專(zhuān)利名稱(chēng)：超分辨率信號(hào)重構(gòu)的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上屬于信號(hào)重構(gòu)技術(shù)的領(lǐng)域，并涉及一種用于帶寬外推和超分辨率信號(hào)重構(gòu)的方法和系統(tǒng)。本發(fā)明可以在信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)中(其中對(duì)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量)、尤其是光學(xué)成像系統(tǒng)、短脈沖檢測(cè)系統(tǒng)等等中實(shí)現(xiàn)。參考文獻(xiàn)以下是與理解本發(fā)明背景相關(guān)的參考文獻(xiàn)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)。
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背景技術(shù)：
各種測(cè)量系統(tǒng)的共同目標(biāo)是增強(qiáng)測(cè)量數(shù)據(jù)的分辨率。這類(lèi)測(cè)量系統(tǒng)包括例如光學(xué)成像系統(tǒng)，其中分辨率通常由衍射極限所限制，即定義了特定成像系統(tǒng)的光學(xué)成像中的最小可分辨特征，這主要由所用光學(xué)元件(鏡頭等)的數(shù)值孔徑所決定。然而，即使是一個(gè)具有無(wú)限孔徑的系統(tǒng)，其仍具有分辨率限制，這是由電磁(EM)場(chǎng)的波長(zhǎng)λ所引起的。因此無(wú)論如何，光學(xué)系統(tǒng)的最佳可恢復(fù)分辨率是λ/2。這是因?yàn)镋M波在塊狀介質(zhì)中的傳播相當(dāng)于低通濾波器，由于距離遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)，從而衰減了大于1/λ的空間頻率。因而，這些空間頻率迅速在若干個(gè)波長(zhǎng)的距離尺度上衰減，而利用常規(guī)成像方法基本上不可能實(shí)現(xiàn)次波長(zhǎng)特征的觀測(cè)。多年以來(lái)，人們多次嘗試擺脫光學(xué)成像上的λ /2極限。這些嘗試中的很多集中于對(duì)非常接近(“近場(chǎng)”)次波長(zhǎng)樣本的測(cè)量。一種這類(lèi)方法是近場(chǎng)掃描光學(xué)顯微鏡(NS0M或 SN0M)。這種技術(shù)基于非常窄小的尖端，該尖端在次波長(zhǎng)樣本的近場(chǎng)上對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行逐點(diǎn)采樣。然而，這種技術(shù)總是要求以非常高的精度(納米)以及在距樣本非常短的距離(亞微米)上逐點(diǎn)地對(duì)樣本進(jìn)行掃描。因此，NSOM不能實(shí)時(shí)地捕捉到一幅全景圖像。其他已知途徑是利用電漿子金屬薄膜制成的次波長(zhǎng)孔來(lái)探測(cè)信息并對(duì)樣本進(jìn)行掃描，或者利用電漿子金屬中納米孔陣列的特定排列來(lái)構(gòu)建處于次波長(zhǎng)熱點(diǎn)形式的超振蕩波包，并且然后以次波長(zhǎng)分辨率對(duì)樣本進(jìn)行掃描[1]。這兩種方法依賴(lài)于掃描，因而均不能產(chǎn)生實(shí)時(shí)成像。次波長(zhǎng)成像的其他技術(shù)依賴(lài)于在目標(biāo)體上分布小于波長(zhǎng)的熒光物并多次重復(fù)試驗(yàn)[2，3]。所有這些技術(shù)均受到例如長(zhǎng)時(shí)間掃描、或掃描所用的成像時(shí)間、或需要重復(fù)試驗(yàn)、實(shí)時(shí)成像不可行這類(lèi)不利因素的影響。另外一種方法包括多個(gè)成像設(shè)備(超級(jí)透鏡、超透鏡等)，這些成像設(shè)備由負(fù)折射率材料制成W-7]。然而，光學(xué)負(fù)折射率材料受到巨大損耗的影響，并且除此之外，超透鏡僅可以處理一維信息，不能處理全2D圖像。因而，負(fù)折射率材料目前無(wú)法提供用于次波長(zhǎng)光學(xué)成像的可行技術(shù)。人們也曾經(jīng)嘗試?yán)盟惴夹g(shù)(對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理)來(lái)實(shí)現(xiàn)次波長(zhǎng)成像。這些技術(shù)依賴(lài)于EM場(chǎng)的解析性如果解析函數(shù)在某個(gè)有限區(qū)域上是確知的，通過(guò)解析開(kāi)拓就可以完全恢復(fù)并唯一找到它。已經(jīng)開(kāi)發(fā)出基于解析理論的若干概念和外推方法。然而，這些方法對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)中的噪聲以及對(duì)作為圖像的信息(待恢復(fù)的信號(hào))所做的假設(shè)極為敏感。美國(guó)2008/(^60279中描述了分辨率增強(qiáng)技術(shù)的一些實(shí)例，其中提供了從一個(gè)場(chǎng)景的不同的、至少是部分重疊的區(qū)域的多個(gè)采樣圖像中迭代推導(dǎo)出一幅主圖像的方法。該方法包括定義以下內(nèi)容一個(gè)轉(zhuǎn)換算子，該算子將主圖像內(nèi)的位置映射到采樣圖像中的相應(yīng)位置；一個(gè)畸變算子，該算子模擬一個(gè)調(diào)制傳遞函數(shù)，該函數(shù)與產(chǎn)生采樣圖像的成像傳感器相關(guān)聯(lián)；以及一個(gè)采樣算子，該算子將圖像從輸出分辨率縮小到采樣圖像分辨率。對(duì)于每個(gè)采樣圖像，將轉(zhuǎn)換算子、畸變算子以及采樣算子應(yīng)用于一個(gè)當(dāng)前主圖像假設(shè)上以產(chǎn)生一幅預(yù)測(cè)圖像。計(jì)算出一幅差分圖像，該差分圖像具有與采樣圖像和預(yù)測(cè)圖像之間的相應(yīng)像素值內(nèi)的差值相對(duì)應(yīng)的像素值。對(duì)差分圖像中的每一個(gè)進(jìn)行反投影以產(chǎn)生當(dāng)前主圖像假設(shè)的一幅校正圖像。最后，用校正圖像對(duì)當(dāng)前主圖像假設(shè)進(jìn)行校正以產(chǎn)生一幅新的主圖像假設(shè)。對(duì)當(dāng)前主圖像假設(shè)的校正包括通過(guò)推導(dǎo)校正圖像中相應(yīng)像素的加權(quán)平均值來(lái)組合校正圖像。每幅校正圖像中的各個(gè)像素的權(quán)重根據(jù)一個(gè)距離來(lái)計(jì)算，該距離是在采樣圖像中在通過(guò)轉(zhuǎn)換算子將該校正圖像中的像素映射到其上的采樣圖像中的一個(gè)點(diǎn)和至少一個(gè)接近該點(diǎn)的像素形心之間測(cè)得的。短脈沖(光或電子)信號(hào)的脈沖形狀測(cè)量是另一個(gè)重要的實(shí)例，其中測(cè)量系統(tǒng)的分辨率增強(qiáng)更令人感興趣。經(jīng)常在光學(xué)中產(chǎn)生具有從納秒到皮秒以及飛秒時(shí)間尺度范圍的持續(xù)時(shí)間的短激光脈沖。最近已經(jīng)產(chǎn)生了阿秒時(shí)間尺度上的超短脈沖。在很多有短脈沖參與的系統(tǒng)或應(yīng)用中，以高分辨率來(lái)表征脈沖的形狀(只是強(qiáng)度或者振幅以及相位)是十分重要的。有若干裝置和技術(shù)可以測(cè)量短激光脈沖的脈沖形狀。例如，因?yàn)槠浜?jiǎn)單、魯棒、對(duì)光特性不太靈敏、尺寸小并且成本低，高速光電二極管或超快掃描照相機(jī)結(jié)合示波器廣泛地用于納秒到皮秒時(shí)間分辨率上的激光脈沖的脈沖形狀(強(qiáng)度輪廓)的直接測(cè)量。測(cè)量短脈沖的脈沖形狀的幾種技術(shù)利用了該脈沖與具有已知形狀的另一脈沖之間的非線性相互作用(例如，互相關(guān)、或互相關(guān)頻率分辨光學(xué)門(mén))或該脈沖與具有測(cè)量脈沖的時(shí)延復(fù)本的另一個(gè)脈沖之間的非線性相互作用(例如，自相關(guān)、頻率分辨光學(xué)門(mén)(FROG)、以及稱(chēng)為SPIDER 的直接電場(chǎng)重構(gòu)頻譜干涉儀)。在信息處理的不同領(lǐng)域中，過(guò)去的幾十年已經(jīng)見(jiàn)證了數(shù)據(jù)壓縮方面的一些重大突破和采樣技術(shù)方面的一些進(jìn)步。最值得注意的是，于2006年開(kāi)發(fā)出一項(xiàng)新技術(shù)，其目的是降低信息的采樣率。該技術(shù)被稱(chēng)為壓縮傳感(CS)，并且目前它廣泛地用于數(shù)據(jù)的亞奈奎斯特采樣，并用于從少量樣本中恢復(fù)數(shù)據(jù)。在進(jìn)行壓縮傳感時(shí)，該技術(shù)更多地涉及亞采樣數(shù)據(jù)信息的插值，并且依賴(lài)于對(duì)先驗(yàn)信息的單一要求，即信號(hào)(待恢復(fù)的)在已知基內(nèi)是稀疏的 [8-10]。目前，在CS領(lǐng)域存在兩種主要理念，這兩種理念均試圖通過(guò)少量測(cè)量對(duì)函數(shù)進(jìn)行重構(gòu)。CS中的第一種途徑試圖通過(guò)在函數(shù)的傅里葉域中隨機(jī)地進(jìn)行測(cè)量來(lái)對(duì)一個(gè)稀疏函數(shù)進(jìn)行重構(gòu)。這些隨機(jī)分布的測(cè)量的目的是對(duì)整個(gè)函數(shù)進(jìn)行重構(gòu)，前提是該函數(shù)是稀疏的。 第二種CS途徑的目的是增強(qiáng)已知低分辨率圖像的分辨率。這個(gè)第二種技術(shù)是基于與原始圖像相同的域中的測(cè)量，它要求從若干定義的實(shí)例中恢復(fù)信息以便對(duì)算法進(jìn)行校準(zhǔn)用于分辨率增強(qiáng)。例如，這種方法可以從具有20X20像素分辨率的原始圖像中產(chǎn)生200X200像素的圖像，但仍不能加入不屬于原始圖像中的數(shù)據(jù)。