面之间的关系是已知的。12.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中该输入场包括一个或多个脉冲信号，该输入场的重构包括对所述一个或多个脉冲信号中每一个的轮廓进行重构。13.根据权利要求12所述的方法，其中该测量系统包括一个具有该有效响应函数的检测器，该有效响应函数对应于一个时间频率响应。14.根据权利要求12或13中任一项所述的方法，其中该时间频率响应定义了检测器的一个上升时间，该上升时间比所述一个或多个脉冲中每一个的持续时间更长。15.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中所述的提供表示该输入场的稀疏度的数据包括一个基，所述输入场在该基中是稀疏的。16.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中所述的提供表示该输入场稀疏度的数据包括将该输入场变换成其在某个已知基中的稀疏表示形式。17.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中该输入场在一个通过线性或非线性变换连接到傅里叶域上的域内是稀疏的。18.根据权利要求15或16所述的方法，其中该输入场在一个傅里叶域测量的实空间中是稀疏的。19.根据权利要求15或16所述的方法，其中该输入场在一个傅里叶域亦或实空间中测量的一个二阶导数域中是稀疏的。20.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中所述表示该输入场的稀疏度的数据具有该基的一种矩阵表示，所述信号在该基中是稀疏的。21.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中所述输入场具有一种非均勻相位。22.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中稀疏矢量的所述确定包括该输出场的非局部硬阈值化。23.根据权利要求22所述的方法，其中所述非局部硬阈值化包括分配该稀疏矢量的多个去支持元素，所述分配包括将该稀疏矢量的低于一个固定阈值的每个元素及其相邻元素一起置零。24.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中所述处理包括该测量数据的一个初始解码。25.根据权利要求12至M中任一项所述的方法，其中该测量系统包括一个检测单元，该检测单元包括以下信号检测器中的至少一个示波器、光电二极管、超快扫描照相机、频率分辨光学门(FROG)、直接电场重构频谱干涉仪(SPIDER)、互相关频率分辨光学门 (XFROG)、GREN0UILLE 以及 TADPOLE。26.根据权利要求12至25中任一项所述的方法，其中该测量系统被配置为执行以下操作中的至少一个输入信号与一个参考信号的互相关，其中该输入场是所述互相关的结果； 以及输入信号与自身的自相关，其中该输入场是所述自相关的结果。27.一种对输入场进行重构的方法，该输入场由一个测量系统感测，该方法包括提供对应于所述测量系统的输出场的测量数据；提供有关该输入场的稀疏度的数据，以及有关该测量系统的有效响应函数的数据；并且基于所述有关该稀疏度以及有关该有效响应函数的数据来对测量数据进行处理，以便以高于该有效响应函数的有效截频的分辨率来对该输入场进行重构。28.一种对输入场进行重构的系统，该系统包括至少一个输入端口，用于响应于所述输入场接收与某个测量系统产生的一个输出信号相对应的测量数据；并且用于接收表示该输入场的稀疏度的数据，以及表示所述测量系统的有效响应函数的数据；以及一个数据处理器实用程序，该处理器实用程序被预编程以对所接收的数据进行分析和处理以便确定一个稀疏矢量，该稀疏矢量是所述测量数据、所述有关该输入信号的稀疏度的数据以及所述有关该有效响应函数的数据的函数...

【专利技术属性】
技术研发人员：莫尔德海·塞格夫，约尼纳·埃尔达，斯尼尔·加齐特，亚历山大·斯扎梅特，约阿夫·什希特曼，奥伦·柯亨，帕维尔·西多伦科，
申请(专利权)人：工业研究与发展基金会有限公司，
类型：发明
国别省市：