光学计算系统技术方案

一种光学分析系统（４４），该系统包括光学滤波器装置（５２），其设置成接收光源（４６）的光，并设计成将所述光携带的数据光学压缩成所述光的至少一个正交的光分量。一检测器装置（５６）与光学滤波器装置相联，测量所述至少一个正交分量的特性，以测量所述数据。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种光谱分析系统。更具体地说，本专利技术涉及对光载数据的压缩进行改进，以获取光信息。光通过数据来传送信息。例如，当光与物体相互作用时，带走了有关物体物理、化学特性的信息。光的特性，如密度是可以进行测量和分析的，从而能够得到与其相互作用的物体的信息。也就是说，光通过其密度所携带的数据是可以进行测量的，而推出有关物体的信息。类似地，在光学通讯系统中，处理光数据，并在光缆等光学传输介质上传送信息。收到光信号后，测量数据，而推出信息。一般地说，简单地测量光密度难以转换成信息，因为这里面很可能含有干扰数据。即，有多种因素会影响光密度，甚至在很受限制的波长范围内。通常不可能充分地测量有关其中一个因素的数据，因为并不知道其他因素的影响。然而，从光中推出信息是可能的。例如，通过将来自多个样本的光分成多个波长段，然后对这些段的密度针对每个样本所需信息的传统测量结果进行多元线性回归，从而得到估计的结果。例如，对聚合物进行照射，那么来自该聚合物的光中就载有样本乙烯含量等信息。从多个样本的每一个来的光被引向一系列带通滤波器中，这些滤波器将光分成预定的波长段。带通滤波器后面的光检测器测量各光段的密度。如果用传统的方法测量出了各聚合物样本的乙烯含量，则对10个测得的带通密度针对测量出来的每个样本的乙烯含量进行多元线性回归，得出下述方程y＝a0+a1w1+a2w2+......+a10w10(方程1)其中，y为乙烯含量，an为用回归分析确定的常数，wn为各波长段的密度。方程1能够用来估计同一聚合物类型的随后样本的乙烯含量。然而，根据不同环境，由于乙烯以外的其他因素也能够影响波长段的密度，因此，这种估计的偏差不能接受。这些其他因素并不是按照与乙烯相一致的方式从一个样本到另一个样本时发生变化。通过把光载数据压缩成基本分量，能够得到更准确的估计。为了获得基本分量，例如可以从同一类型的聚合物被照亮的样本中，对同一类型光的各种样本收集光谱数据。例如，可以用光谱仪把光样本扩展成波长光谱，这样就能够测量各波长上各光样本的幅值。然后组合数据并进行称为单值分解(SVD)的线性代数处理。SVD是基本分量分析的核心，在该技术中应给予很好的理解。简单地说，基本分量分析是一种缩维技术，具有带n个独立变量的m个光谱，并构建一组新的特征向量，这些特征向量是各原始变量的线性组合。这些特征向量可以认为是新的一组绘制轴线。主轴，即第一基本分量，是描述数据可变性主要部分的向量。后面的基本分量连续地描述更少的样本可变性，直到由更高阶的基本分量仅仅描述出噪音。一般地，基本分量被确定为正交的向量。光样本的每一个分量都可以表达成xnzn，其中，xn是标量乘数，而zn是第n个分量的正交分量向量。即，zn是多维空间的向量，每一个波长是一维。应该很好理解的是，正交确定了各波长处分量的值，使分量保持其形状，并且基本分量向量的长度为1。因此，每一个正交分量向量都具有一个形状和幅值，使这些分量能够用作具有这些基本分量的全部光样本的基本构建单元。于是，各光样本都能按下述方式由正交的基本分量乘以适当的标量乘数的组合来描述x1z1+x2z2+......+xnzn如果基本分量理解为具有正交化后的标准化幅值，标量乘数xn就可以理解为给定光样本中基本分量的幅值。因为基本分量正交，所以它们能够用于比较简单的数学方法，把光样本分解成分量幅值，这些分量幅值能准确地描述原始样本中的数据。由于原始光样本也可以理解为多维波长空间中的向量，则原始信号向量与基本分量向量的点积就是原始信号在正交分量向量方向上的幅值。即该点积是原始信号中标准基本分量的幅值。这与将三维笛卡尔空间的向量分成X、Y、Z分量相类似。