以下專(zhuān)利公開(kāi)中描述了在信號(hào)處理中使用CS技術(shù)的一些實(shí)例美國(guó)7，646，924提供了一種用于壓縮傳感的方法和裝置，以便從次數(shù)減少的測(cè)量中產(chǎn)生質(zhì)量可接受的目標(biāo)重構(gòu)。將信號(hào)或圖像的分量χ表達(dá)為一個(gè)具有m個(gè)項(xiàng)的矢量。再產(chǎn)生包括一個(gè)具有η個(gè)項(xiàng)的矢量的測(cè)量值y，其中η小于m。m-矢量χ的近似重構(gòu)從y進(jìn)行。 一些特定的測(cè)量矩陣允許測(cè)量值y = Ax+z，其中y是測(cè)得的m-矢量，χ是所希望的η_矢量，而ζ是表示噪聲的m-矢量?！癆”是一個(gè)nXm的矩陣，即行數(shù)小于列數(shù)的陣列。“A”能夠傳遞χ的近似重構(gòu)x#。一個(gè)實(shí)施方案披露了 χ從維度減少的測(cè)量值y的近似重構(gòu)。給定 y以及矩陣A，得到χ的x#是有可能的。該實(shí)施方案是由提高χ#的近似稀疏度的目標(biāo)所提出的。美國(guó)7，511，643描述了一種利用壓縮傳感來(lái)粗略估計(jì)多個(gè)數(shù)字信號(hào)或圖像的方法。所述多個(gè)數(shù)字信號(hào)或圖像的一個(gè)公共分量xc和所述多個(gè)數(shù)字信號(hào)的每一個(gè)的改進(jìn)分量xi各自表示為一個(gè)具有m個(gè)項(xiàng)的矢量，在這一方案中，該方法包括以下步驟產(chǎn)生測(cè)量值 yc，其中yc包括一個(gè)只具有ni個(gè)項(xiàng)的矢量，其中ni小于m ；對(duì)于所述相關(guān)數(shù)字信號(hào)中的每一個(gè)，產(chǎn)生測(cè)量值yi，其中yi包括一個(gè)只具有ni個(gè)項(xiàng)的矢量，其中ni小于m ；并且利用所述公共分量yc和所述改進(jìn)分量yi從每一個(gè)改進(jìn)分量yi產(chǎn)生每個(gè)m-矢量xi的近似重構(gòu)。美國(guó)2009/141995提供了一種壓縮傳感成像的方法，該方法包括獲取一幅稀疏數(shù)字圖像b，所述圖像包括對(duì)應(yīng)于一個(gè)1維網(wǎng)格點(diǎn)的多個(gè)強(qiáng)度；將點(diǎn)(x(k)，y(k))初始化， 其中x(k)是由b = RO-Ix定義的一個(gè)第一擴(kuò)展圖像χ的一個(gè)元素，其中R是一個(gè)傅里葉變換矩陣，Φ是小波變換矩陣，y(k)是ViCTV1^嚴(yán)中的一個(gè)點(diǎn)，▽ i是第i個(gè)坐標(biāo)的一個(gè)前向有限差分算子，而k是一個(gè)迭代計(jì)數(shù)器；從χω-τ Ja Φ ΣΙΛ^ + Φ^ΦΦ、 -b))計(jì)算一個(gè)第一輔助變量s (k)，其中τ 1，α是預(yù)先確定的正標(biāo)量常數(shù)，對(duì)χ中所有點(diǎn)η求和，并且L*是算子L= (VI,...,· VI)的伴隨；由yn(k)+τ ΑΦ、05)計(jì)算一個(gè)第二輔助變量tn(k)，其中 ^2是一個(gè)預(yù)先確定的正標(biāo)量常數(shù)；由&811(8(10)111狀{0，s(k) |-τ 1β} 對(duì)x(k+l)進(jìn)行更新，其中β是一個(gè)預(yù)先確定的正標(biāo)量常數(shù)；并且由minU/τ 2，| tn(k)| I2I O)/I |tn(k)| Uiyn(k+1)進(jìn)行更新。美國(guó)2010/0001901提供了基于壓縮傳感概念產(chǎn)生雷達(dá)影像和目標(biāo)輪廓的方法和裝置。在雷達(dá)目標(biāo)的方向上傳輸一個(gè)出射雷達(dá)波形，并且利用雷達(dá)反射率輪廓的一種可壓縮的或稀疏的表示并結(jié)合出射波形的知識(shí)從所接收的雷達(dá)波序列中恢復(fù)雷達(dá)反射率輪廓。 在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，出射波形是一個(gè)偽噪聲序列或線性FM波形。同樣，在2008年IEEE計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)的計(jì)算機(jī)視覺(jué)和模式識(shí)別會(huì)議(CVPR)上，在由 Jianchao Yang、John Wright、Thomas Huang、Yi Ma 發(fā)表的"Image Super-Resolution as Sparse Representation of Raw Image Patches，，中描述了壓縮傳感技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明_既述本領(lǐng)域中存在協(xié)助各種類(lèi)型(例如，光、電子)信號(hào)測(cè)量的分辨率增強(qiáng)的需求，如以?xún)?yōu)于所謂的測(cè)量的“物理分辨率”。這種物理分辨率極限典型地是由測(cè)量單元(傳感器) 的響應(yīng)函數(shù)或測(cè)量技術(shù)(例如，測(cè)量數(shù)據(jù)與已知參考數(shù)據(jù)的互相關(guān))來(lái)定義。在測(cè)量單元中對(duì)信號(hào)進(jìn)行收集和檢測(cè)(測(cè)量)的分辨率受到三個(gè)主要參數(shù)的限制。第一個(gè)參數(shù)是檢測(cè)器的采樣率，例如用于捕捉圖像的光學(xué)傳感器的空間分辨率(照相機(jī)中的像素尺寸)，或者檢測(cè)器(例如示波器)的時(shí)間采樣率。第二個(gè)參數(shù)是測(cè)量單元的有效響應(yīng)函數(shù)，對(duì)應(yīng)于空間或時(shí)間頻率響應(yīng)。在這一點(diǎn)上，應(yīng)當(dāng)理解的是，在線性且移位不變(例如采用相干或完全非相干照明)系統(tǒng)中，這種有效響應(yīng)函數(shù)實(shí)際上由頻率響應(yīng)函數(shù)本身所表示，而對(duì)于其他系統(tǒng)(例如利用部分非相干照明的非線性和/或移位不變系統(tǒng))， 有效響應(yīng)函數(shù)由輸入信號(hào)和輸出信號(hào)(由所述測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量)之間的關(guān)系來(lái)確定。例如， 對(duì)于部分空間非相干光形式的輸入場(chǎng)的測(cè)量，實(shí)際上沒(méi)有傳遞函數(shù)，因?yàn)檫@種操作不是線性的并且不是移位不變的。因此，在當(dāng)前的應(yīng)用中，術(shù)語(yǔ)“頻率響應(yīng)函數(shù)”或“傳遞函數(shù)”或 “頻譜響應(yīng)函數(shù)”應(yīng)當(dāng)廣泛地解釋為有效響應(yīng)函數(shù)，在一些情況下，有效響應(yīng)函數(shù)由輸入和輸出場(chǎng)/信號(hào)/數(shù)據(jù)之間的關(guān)系來(lái)表達(dá)。第三個(gè)參數(shù)是測(cè)量的信噪比。
本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一種技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)測(cè)量單元的頻率傳遞函數(shù)從感測(cè)的(測(cè)量的)數(shù)據(jù)中恢復(fù)由于物理分辨率限制而在感測(cè)數(shù)據(jù)中丟失的、并且僅通過(guò)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化也不能恢復(fù)的輸入信息(輸入信號(hào))的那些特征。換言之，本發(fā)明的技術(shù)能夠克服與測(cè)量數(shù)據(jù)中最高頻率相關(guān)的限制，在該頻率處，信噪比允許通過(guò)反卷積來(lái)重構(gòu)(通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)的頻譜傳遞函數(shù)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)分)。測(cè)量系統(tǒng)的響應(yīng)函數(shù)和所述系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量的信噪比是主要因素，這些因素定義并限制對(duì)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量時(shí)的分辨率。大多數(shù)情況下，頻譜響應(yīng)函數(shù)g( )用作一個(gè)低通濾波器(LPF)，該低通濾波器是具有一個(gè)特征截止頻率fc (其中在時(shí)域fc 1/tc，tc是檢測(cè)器的上升時(shí)間)。如果輸入數(shù)據(jù)(信號(hào)或場(chǎng))在高于截止頻率的頻率上包含多個(gè)特征，那么傳感器輸出信號(hào)(測(cè)量數(shù)據(jù))與輸入數(shù)據(jù)有偏差。在這種情況中，反卷積方法經(jīng)常用于提取輸入數(shù)據(jù)。反卷積方法包括對(duì)檢測(cè)器頻譜濾波運(yùn)算進(jìn)行反運(yùn)算，其中濾波運(yùn)算是輸入信號(hào)與檢測(cè)器的頻譜傳遞函數(shù)的卷積(頻率濾波)。通過(guò)一個(gè)因子對(duì)檢測(cè)器輸出信號(hào)(在頻譜域中)進(jìn)行再放大來(lái)實(shí)現(xiàn)反卷積，該因子對(duì)應(yīng)于檢測(cè)器的頻譜傳遞函數(shù)的逆(l/|g( ) |)。 該放大因子在高頻譜區(qū)域中變得非常大(|g( ) I <<1)。<因而，這些頻譜區(qū)域中的細(xì)微誤差是非常無(wú)法容忍的，因?yàn)樗鼈儽灰粋€(gè)非常大的因子放大，即，這些頻率上的低噪聲(連同信號(hào))被放大了，從而降低了信噪比(S·)。實(shí)際上，反卷積處理不能從SNR(co)
