[发明专利]光学计算系统

说明书

本发明涉及一种光谱分析系统。更具体地说，本发明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，a_n为用回归分析确定的常数，w_n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x_nz_n，其中，x_n是标量乘数，而z_n是第n个分量的正交分量向量。即，z_n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+......+x_nz_n

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x_n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。