假定轴向量的幅值为1，则三维向量与每个轴向量的点积为该三维向量在这三个方向上的幅值。原始信号与不垂直于其他三维的某些向量的点积，由于其幅值已经由正交轴中的两个或多个确定，而产生了冗余数据。因为基本分量彼此正交或者垂直，所以任何一个基本分量与其他任何一个基本分量的点积或直积为零。从物理意义上讲，这意味着这些分量彼此不相干。当数据变化而改变了原始光信号中一个分量时，其他分量不变。在相类似的笛卡尔例子中，三维向量中X分量的减少并不影响Y、Z分量的幅值。基本分量分析提供了能准确描述光样本携带的数据的最少的正交分量。这样，在数学的意义上，基本分量是原始光的分量，彼此不相干，代表了整个光载数据的最简洁的描述。从物理上讲，每个基本分量是形成原始光信号一部分的光信号。在原始光波范围内的一些光波段每个都有一形状。如果每个分量都有一个适当的幅值，则基本分量的和构成了该原始信号。基本分量包括了全部光信号携带的数据的压缩。在物理意义上，基本分量的形状和波长范围描述了在全部光信号中有什么样的数据，而分量幅值描述了有多少这样的数据。如果多个光样本含有类型相同但数量不同的数据，那么，就能仅用一组基本分量通过给分量加上适当幅值来准确地描述每个光样本(噪音除外)。基本分量可以用来准确地估计光载信息。例如，假定有某一品牌的汽油样本，当照射样本时所发出的光具有相同的基本分量。用光谱仪展开每个光样本而生成波长光谱，其形状随不同的汽油样本而不同。不同之处，例如辛烷值或铅含量的不同，可能是由多种因素中的任何一种造成的。样本光谱的不同可以描述成基本分量幅值的不同。例如，汽油样本有四个基本分量，一个样本中这些分量的幅值xn是J、K、L和M，下一个样本中的幅值为0.94J、1.07K、1.13L和0.86M。如上所述，一旦确定了基本分量，这些幅值就能准确地描述其对应的光样本。要求周期性地测量产品中辛烷值的提炼厂从分量幅值上就可以推出辛烷信息。辛烷值可能依赖于这些分量中的不只一个中的数据。辛烷值也可以通过传统的化学分析方法确定。因此，如果测量了每个汽油样本的分量幅值和辛烷值，就可以针对辛烷值对分量幅值进行多元线性回归分析，而生成如下的方程y＝a0+a1x1+a2x2+a3x3+a4x4(方程2)其中，y是辛烷值，an是回归分析确定的常数，x1、x2、x3、x4分别为第一、二、三、四基本分量幅值。方程2可以看成是回归向量，提炼厂利用该方程就能准确地估计后面汽油样本的辛烷值。传统的系统根据光谱仪对光样本按波长的测量利用计算机进行回归向量计算。光谱仪系统把光样本展开成光谱，并在光谱波长范围内测量各波长处的光密度。如果采用方程2的回归向量形式，计算机就读取密度数据，并通过确定整个信号与各分量的点积把光样本分解成基本分量幅值xn。然后把分量幅值代入回归方程以确定辛烷值。不过，为了简化上述过程，一般将回归向量转换成波长函数的形式，因此只进行一次点积运算。每个标准基本向量zn在全部或部分整个波长范围内有一个值。如果每个分量向量的每个波长值都乘以一个与分量向量相对应的回归常数an，并且将最终的加权的基本分量按波长相加，则回归矢量的形式如下y＝a0+b1u1+b2u2+......+bnun(方程3)其中，y是辛烷值，a0是从方程2得到的第一回归常数，bn是方程2中各回归常数an与其对应的波长n处正交回归向量值的乘积的和，un是光样本在波长n处的密度。因此，新常数定义了波长空间内能直接描述辛烷值的向量。方程3形式的回归向量代表光样本与该向量的点积。基本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光学分析系统，该系统包括光学滤波器装置，其设置成接收光源的光，并设计成将所述光携带的数据光学压缩成所述光的至少一个正交的光分量。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：迈克尔L迈里克，马修P纳尔逊，卡尔S布克什，
申请(专利权)人：南卡罗来纳大学，
类型：发明
国别省市：US[美国]