<i/|g( )的頻譜區(qū)域中恢復(fù)信息。<通常，系統(tǒng)的響應(yīng)函數(shù)包含一個(gè)確切的截止頻率，高于該截止頻率的傳遞函數(shù)為零(或者對(duì)應(yīng)于非常大的衰減)。高于截止頻率的頻率振幅被極大地衰減，這樣使得這些高頻信號(hào)低于噪聲水平并且不能被提取(與噪聲分離)。因此，認(rèn)為這些高頻信息已經(jīng)丟失。因而，人們普遍認(rèn)為在這些高頻譜區(qū)域上的信息丟失了并且不能被恢復(fù)。在SNR(co)
<l/|g(") I上的頻率實(shí)際上表示測(cè)量的有效截止頻率。然而，測(cè)量信號(hào)的高分辨率需要待測(cè)量輸入信號(hào)的高頻特征(即，對(duì)于時(shí)變信號(hào)是高時(shí)間頻率，或在光學(xué)圖像的情況中是高空間頻率)。例如，在常規(guī)的光學(xué)顯微術(shù)中，不能以高于光學(xué)系統(tǒng)的衍射極限的分辨率捕獲圖像(即，在自由空間傳播的情況下是λ/2)。 例如，就電磁(EM)波的自由空間傳播而言，如果EM波從目標(biāo)平面到檢測(cè)器的傳播距離遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)λ，那么由于光學(xué)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)(用于相干照明的CTF或用于非相干照明的0TF) 充當(dāng)了一個(gè)低通濾波器，丟失了由大于l/λ的空間頻率所攜帶的所有信息。本發(fā)明提供在某一分辨率上的信息(輸入信號(hào))重構(gòu)，該分辨率高于由測(cè)量系統(tǒng)的最高頻率或頻譜傳遞函數(shù)和信噪比之間的比率[SNR(co) < l/|g(co) I]所定義的頻率。在這一點(diǎn)上，應(yīng)當(dāng)理解的是感測(cè)(測(cè)量)數(shù)據(jù)包括通過(guò)適合的傳感器單元(檢測(cè)器)對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，其中檢測(cè)信號(hào)可以是輸入場(chǎng)或在輸入數(shù)據(jù)和參考數(shù)據(jù)之間已知的相互作用(例如，與已知信號(hào)進(jìn)行相關(guān))中產(chǎn)生的那些信號(hào)；并且對(duì)測(cè)量(檢測(cè))數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。利用任何適合的檢測(cè)器時(shí)，檢測(cè)過(guò)程應(yīng)當(dāng)盡可能精確。這樣的精確檢測(cè)可以包括任何解碼過(guò)程，前提是對(duì)在其到檢測(cè)器的傳播過(guò)程中出現(xiàn)(例如在頻譜平面)的信號(hào)進(jìn)行了某種預(yù)定編碼(或預(yù)處理)。這類(lèi)編碼或預(yù)處理可以用軟件和/或硬件(例如，利用掩膜，如相位掩膜或光柵)實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的原理可應(yīng)用于任何測(cè)量數(shù)據(jù)，不論檢測(cè)過(guò)程是否包含解碼。在考慮編碼/解碼的情況中，本發(fā)明的技術(shù)對(duì)解碼的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。本發(fā)明提供了用于一種對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的新處理技術(shù)以恢復(fù)包含在輸入信
10息(輸入信號(hào))中的細(xì)節(jié)，而這些細(xì)節(jié)是由于測(cè)量系統(tǒng)(在去往檢測(cè)器的路上該測(cè)量系統(tǒng)包括一個(gè)檢測(cè)器單元并且可能還包括一個(gè)或多個(gè)信號(hào)收集器)的響應(yīng)函數(shù)而在檢測(cè)階段被過(guò)濾出的。這種過(guò)濾導(dǎo)致那些信號(hào)或信號(hào)分量的測(cè)量振幅過(guò)小，以至于通過(guò)傳遞響應(yīng)函數(shù)對(duì)它們進(jìn)行區(qū)分時(shí)產(chǎn)生非常大的誤差。換言之，利用本發(fā)明的技術(shù)，已重構(gòu)的/恢復(fù)的信息包含比測(cè)量系統(tǒng)的有效響應(yīng)函數(shù)的有效截止頻率更高的頻率。根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量數(shù)據(jù)(在光學(xué)成像的背景下是光場(chǎng)) 的重構(gòu)利用了已知的Ll最小化和壓縮傳感技術(shù)的原理，在壓縮傳感技術(shù)中對(duì)在某種已知基內(nèi)是稀疏的信息(輸入信號(hào))進(jìn)行恢復(fù)。應(yīng)當(dāng)理解的是，一個(gè)稀疏信號(hào)是這樣的，即在某個(gè)基中它主要包含零值以及非常少的不同于零值的元素。有關(guān)輸入場(chǎng)的稀疏度的知識(shí)或數(shù)據(jù)可能只包含以下事實(shí)，即這個(gè)信號(hào)在某個(gè)基中是稀疏的，并且其中的信號(hào)是稀疏的這個(gè)基。還要求在信號(hào)基(其中信息是稀疏的)與測(cè)量基之間存在一種已知關(guān)系，以及返回關(guān)系。對(duì)于一些系統(tǒng)，這種關(guān)系可以被寫(xiě)為一個(gè)變換算子。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明不需要將這種關(guān)系表達(dá)為算子，只需要這種關(guān)系是已知的。本發(fā)明恰當(dāng)?shù)乩脺y(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù)， 即有關(guān)測(cè)量系統(tǒng)的有效響應(yīng)函數(shù)的數(shù)據(jù)連同上述稀疏度相關(guān)數(shù)據(jù)。如上所述，本發(fā)明考慮了由輸入場(chǎng)(表示在某個(gè)基中，在該基中它是稀疏的)和輸出場(chǎng)之間關(guān)的系所表達(dá)的測(cè)量系統(tǒng)的有效響應(yīng)函數(shù)。在這一點(diǎn)上，應(yīng)當(dāng)理解的是，考慮到輸入場(chǎng)表示在一個(gè)基中(例如利用基本信息對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行某種類(lèi)型的初始處理)，而輸入場(chǎng)在該基中是稀疏的，稀疏基和測(cè)量基之間的用于線性移位不變測(cè)量系統(tǒng)的關(guān)系可以對(duì)應(yīng)于測(cè)量系統(tǒng)的有效響應(yīng)函數(shù)。本發(fā)明允許在信號(hào)收集器的有效截止頻率(檢測(cè)系統(tǒng)的物理極限)之外的分辨率增強(qiáng)。本發(fā)明基于以下內(nèi)容在可以寫(xiě)為一些已知基函數(shù)的組合的所有信號(hào)(在被已知的傳遞函數(shù)(CTF或0TF) “污染”后，這些信號(hào)產(chǎn)生測(cè)量結(jié)果)中，找到這些信號(hào)中最稀疏的一個(gè)，即，該最稀疏信號(hào)包括最少的基函數(shù)。本發(fā)明人已經(jīng)將這種新技術(shù)命名為 SMARTER(Sparsity Mediated Algorithmic Reconstruction Technique for Enhanced Resolution)顯微術(shù)(在次波長(zhǎng)情況中)和用于光脈沖的表征的SMARTER脈沖診斷法。因此，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)廣泛方面，提供了一種用于對(duì)由測(cè)量系統(tǒng)感測(cè)的輸入場(chǎng)進(jìn)行重構(gòu)的方法。該方法包括提供有關(guān)輸入場(chǎng)的稀疏度(輸入信號(hào)(待恢復(fù)的信息)在一個(gè)已知基中是稀疏的)的數(shù)據(jù)(先驗(yàn)知識(shí))，以及有關(guān)測(cè)量系統(tǒng)的有效響應(yīng)函數(shù)的數(shù)據(jù)； 并且根據(jù)所述已知數(shù)據(jù)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。這種“先驗(yàn)知識(shí)”用于對(duì)測(cè)量單元產(chǎn)生的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以恢復(fù)原始信息(輸入信號(hào))。處理階段包括根據(jù)以下內(nèi)容確定一個(gè)稀疏矢量所述有關(guān)輸入場(chǎng)的稀疏度的數(shù)據(jù)，有關(guān)有效響應(yīng)函數(shù)的數(shù)據(jù)，以及測(cè)量數(shù)據(jù)(測(cè)量系統(tǒng)的輸出)；并且利用該稀疏矢量對(duì)輸入信息進(jìn)行重構(gòu)。本發(fā)明的技術(shù)基于以下理解，給定上述先驗(yàn)知識(shí)，在對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)(均對(duì)應(yīng)于相同的測(cè)量數(shù)據(jù))的頻譜進(jìn)行外推的所有可能情況中，產(chǎn)生最稀疏輸入信號(hào)(待恢復(fù)信息)的外推是唯一的(沒(méi)有噪聲)，或者存在噪聲時(shí)，該外推提供非常接近并且最接近輸入信息的恢復(fù)信息[8-12]。如果信號(hào)基和測(cè)量基是是最不相關(guān)的，或者換言之它們“彼此非相干”(在此術(shù)語(yǔ)“非相干”不應(yīng)當(dāng)與光學(xué)領(lǐng)域中的相干屬性相混淆)，本技術(shù)提供更好的重構(gòu) (更高的分辨率)。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，像信號(hào)基和測(cè)量基之間的最不相關(guān)這種條件，盡管是優(yōu)選的，但對(duì)于本發(fā)明技術(shù)的操作原理和結(jié)果而言可以是任選的。