[发明专利]一种基于压缩感知的日像仪对日成像方法

说明书

技术领域

本发明属于天文观测仪器设计领域，具体涉及一种基于压缩感知的日像仪对日成像方法。

背景技术

1932年央斯基(Jansky KG)用无线电天线探测到来自银河系中心的射电辐射，这标志着人类打开了在传统光学波段之外进行观测的第一个窗口，从此开创了射电天文学。

射电天文的观测仪器统称为射电望远镜，专门用于太阳观测的射电望远镜称为太阳射电望远镜，简称日像仪。

日像仪是对太阳进行射电成像的大规模天线阵。任意相隔一定距离的两面天线构成一对相关干涉仪，从而可以采集到太阳图像域上的一对共轭点数据。当由m面天线构成天线阵时，不同间距的天线构成的m(m-1)/2对干涉仪可以采集到m(m-1)/2对共轭点数据，对这些有限的宝贵的数据采用某种图像重建算法即可得到太阳的亮度分布，即太阳图像。

现有的日像仪研制过程中均依据Nyquist采样理论，如密云综合孔径28x9米望远镜、青海德令哈13.7米毫米波望远镜、上海佘山25米射电望远和乌鲁木齐南山25米射电望远镜。

基于Nyquist采样理论的日像仪中的每面天线因为采集到的是太阳图像域的原始数据而非压缩数据，故数据的利用率较低，重建算法虽然可以在一定程度上提升图像质量，但要获得高分辨率的太阳图像，则需要大量的采样点进而需要大量的天线单元来对太阳进行采样。

在压缩感知理论中，信号的采样和压缩同时以低速率进行，而将信号的重建过程转化为优化求解的过程．从理论上讲任何信号都具有可压缩性，只要能找到其相应的变换基函数，就可以有效地进行压缩，这一理论自诞生之日就有着极强的生命力，已经对信号处理、理论数学、计算数学、计算机科学、信息论、概率论、电子工程等诸多领域产生了重要影响。

截至目前，关于压缩感知的研究已经十分丰富，关于日像仪的研究则少之又少，国内仅有二十篇左右的论文，所做研究基本上全部是基于Nyquist采样理论。关于日像仪方面的专利尚不能检索到一项。将压缩感知理论应用于日像仪研制，国外尚未有任何文献阐述，国内只有笔者写过一篇《压缩感知框架下的太阳图像重建方法》（西安电子科技大学学报，2013年第1期，76-80）的文章，但该文仅仅论述了太阳图像的数据后处理，而不是对日像仪的系统研究，即不包括天线单元设计与天线阵列拓扑设计。

日像仪的本质目的是对太阳进行射电成像，基于压缩感知的日像仪首先对太阳图像进行某种域上的压缩或变换，然后对压缩后的数据进行采样，最后利用优化算法对数据进行太阳图像重建。基于压缩感知的日像仪成像原理和基于Nyquist采样理论的日像仪成像原理主要区别如图1所示。

由于基于压缩感知的日像仪可以依据少量采集点即可恢复出太阳图像，这有效降低了天线阵天线单元的数目。换言之，依据相同数目的采样点数据，则可以获得更高质量的太阳图像。另外，由于日像仪每毫秒成一次像，每天会产生数T的数据，大量的数据对存储提出了较高要求。基于压缩感知的日像仪由于采集到的是压缩后的数据，在数据存储方面较之于基于Nyquist采样理论的日像仪具有明显优势。

发明内容

基于Nyquist采样理论的日像仪因对太阳原始信号进行采样，数据利用率低，进而影响了日像仪成像质量并对存储造成了一定的负担，本发明的目的是为了解决日像仪在研制和运行过程中出现的上述问题，提出一种基于压缩感知的日像仪对日成像方法。该方法每个天线采集到的是太阳图像经过某种压缩后的数据，通过优化算法对这些采样的压缩数据进行图像重建，最终得到太阳图像。

为实现上述目的，本发明提出的基于压缩感知理论的日像仪对日成像方法是通过如下技术方案实现的：

步骤一：以变换后尽可能稀疏为原则，确定太阳图像变换基函数；

为了实现采集到的数据是太阳图像经过某种压缩后的数据的目的，需要对太阳图像进行压缩，即对太阳信号进行稀疏表示，也就是将太阳图像表示成基函数的加权和。每个权重系数代表的含义为太阳信号包含对应基函数的数量。太阳图像经过稀疏表示后变成一组大部分为接近零的权重系数。日像仪天线阵只需采集权重系数比较大的值即可，从而实现采样点数目的下降，即天线单元数目的降低。

步骤二：依据变换基函数设计天线阵天线单元；