基于二阶压缩感知的超灵敏光谱成像天文望远镜及方法

摘要

本发明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。

主权项

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。