相反，具有在測(cè)量基內(nèi)占據(jù)大部分基函數(shù)的測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)于正確地恢復(fù)輸入信號(hào)就足夠了。當(dāng)稀疏基和測(cè)量基最不相關(guān)時(shí)，必需的樣本數(shù)量(在測(cè)量基中)是最小的。本技術(shù)允許重構(gòu)的輸入場(chǎng)的分辨率遠(yuǎn)高于所述響應(yīng)函數(shù)的有效截止頻率。讓我們考慮例如光學(xué)成像應(yīng)用，在這種應(yīng)用中提供了有關(guān)輸入場(chǎng)稀疏度以及有關(guān)有效響應(yīng)函數(shù)的先驗(yàn)知識(shí)(即，輸入圖像在一些已知的或確定的基中包含小部分非零像素，并且從近場(chǎng)到在其中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量的平面的變換是已知的)。這里，最簡(jiǎn)單的基是近場(chǎng)。與近場(chǎng)最不相關(guān)的基是遠(yuǎn)場(chǎng)(信息的傅里葉平面)。因此，在光學(xué)成像應(yīng)用中，如果測(cè)量是在遠(yuǎn)場(chǎng)中進(jìn)行的，本發(fā)明的技術(shù)可以提供更好的結(jié)果。使近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)相關(guān)的變換僅僅是傅里葉變換乘以有效變換函數(shù)，該有效變換函數(shù)是用于相干場(chǎng)的CTF或用于空間非相干場(chǎng)的OTF。在光學(xué)成像的相同背景下，人們可以使用另一種測(cè)量基光學(xué)成像系統(tǒng)的像平面。 在這種情況中，在輸入場(chǎng)傳播通過(guò)光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的過(guò)程中出現(xiàn)的變換包括以下內(nèi)容對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，將傅里葉變換乘以CTF (或0TF)，并且將另一個(gè)傅里葉變換(具有某種程度的放大)應(yīng)用于乘法運(yùn)算的結(jié)果。在這種情況中，測(cè)量基和稀疏基是完全相同。然而，假設(shè)有效響應(yīng)函數(shù)滿足以下條件，本發(fā)明的技術(shù)仍然表現(xiàn)良好測(cè)量數(shù)據(jù)占據(jù)大部分測(cè)量基，并且在兩個(gè)基之間的變換是已知的。因此，一般來(lái)說(shuō)，本發(fā)明可應(yīng)用于任何測(cè)量基，只要測(cè)量數(shù)據(jù)占據(jù)大部分測(cè)量基， 并且兩個(gè)基之間的變換是已知的。假設(shè)輸入圖像在一個(gè)已知基中是稀疏的，本發(fā)明在所有那些測(cè)量基中表現(xiàn)良好。對(duì)于光學(xué)成像應(yīng)用，測(cè)量單元被配置用于光學(xué)測(cè)量，因此包括一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)(鏡頭等)以及一個(gè)適合的光學(xué)檢測(cè)器(或照相機(jī))如上所述，這種測(cè)量單元的有效響應(yīng)函數(shù)由一個(gè)空間頻率傳遞函數(shù)來(lái)定義，該函數(shù)與用于相干照明情況的相干傳遞函數(shù)(CTF)或用于非相干照明的光學(xué)傳遞函數(shù)(OTT)相關(guān)聯(lián)。利用本發(fā)明的方法，重構(gòu)的輸入信息可以具有高于OTF (或CTF)的截頻的分辨率，該分辨率自然地定義了光學(xué)成像系統(tǒng)的最小可分辨特征(衍射極限斑點(diǎn))。優(yōu)選地，輸出場(chǎng)對(duì)應(yīng)于輸入場(chǎng)的一幅遠(yuǎn)場(chǎng)圖像。應(yīng)當(dāng)注意，本發(fā)明提供了具有非均勻相位的信號(hào)(即具有變化相位的信號(hào))的重構(gòu)，例如在一個(gè)點(diǎn)上為正相位而在另一個(gè)點(diǎn)上為負(fù)相位的信號(hào)，以及在最廣義上具有從一個(gè)點(diǎn)到另一個(gè)點(diǎn)在0和2 π之間能夠任意變化的相位的信號(hào)。因此，不需要進(jìn)一步的假設(shè)， 例如信號(hào)的非負(fù)性。作為上述重構(gòu)過(guò)程的一部分，具有非均勻相位的信號(hào)(信息)的恢復(fù)是通過(guò)進(jìn)一步使用稱(chēng)為非局部硬閾值化(NLHT)的迭代方法來(lái)進(jìn)行的。這項(xiàng)技術(shù)包括通過(guò)執(zhí)行閾值化步驟來(lái)以一種迭代方式來(lái)分配稀疏信號(hào)的去支持，該閾值化步驟依賴(lài)于臨近位置(在實(shí)空間中)的值。應(yīng)當(dāng)理解并將在以下作進(jìn)一步更為具體描述的是，在一些實(shí)施方案中本發(fā)明的處理器實(shí)用程序通?？赡鼙活A(yù)先編程以識(shí)別測(cè)量信號(hào)具有均勻的或非均勻的相位，并因此選擇性地應(yīng)用一個(gè)不使用NLHT (但是使用基追蹤(BP)的第一處理模式或一個(gè)使用NLHT的第二處理模式；或者取消識(shí)別步驟并利用第二種更為通用的使用NLHT的模型。在一些其他實(shí)施方案中，本發(fā)明旨在對(duì)非均勻相位信號(hào)(例如，進(jìn)行輸入脈沖形狀的重構(gòu))進(jìn)行處理，處理器實(shí)用程序可以?xún)H采用BP模式。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)廣泛方面，提供了一種用于對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括一個(gè)輸入實(shí)用程序，該輸入實(shí)用程序能夠接收并存儲(chǔ)由測(cè)量單元(直接由其提供或不由其提供)產(chǎn)生的測(cè)量數(shù)據(jù)。測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于該測(cè)量單元響應(yīng)于一個(gè)有待重構(gòu)的輸入信號(hào)而產(chǎn)生的一個(gè)輸出信號(hào)。輸入單元還接收表示輸入場(chǎng)的稀疏度的數(shù)據(jù)以及表示測(cè)量單元的有效響應(yīng)函數(shù)(例如，空間或時(shí)間響應(yīng)函數(shù)；或輸入信號(hào)和測(cè)量信號(hào)之間的關(guān)系)的數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)包括一個(gè)預(yù)先編程的數(shù)據(jù)處理器實(shí)用程序用于對(duì)所接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。更確切地說(shuō)，處理器確定一個(gè)稀疏矢量，該稀疏矢量是以下內(nèi)容的函數(shù)有關(guān)輸入信號(hào)的稀疏度、測(cè)量的輸出信號(hào)的信息，以及有關(guān)測(cè)量單元的有效響應(yīng)函數(shù)的數(shù)據(jù)；并且利用該稀疏矢量通過(guò)該稀疏矢量到輸入信號(hào)的原始基上的基變換對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，提供了一種用于對(duì)輸入光場(chǎng)進(jìn)行重構(gòu)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括一個(gè)輸入實(shí)用程序，該實(shí)用程序能夠接收并存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)于光學(xué)測(cè)量單元響應(yīng)于輸入光場(chǎng)所產(chǎn)生的一個(gè)輸出場(chǎng)的測(cè)量數(shù)據(jù)(由光學(xué)測(cè)量單元產(chǎn)生并直接由其提供或不由其提供)。 該輸入實(shí)用程序還接收表示輸入光場(chǎng)的稀疏度的數(shù)據(jù)，以及表示該光學(xué)測(cè)量單元的有效響應(yīng)函數(shù)的數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)包括一個(gè)預(yù)先編程的數(shù)據(jù)處理器實(shí)用程序用于對(duì)所接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，從而根據(jù)稀疏數(shù)據(jù)、測(cè)量數(shù)據(jù)以及光學(xué)測(cè)量單元的有效響應(yīng)函數(shù)來(lái)確定一個(gè)稀疏矢量；并且利用該稀疏矢量通過(guò)該稀疏矢量到輸入信號(hào)的原始基上的基變換對(duì)輸入場(chǎng)進(jìn)行重構(gòu)。在又一個(gè)方面中，本發(fā)明提供了一種測(cè)量系統(tǒng)，包括一個(gè)成像系統(tǒng)，該成像系統(tǒng)定義了輸入場(chǎng)到光檢測(cè)器的傳播，以及一個(gè)具有用于對(duì)從所述檢測(cè)器輸出的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的處理器實(shí)用程序的控制單元，該處理器實(shí)用程序被配置并可操作用于根據(jù)有關(guān)輸入場(chǎng)的稀疏度的數(shù)據(jù)和有關(guān)成像系統(tǒng)的有效響應(yīng)函數(shù)的數(shù)據(jù)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以便利用高于所述有效響應(yīng)函數(shù)的有效截頻的分辨率對(duì)輸入場(chǎng)進(jìn)行重構(gòu)。在一些其他實(shí)施方案中，本發(fā)明用于對(duì)數(shù)據(jù)的時(shí)域輪廓進(jìn)行處理，所測(cè)量的數(shù)據(jù)由電子傳感系統(tǒng)產(chǎn)生。在這種情況中，有待測(cè)量和重構(gòu)的輸入場(chǎng)可以是一個(gè)脈沖(例如，光脈沖)，尤其是短脈沖，即與脈沖檢測(cè)器的物理極限(例如上升時(shí)間)相比而言較短。短脈沖形狀測(cè)量技術(shù)和裝置中的一個(gè)總體趨勢(shì)是在較高分辨率和較大帶寬上所進(jìn)行的測(cè)量要求更為復(fù)雜和成本更高的裝置或系統(tǒng)。因此，更令人感興趣的是通過(guò)后恢復(fù)算法來(lái)增大脈沖形狀測(cè)量裝置或系統(tǒng)的分辨率。本發(fā)明這方面最有吸引力的應(yīng)用是對(duì)輪廓(強(qiáng)度輪廓或振幅和相位輪廓)進(jìn)行重構(gòu)，尤其有利于超短脈沖(在皮秒以及更短的范圍內(nèi))。在這些實(shí)施方案中，測(cè)量單元的有效響應(yīng)函數(shù)對(duì)應(yīng)于電子感測(cè)系統(tǒng)的時(shí)間頻率響應(yīng)?？梢杂欣嘏c本發(fā)明技術(shù)一起使用的測(cè)量系統(tǒng)/檢測(cè)器的實(shí)例包括以下裝置示波器、光電二極管、超快掃描照相機(jī)、與參考場(chǎng)/信號(hào)的互相關(guān)、信號(hào)/場(chǎng)與自身的自相關(guān)、頻率分辨光學(xué)門(mén)(FROG)、直接電場(chǎng)重構(gòu)頻譜干涉儀 (SPIDER)、互相關(guān)頻率分辨光學(xué)門(mén)(XFROG)、GRENOUILLE、TADPOLE。因此，在其又一個(gè)廣泛方面中，本發(fā)明提供了一種方法和系統(tǒng)以從由較慢的測(cè)量系統(tǒng)(慢檢測(cè)器)進(jìn)行的測(cè)量中恢復(fù)短脈沖(電子脈沖、光脈沖等)的輪廓，該較慢測(cè)量系統(tǒng)意味著檢測(cè)器的上升時(shí)間比脈沖持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。在這些實(shí)施方案中，已知的(最初提供的) 數(shù)據(jù)包括有關(guān)輸入脈沖的稀疏度以及有效響應(yīng)函數(shù)(例如，定義測(cè)量基和信號(hào)基之間關(guān)系的時(shí)間頻率響應(yīng)函數(shù))的數(shù)據(jù)。脈沖的形狀可以是復(fù)雜的并且它的頻譜可以包括在用于測(cè)量的有效截止頻率以外的頻譜區(qū)域的頻率。重構(gòu)利用了所測(cè)量的輸出信號(hào)、有關(guān)檢測(cè)系統(tǒng)的有效傳遞函數(shù)的數(shù)據(jù)以及短脈沖本質(zhì)上是稀疏的(在時(shí)間上)這一事實(shí)。如上所述，測(cè)量數(shù)據(jù)可以包括輸入場(chǎng)的檢測(cè)或它與某個(gè)參考信號(hào)的相互作用。例如，光短脈沖可以與另一個(gè)(參考)脈沖進(jìn)行互相關(guān)并對(duì)互相關(guān)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。本發(fā)明還提供了通過(guò)對(duì)這類(lèi)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理來(lái)對(duì)輸入場(chǎng)(恢復(fù)短輸入脈沖(例如是電子或光脈沖) 的結(jié)構(gòu)(振幅和相位))進(jìn)行重構(gòu)。重構(gòu)使用了輸出的互相關(guān)信號(hào)、參考脈沖的已知形狀以及兩個(gè)脈沖之間的相互作用模型(即互相關(guān))。


為了理解本發(fā)明并明白它在實(shí)際中如何執(zhí)行，現(xiàn)在將參考附圖僅通過(guò)非限制性實(shí)例來(lái)對(duì)實(shí)施方案進(jìn)行描述，其中圖1是本發(fā)明的一種用于對(duì)輸出場(chǎng)進(jìn)行重構(gòu)的系統(tǒng)的實(shí)例的框圖；圖2A至圖2C展示了根據(jù)常規(guī)技術(shù)的圖像重構(gòu)的原理；圖3A和圖;3B對(duì)本發(fā)明的重構(gòu)技術(shù)和圖2A至圖2C的結(jié)果進(jìn)行了比較；圖4A和圖4B對(duì)應(yīng)地以2D和Id表現(xiàn)形式舉例說(shuō)明了光傳遞函數(shù)和由其定義的截
止頻率；圖5A至圖5F舉例說(shuō)明了根據(jù)常規(guī)技術(shù)以及本發(fā)明的圖像重構(gòu)過(guò)程；圖6A和圖6B對(duì)應(yīng)地示出了一種適于嵌入本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)的兩個(gè)實(shí)例；圖7A至圖7C示出了利用圖6A的系統(tǒng)的本發(fā)明技術(shù)的試驗(yàn)結(jié)果；圖8A至圖8F對(duì)重構(gòu)2D目標(biāo)的本發(fā)明技術(shù)和常規(guī)技術(shù)進(jìn)行了比較；圖9A和圖9B舉例說(shuō)明了可以如何將本發(fā)明用于活細(xì)胞(是稀疏目標(biāo))的圖像重構(gòu)；圖IOA和圖IOB舉例說(shuō)明了可以如何將本發(fā)明用于集成電路(是稀疏目標(biāo))的圖
像重構(gòu)；圖IlA至圖IlJ對(duì)使用本發(fā)明和常規(guī)技術(shù)進(jìn)行次波長(zhǎng)圖像重構(gòu)進(jìn)行了比較；圖12A至圖12J舉例說(shuō)明了可以如何利用慢檢測(cè)器將本發(fā)明用于對(duì)時(shí)域光脈沖的形狀進(jìn)行重構(gòu)；圖13A至圖13G示出了試驗(yàn)結(jié)果并對(duì)利用慢檢測(cè)器使用本發(fā)明和常規(guī)技術(shù)來(lái)重構(gòu)時(shí)域光脈沖的形狀進(jìn)行了比較；以及圖14A至圖14G展示了利用慢檢測(cè)器對(duì)時(shí)域光脈沖的形狀進(jìn)行重構(gòu)的一種可能的
直ο
具體實(shí)施例方式參見(jiàn)圖1，該圖通過(guò)框圖示意性地展示了本發(fā)明的、對(duì)來(lái)自輸入場(chǎng)IF的稀疏信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)的一個(gè)系統(tǒng)10的實(shí)例。例如，輸入場(chǎng)IF可以是一個(gè)在空間域內(nèi)變化的光場(chǎng)、或一個(gè)在時(shí)間域內(nèi)變化的光場(chǎng)。輸入場(chǎng)IF可以是空間和/或時(shí)間坐標(biāo)的復(fù)函數(shù)(在其振幅和相位二者中承載信息)或?qū)嵑瘮?shù)。系統(tǒng)10是一個(gè)用于對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的計(jì)算機(jī)化的系統(tǒng)。因此，系統(tǒng)10包括一個(gè)數(shù)據(jù)輸入實(shí)用程序12和一個(gè)數(shù)據(jù)處理器實(shí)用程序14。該系統(tǒng)還可以包括一個(gè)存儲(chǔ)器實(shí)用程序和一個(gè)未專(zhuān)門(mén)示出的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)實(shí)用程序(例如顯示器)。 同樣，該系統(tǒng)可以連接到一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)(例如互聯(lián)網(wǎng))上并因此可利用一個(gè)合適的通信實(shí)用程序進(jìn)行安裝。系統(tǒng)10被配置為對(duì)與某一測(cè)量單元16的測(cè)量輸出MO相對(duì)應(yīng)的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。應(yīng)當(dāng)理解的是，該系統(tǒng)可以執(zhí)行測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理，同時(shí)該系統(tǒng)連接到測(cè)
14量單元(通過(guò)有線或無(wú)線的信號(hào)傳輸)上；或者可以執(zhí)行測(cè)量數(shù)據(jù)的后處理，這種后處理應(yīng)用于事先存儲(chǔ)在系統(tǒng)10的存儲(chǔ)器實(shí)用程序中或另一個(gè)合適的存儲(chǔ)器實(shí)用程序中的測(cè)量系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)。測(cè)量系統(tǒng)16可以是任何適于檢測(cè)(接收和記錄)輸入場(chǎng)IF(例如，光、電子信號(hào)) 并且產(chǎn)生對(duì)其進(jìn)行表示的輸出場(chǎng)(測(cè)量數(shù)據(jù))的類(lèi)型。檢測(cè)的輸入場(chǎng)可以是來(lái)自目標(biāo)的一個(gè)輸入信號(hào)或該輸入信號(hào)與某個(gè)參考信號(hào)相互作用的結(jié)果。測(cè)量系統(tǒng)16的構(gòu)造和操作通常不構(gòu)成本發(fā)明的一部分；并且本發(fā)明可以與任何類(lèi)型的具有有效響應(yīng)函數(shù)的測(cè)量系統(tǒng)一起使用，該有效響應(yīng)函數(shù)與其到輸入信號(hào)(場(chǎng))的輸出的空間或時(shí)間頻率響應(yīng)相關(guān)聯(lián)。有效響應(yīng)函數(shù)可以由規(guī)定的數(shù)學(xué)關(guān)系來(lái)確定，該數(shù)學(xué)關(guān)系定義了其到輸入場(chǎng)IF的測(cè)量輸出M0。配置用于對(duì)輸入場(chǎng)IF進(jìn)行測(cè)量的測(cè)量系統(tǒng)16包括一個(gè)合適的檢測(cè)器(例如，照相機(jī)的像素矩陣；示波器；光電二極管等)，并且還可以包括一個(gè)用于空間或時(shí)間頻率的低通或帶通濾波器。應(yīng)當(dāng)注意的是，該系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)物理元件可以用作一個(gè)低通(或帶通)濾波器，例如孔組件(由一個(gè)或多個(gè)孔形成，例如一個(gè)或多個(gè)鏡頭)；和/或通過(guò)光從目標(biāo)平面到檢測(cè)器平面(“圖像平面”)的自由空間傳播。低通(或帶通)濾波器還可以由檢測(cè)器本身的特性而產(chǎn)生，該檢測(cè)器可以?xún)H最低限度地響應(yīng)高空間或時(shí)間頻率，這樣使得數(shù)據(jù)的這些部分就埋藏在測(cè)量系統(tǒng)16的噪聲中。測(cè)量系統(tǒng)16產(chǎn)生的測(cè)量數(shù)據(jù)MO和輸入場(chǎng)IF之間的數(shù)學(xué)關(guān)系可以表示為一個(gè)響應(yīng)函數(shù)(或傳遞函數(shù))，對(duì)于高空間或時(shí)間頻率，該響應(yīng)函數(shù)充當(dāng)一個(gè)低通濾波器。對(duì)于非線性系統(tǒng)或?qū)τ诜且莆徊蛔兿到y(tǒng)，這樣的關(guān)系可以用一些其他表達(dá)式來(lái)表示。根據(jù)本發(fā)明，測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量輸出MO是測(cè)量系統(tǒng)16的物理特性引起的輸入場(chǎng)IF的特定變換的結(jié)果。就光成像測(cè)量單元而言，測(cè)量單元的輸出優(yōu)選地是目標(biāo)的遠(yuǎn)場(chǎng)成像的結(jié)果。例如，檢測(cè)器平面基本上位于孔組件的傅里葉平面上。以下將參見(jiàn)圖6A至圖6B進(jìn)一步對(duì)這一點(diǎn)做更為具體的描述。還應(yīng)當(dāng)注意，盡管沒(méi)有具體示出，測(cè)量系統(tǒng)16可以包括一個(gè)用于對(duì)輸入場(chǎng)進(jìn)行編碼的編碼器實(shí)用程序。編碼器可以是采用掩碼(例如相位掩碼或光柵)的軟件和/或硬件實(shí)用程序。因此，可以將處理器實(shí)用程序14配置用于執(zhí)行所接收的測(cè)量數(shù)據(jù)的初始解碼。另外，可以將該測(cè)量系統(tǒng)配置用于將輸入信號(hào)與參考信號(hào)互相關(guān)，在這種情況下輸入場(chǎng)IF是這種互相關(guān)的結(jié)果，而待重構(gòu)的信號(hào)是所述輸入信號(hào)?？梢詫⒃撓到y(tǒng)配置為將輸入信號(hào)自相關(guān)；測(cè)量的輸入場(chǎng)將是自相關(guān)的結(jié)果。因此，輸入實(shí)用程序12響應(yīng)于輸入數(shù)據(jù)用于從測(cè)量系統(tǒng)16接收(并且典型地存儲(chǔ))測(cè)量數(shù)據(jù)，該測(cè)量數(shù)據(jù)與所述測(cè)量系統(tǒng)16響應(yīng)于輸入場(chǎng)IF而產(chǎn)生的輸出場(chǎng)MO相對(duì)應(yīng)。 同樣，該系統(tǒng)(例如通過(guò)相同的輸入實(shí)用程序或另一個(gè)輸入端口)接收?qǐng)鱿嚓P(guān)數(shù)據(jù)FD和傳感器相關(guān)數(shù)據(jù)SD。場(chǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)FD包括有關(guān)輸入(例如光)場(chǎng)的稀疏度的數(shù)據(jù)(包括數(shù)學(xué)基，數(shù)據(jù)在該基中是稀疏的)。傳感器相關(guān)數(shù)據(jù)SD包括表示所述測(cè)量系統(tǒng)16的有效響應(yīng)函數(shù)(例如，測(cè)量輸出MO和輸入場(chǎng)IF之間的數(shù)學(xué)關(guān)系)的數(shù)據(jù)。在光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的情況中， 有效響應(yīng)函數(shù)可以由測(cè)量系統(tǒng)的相干傳遞函數(shù)(CTF)或光傳遞函數(shù)(OTF)來(lái)定義，這些函數(shù)繼而又由一個(gè)或多個(gè)孔來(lái)確定，如果存在的話，還由通向檢測(cè)器的自由空間傳播路徑來(lái)確定。在以下描述中，光學(xué)測(cè)量單元的有效傳遞函數(shù)有時(shí)被稱(chēng)為“光傳遞函數(shù)”或“0TF”。 然而，應(yīng)當(dāng)理解的是并且如上所述，在是適當(dāng)?shù)臅r(shí)候，還應(yīng)當(dāng)將該術(shù)語(yǔ)廣泛地解釋為指CTF，并且更一般地應(yīng)當(dāng)解釋為指輸入場(chǎng)和輸出(測(cè)量)場(chǎng)之間的關(guān)系。就有關(guān)輸入場(chǎng)的稀疏度的數(shù)據(jù)而言，如上所述，它包括該場(chǎng)在某個(gè)已知基內(nèi)是稀疏的這一知識(shí)，并且還可能包括稀疏基和測(cè)量基之間的關(guān)系。數(shù)據(jù)處理器實(shí)用程序14被配置并可操作(即預(yù)編程的)用于在高于測(cè)量系統(tǒng)16 的特性所限制(例如，通過(guò)頻率響應(yīng)函數(shù)的有效截止頻率)的測(cè)量系統(tǒng)16分辨率的分辨率上對(duì)所接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，以便對(duì)輸入場(chǎng)IF進(jìn)行重構(gòu)(不論它是否具有均勻的或非均勻的相位)。處理器14可以在其中包括一個(gè)稀疏矢量確定模塊14A和一個(gè)基變換模塊 14B，這些模塊是運(yùn)行一些合適算法的軟件實(shí)用程序。稀疏矢量確定模塊14A用于對(duì)所接收的數(shù)據(jù)(測(cè)量輸出M0、有關(guān)輸入場(chǎng)的稀疏度的數(shù)據(jù)SD以及有關(guān)有效響應(yīng)函數(shù)的數(shù)據(jù)FD，例如測(cè)量輸入MO和輸入場(chǎng)IF之間的數(shù)學(xué)關(guān)系)進(jìn)行處理并確定一個(gè)稀疏矢量(χ)。因此后者是一個(gè)多參數(shù)函數(shù)，包括所述表示輸入場(chǎng)的稀疏度的數(shù)據(jù)、檢測(cè)器的輸出以及有效響應(yīng)函數(shù)?；D(zhuǎn)換模塊14B用于使用稀疏矢量(χ)來(lái)根據(jù)所述稀疏矢量和所述表示輸入場(chǎng)稀疏度的數(shù)據(jù)確定所重構(gòu)的輸入光場(chǎng)(yrec)。這使得輸入場(chǎng)的重構(gòu)(即實(shí)空間重構(gòu))成為可能。在一個(gè)具體的但非限制性的實(shí)例中，重構(gòu)過(guò)程包括以下內(nèi)容(a)對(duì)以下方程求解
權(quán)利要求
1.一種對(duì)輸入場(chǎng)進(jìn)行重構(gòu)的方法，該輸入場(chǎng)由一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)感測(cè)，該方法包括 提供對(duì)應(yīng)于所述測(cè)量系統(tǒng)的輸出場(chǎng)的測(cè)量數(shù)據(jù)；提供有關(guān)該輸入場(chǎng)的稀疏度的數(shù)據(jù)，以及有關(guān)該測(cè)量系統(tǒng)的有效響應(yīng)函數(shù)的數(shù)據(jù)；并且基于所述已知數(shù)據(jù)對(duì)該測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，該處理包括根據(jù)所述測(cè)量數(shù)據(jù)、所述有關(guān)該輸入場(chǎng)的稀疏度的數(shù)據(jù)、以及所述有關(guān)該有效響應(yīng)函數(shù)的數(shù)據(jù)確定一個(gè)稀疏矢量；并且使用該稀疏矢量來(lái)對(duì)輸入信息進(jìn)行重構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中利用該有效響應(yīng)函數(shù)的有效截頻以上的分辨率來(lái)對(duì)該輸入場(chǎng)進(jìn)行重構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中所述輸入信號(hào)是一個(gè)光場(chǎng)。
4.根據(jù)以上權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法，其中該測(cè)量單元包括一個(gè)光學(xué)成像系統(tǒng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中該輸入場(chǎng)對(duì)應(yīng)于成像過(guò)程中的相干照明，該有效響應(yīng)函數(shù)與測(cè)量系統(tǒng)的一個(gè)相干傳遞函數(shù)(CTF)相關(guān)聯(lián)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中該輸入場(chǎng)對(duì)應(yīng)于成像過(guò)程中的非相干照明，該有效響應(yīng)函數(shù)與測(cè)量系統(tǒng)的光傳遞函數(shù)(OTF)相關(guān)聯(lián)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中該輸入場(chǎng)對(duì)應(yīng)于成像過(guò)程中的部分非相干照明， 該有效響應(yīng)函數(shù)與輸入場(chǎng)和測(cè)量數(shù)據(jù)之間的關(guān)系相關(guān)聯(lián)。
8.根據(jù)權(quán)利要求4至7中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述重構(gòu)的輸入場(chǎng)具有對(duì)應(yīng)于多個(gè)特征的分辨率，這些特征小于成像系統(tǒng)的一個(gè)衍射極限斑點(diǎn)。
9.根據(jù)權(quán)利要求4至8中任一項(xiàng)所述的方法，其中這些測(cè)量是在輸入場(chǎng)的遠(yuǎn)場(chǎng)平面中進(jìn)行的。
10.根據(jù)權(quán)利要求4至8中任一項(xiàng)所述的方法，其中這些測(cè)量是在輸入場(chǎng)的圖像平面中進(jìn)行的。
11.根據(jù)權(quán)利要求4至8中任一項(xiàng)所述的方法，其中這些測(cè)量是在輸入場(chǎng)的任意平面中進(jìn)行的，假設(shè)該測(cè)量平面和輸入平面之間的關(guān)系是已知的。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的方法，其中該輸入場(chǎng)包括一個(gè)或多個(gè)脈沖信號(hào)，該輸入場(chǎng)的重構(gòu)包括對(duì)所述一個(gè)或多個(gè)脈沖信號(hào)中每一個(gè)的輪廓進(jìn)行重構(gòu)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中該測(cè)量系統(tǒng)包括一個(gè)具有該有效響應(yīng)函數(shù)的檢測(cè)器，該有效響應(yīng)函數(shù)對(duì)應(yīng)于一個(gè)時(shí)間頻率響應(yīng)。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13中任一項(xiàng)所述的方法，其中該時(shí)間頻率響應(yīng)定義了檢測(cè)器的一個(gè)上升時(shí)間，該上升時(shí)間比所述一個(gè)或多個(gè)脈沖中每一個(gè)的持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。
15.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述的提供表示該輸入場(chǎng)的稀疏度的數(shù)據(jù)包括一個(gè)基，所述輸入場(chǎng)在該基中是稀疏的。
16.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述的提供表示該輸入場(chǎng)稀疏度的數(shù)據(jù)包括將該輸入場(chǎng)變換成其在某個(gè)已知基中的稀疏表示形式。
17.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中該輸入場(chǎng)在一個(gè)通過(guò)線性或非線性變換連接到傅里葉域上的域內(nèi)是稀疏的。
18.根據(jù)權(quán)利要求15或16所述的方法，其中該輸入場(chǎng)在一個(gè)傅里葉域測(cè)量的實(shí)空間中是稀疏的。
19.根據(jù)權(quán)利要求15或16所述的方法，其中該輸入場(chǎng)在一個(gè)傅里葉域亦或?qū)嵖臻g中測(cè)量的一個(gè)二階導(dǎo)數(shù)域中是稀疏的。
20.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述表示該輸入場(chǎng)的稀疏度的數(shù)據(jù)具有該基的一種矩陣表示，所述信號(hào)在該基中是稀疏的。
21.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述輸入場(chǎng)具有一種非均勻相位。
22.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中稀疏矢量的所述確定包括該輸出場(chǎng)的非局部硬閾值化。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中所述非局部硬閾值化包括分配該稀疏矢量的多個(gè)去支持元素，所述分配包括將該稀疏矢量的低于一個(gè)固定閾值的每個(gè)元素及其相鄰元素一起置零。
24.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述處理包括該測(cè)量數(shù)據(jù)的一個(gè)初始解碼。
25.根據(jù)權(quán)利要求12至M中任一項(xiàng)所述的方法，其中該測(cè)量系統(tǒng)包括一個(gè)檢測(cè)單元，該檢測(cè)單元包括以下信號(hào)檢測(cè)器中的至少一個(gè)示波器、光電二極管、超快掃描照相機(jī)、頻率分辨光學(xué)門(mén)(FROG)、直接電場(chǎng)重構(gòu)頻譜干涉儀(SPIDER)、互相關(guān)頻率分辨光學(xué)門(mén) (XFROG)、GREN0UILLE 以及 TADPOLE。
26.根據(jù)權(quán)利要求12至25中任一項(xiàng)所述的方法，其中該測(cè)量系統(tǒng)被配置為執(zhí)行以下操作中的至少一個(gè)輸入信號(hào)與一個(gè)參考信號(hào)的互相關(guān)，其中該輸入場(chǎng)是所述互相關(guān)的結(jié)果； 以及輸入信號(hào)與自身的自相關(guān)，其中該輸入場(chǎng)是所述自相關(guān)的結(jié)果。
27.一種對(duì)輸入場(chǎng)進(jìn)行重構(gòu)的方法，該輸入場(chǎng)由一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)感測(cè)，該方法包括提供對(duì)應(yīng)于所述測(cè)量系統(tǒng)的輸出場(chǎng)的測(cè)量數(shù)據(jù)；提供有關(guān)該輸入場(chǎng)的稀疏度的數(shù)據(jù)，以及有關(guān)該測(cè)量系統(tǒng)的有效響應(yīng)函數(shù)的數(shù)據(jù)；并且基于所述有關(guān)該稀疏度以及有關(guān)該有效響應(yīng)函數(shù)的數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以便以高于該有效響應(yīng)函數(shù)的有效截頻的分辨率來(lái)對(duì)該輸入場(chǎng)進(jìn)行重構(gòu)。
28.一種對(duì)輸入場(chǎng)進(jìn)行重構(gòu)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括至少一個(gè)輸入端口，用于響應(yīng)于所述輸入場(chǎng)接收與某個(gè)測(cè)量系統(tǒng)產(chǎn)生的一個(gè)輸出信號(hào)相對(duì)應(yīng)的測(cè)量數(shù)據(jù)；并且用于接收表示該輸入場(chǎng)的稀疏度的數(shù)據(jù)，以及表示所述測(cè)量系統(tǒng)的有效響應(yīng)函數(shù)的數(shù)據(jù)；以及一個(gè)數(shù)據(jù)處理器實(shí)用程序，該處理器實(shí)用程序被預(yù)編程以對(duì)所接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理以便確定一個(gè)稀疏矢量，該稀疏矢量是所述測(cè)量數(shù)據(jù)、所述有關(guān)該輸入信號(hào)的稀疏度的數(shù)據(jù)以及所述有關(guān)該有效響應(yīng)函數(shù)的數(shù)據(jù)的函數(shù)，并且使用該稀疏矢量通過(guò)該稀疏矢量到該輸入場(chǎng)的原始基上的基轉(zhuǎn)換來(lái)對(duì)該輸入信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)。
29.根據(jù)權(quán)利要求觀所述的系統(tǒng)，其中該數(shù)據(jù)處理器實(shí)用程序被配置并可操作用于將該輸入場(chǎng)變換成其在某個(gè)已知基內(nèi)的稀疏表示。
30.根據(jù)權(quán)利要求觀或四所述的系統(tǒng)，其中所述重構(gòu)的輸入場(chǎng)具有高于所述有效響應(yīng)函數(shù)的有效截止頻率的分辨率。
31.根據(jù)權(quán)利要求觀或四所述的系統(tǒng)，其中所述數(shù)據(jù)處理器實(shí)用程序被配置為識(shí)別該輸入場(chǎng)具有均勻的或非均勻的相位。
32.根據(jù)權(quán)利要求觀至31中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述輸入場(chǎng)是一個(gè)光場(chǎng)，該輸出場(chǎng)對(duì)應(yīng)于該輸入場(chǎng)的一個(gè)圖像。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的系統(tǒng)，其中該輸出場(chǎng)對(duì)應(yīng)于該輸入場(chǎng)的遠(yuǎn)場(chǎng)圖像。
34.根據(jù)權(quán)利要求觀至33中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述重構(gòu)的輸入場(chǎng)具有多個(gè)小于該成像系統(tǒng)的衍射極限斑點(diǎn)的特征。
35.根據(jù)權(quán)利要求觀至34中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述表示該輸入場(chǎng)的稀疏度的數(shù)據(jù)包括所述輸入場(chǎng)在其內(nèi)是稀疏的一個(gè)基。
36.根據(jù)權(quán)利要求觀至35中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中該輸入場(chǎng)在通過(guò)線性或非線性變換連接到傅里葉域上的一個(gè)域中是稀疏的，該處理器實(shí)用程序被配置并可操作用于執(zhí)行所述線性或非線性變換。
37.根據(jù)權(quán)利要求觀至36中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中該輸入場(chǎng)在傅里葉域內(nèi)測(cè)量的實(shí)空間中是稀疏的。
38.根據(jù)權(quán)利要求觀至36中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中該輸入場(chǎng)在傅里葉域亦或在實(shí)空間域內(nèi)測(cè)量的一個(gè)二階導(dǎo)數(shù)域中是稀疏的。
39.根據(jù)權(quán)利要求觀至38中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述表示該輸入場(chǎng)的稀疏度的數(shù)據(jù)具有該基的一種矩陣表示，所述信號(hào)在該基內(nèi)是稀疏的。
40.根據(jù)權(quán)利要求觀至39中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述處理器被配置為通過(guò)將非局部硬閾值化應(yīng)用于該輸出場(chǎng)來(lái)確定該稀疏矢量，所述非局部硬閾值化包括分配該稀疏矢量的多個(gè)去支持元素，其中所述分配包括將該稀疏矢量的、低于一個(gè)固定閾值的每個(gè)元素及其相鄰元素一起置零。
41.根據(jù)權(quán)利要求觀至40中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述輸入場(chǎng)對(duì)應(yīng)于一個(gè)光輸入場(chǎng)。
42.根據(jù)權(quán)利要求觀至40中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述輸入場(chǎng)對(duì)應(yīng)于一個(gè)電子輸入場(chǎng)。
43.根據(jù)權(quán)利要求41或42所述的系統(tǒng)，其中該輸入場(chǎng)包括一個(gè)或多個(gè)脈沖，該重構(gòu)的場(chǎng)具有基本上與所述一個(gè)或多個(gè)脈沖中的每一個(gè)的輪廓相同的輪廓。
44.根據(jù)權(quán)利要求觀至43中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述處理器實(shí)用程序被配置為執(zhí)行所接收的測(cè)量數(shù)據(jù)的初始解碼。
45.根據(jù)權(quán)利要求44所述的系統(tǒng)，其中該測(cè)量系統(tǒng)包括對(duì)該輸入信號(hào)進(jìn)行編碼的一個(gè)編碼器實(shí)用程序。
46.根據(jù)權(quán)利要求41至45中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中該測(cè)量系統(tǒng)包括一個(gè)檢測(cè)單元，該檢測(cè)單元包括以下信號(hào)檢測(cè)器中的至少一個(gè)示波器、光電二極管、超快掃描照相機(jī)、頻率分辨光學(xué)門(mén)(FROG)、直接電場(chǎng)重構(gòu)頻譜干涉儀(SPIDER)、互相關(guān)頻率分辨光學(xué)門(mén) (XFROG)、GREN0UILLE 以及 TADPOLE。
47.權(quán)利要求41至46中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中該測(cè)量系統(tǒng)被配置為執(zhí)行以下操作中的至少一個(gè)輸入信號(hào)與一個(gè)參考信號(hào)的互相關(guān)，其中該輸入場(chǎng)是所述互相關(guān)的結(jié)果；并且輸入信號(hào)與自身的自相關(guān)，其中該輸入場(chǎng)是所述自相關(guān)的結(jié)果。
48.一種對(duì)輸入場(chǎng)進(jìn)行重構(gòu)的系統(tǒng)，該輸入場(chǎng)由一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)感測(cè)，該系統(tǒng)包括至少一個(gè)輸入端口，用于接收與某個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的輸出場(chǎng)相對(duì)應(yīng)的測(cè)量數(shù)據(jù)，并且用于接收有關(guān)該輸入場(chǎng)的稀疏度的數(shù)據(jù)以及有關(guān)該測(cè)量系統(tǒng)的有效響應(yīng)函數(shù)的數(shù)據(jù)；以及一個(gè)數(shù)據(jù)處理器實(shí)用程序，該數(shù)據(jù)處理器實(shí)用程序用于根據(jù)所述有關(guān)與該稀疏度以及有關(guān)該有效響應(yīng)函數(shù)的數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以便利用高于所述有效響應(yīng)函數(shù)的有效截頻的分辨率對(duì)該輸入場(chǎng)進(jìn)行重構(gòu)。
49.一種測(cè)量系統(tǒng)，包括一個(gè)成像系統(tǒng)，該成像系統(tǒng)定義了傳播到一個(gè)光檢測(cè)器的輸入場(chǎng)，以及一個(gè)控制單元，該控制單元具有用于對(duì)所述檢測(cè)器輸出的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的一個(gè)處理器實(shí)用程序，該實(shí)用程序被配置并可操作用于根據(jù)有關(guān)該輸入場(chǎng)的稀疏度的數(shù)據(jù)以及有關(guān)該成像系統(tǒng)的有效響應(yīng)函數(shù)的數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以便利用高于所述有效響應(yīng)函數(shù)的有效截頻的分辨率對(duì)該輸入場(chǎng)進(jìn)行重構(gòu)。
50.根據(jù)權(quán)利要求49所述的測(cè)量系統(tǒng)，其中所述成像系統(tǒng)被配置用于該輸入場(chǎng)的遠(yuǎn)場(chǎng)成像。
51.一種測(cè)量系統(tǒng)，包括一個(gè)檢測(cè)器，該檢測(cè)器具有由其有效截止頻率定義的某個(gè)時(shí)間響應(yīng)函數(shù)，并且被配置并可操作用于接收處于一個(gè)或多個(gè)脈沖形式的一個(gè)輸入場(chǎng)并用于產(chǎn)生表示它的測(cè)量數(shù)據(jù)；以及一個(gè)控制單元，該控制單元具有用于對(duì)該測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的一個(gè)處理器實(shí)用程序，該實(shí)用程序被配置并可操作用于根據(jù)有關(guān)該輸入場(chǎng)的稀疏度的數(shù)據(jù)以及有關(guān)所述時(shí)間響應(yīng)函數(shù)的數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以便利用高于所述時(shí)間響應(yīng)函數(shù)的有效截頻的分辨率對(duì)該測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)，由此能夠通過(guò)一個(gè)較慢的檢測(cè)器來(lái)對(duì)相對(duì)短的脈沖進(jìn)行重構(gòu)。
52.根據(jù)權(quán)利要求51所述的測(cè)量系統(tǒng)，其中該檢測(cè)器包括以下信號(hào)檢測(cè)器中的至少一個(gè)示波器、光電二極管、超快掃描照相機(jī)、頻率分辨光學(xué)門(mén)(FROG)、直接電場(chǎng)重構(gòu)頻譜干涉儀(SPIDER)、互相關(guān)頻率分辨光學(xué)門(mén)(XFROG)、GREN0UILLE以及TADPOLE。
53.根據(jù)權(quán)利要求51或52所述的測(cè)量系統(tǒng)，其中該測(cè)量系統(tǒng)被配置為執(zhí)行以下操作中的至少一個(gè)輸入信號(hào)與一個(gè)參考信號(hào)的互相關(guān)，其中該輸入場(chǎng)是所述互相關(guān)的結(jié)果；以及輸入信號(hào)與自身的自相關(guān)，其中該輸入場(chǎng)是所述自相關(guān)的結(jié)果。
全文摘要
在此提出了一種對(duì)輸入場(chǎng)進(jìn)行重構(gòu)的方法和系統(tǒng)，其中該輸入場(chǎng)由一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)感測(cè)。該方法包括提供對(duì)應(yīng)于所述測(cè)量系統(tǒng)的輸出場(chǎng)的測(cè)量數(shù)據(jù)；提供有關(guān)該輸入場(chǎng)的稀疏度的數(shù)據(jù)以及有關(guān)該測(cè)量系統(tǒng)的有效響應(yīng)函數(shù)的數(shù)據(jù)；并且根據(jù)所述已知數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，該處理包括根據(jù)所述測(cè)量數(shù)據(jù)、所述有關(guān)該輸入場(chǎng)的稀疏度的數(shù)據(jù)以及所述有關(guān)該測(cè)量系統(tǒng)的有效響應(yīng)函數(shù)的數(shù)據(jù)確定一個(gè)稀疏矢量；并且利用該稀疏矢量對(duì)輸入信息進(jìn)行重構(gòu)。本發(fā)明允許成像應(yīng)用中的次波長(zhǎng)分辨率，并且允許在某些其他應(yīng)用中通過(guò)慢檢測(cè)器檢測(cè)非常短的脈沖。
文檔編號(hào)G06T3/40GK102473286SQ201080030535
公開(kāi)日2012年5月23日 申請(qǐng)日期2010年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月8日
發(fā)明者亞歷山大·斯扎梅特, 奧倫·柯亨, 帕維爾·西多倫科, 斯尼爾·加齊特, 約尼納·埃爾達(dá), 約阿夫·什希特曼, 莫爾德?！と穹?申請(qǐng)人:工業(yè)研究與發(fā)展基金會(huì)有限公司