專利名稱：基于數(shù)字鎖相解復(fù)用的多通道單光子計(jì)數(shù)測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)測(cè)量領(lǐng)域，具體涉及一種基于數(shù)字鎖相解復(fù)用的多通道單光子計(jì) 數(shù)測(cè)量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著社會(huì)的進(jìn)步，人類對(duì)自身的健康越來(lái)越重視，和健康有關(guān)的檢測(cè)手段以及早 期診斷和診治的方法也逐漸為人們所重視。光學(xué)相關(guān)的檢測(cè)和診療手段，具備高分辨率、多 參數(shù)和高時(shí)空分辨等優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)療診斷方面又具有微創(chuàng)甚至無(wú)創(chuàng)、無(wú)電離的優(yōu)點(diǎn)。因此，光 學(xué)相關(guān)方法在醫(yī)學(xué)診斷和治療中的有廣泛的應(yīng)用前景。
生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)是在組織光學(xué)這一理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的光醫(yī)學(xué)和光生物學(xué)。組 織光學(xué)可以理解為是關(guān)于光輻射與生物組織相互作用的學(xué)問(wèn)，基本研究方面首先包括研究 光輻射能量在一定條件下在組織體內(nèi)的分布，其次是發(fā)展在體組織光學(xué)的測(cè)量方法。以生 物醫(yī)學(xué)光子學(xué)為基礎(chǔ)的光診斷和光治療中，生物組織光學(xué)特性在光與組織體的相互作用中 扮演著重要的角色。如何確定生物組織體的光學(xué)參數(shù)，包括吸收系數(shù)、散射系數(shù)、各向異性 因子、以及組織的光學(xué)穿透深度，具有非常重要的研究意義。擴(kuò)散光學(xué)層析成像(DOT)技術(shù)，俗稱光CT，這項(xiàng)技術(shù)可被視為發(fā)展已相對(duì)成熟的 組織擴(kuò)散光譜技術(shù)(Diffuse Optical Spectroscopy, DOS)的一個(gè)重要擴(kuò)展。DOT應(yīng)用對(duì) 象為對(duì)高散射的器官組織，用來(lái)實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)厚度的組織光學(xué)信息探測(cè)。近年的研究成果表 明，近紅外擴(kuò)散光學(xué)檢測(cè)技術(shù)具有極大的實(shí)際應(yīng)用潛力，重要應(yīng)用包括乳房腫瘤早期診斷、 新生兒腦發(fā)育監(jiān)護(hù)、腦功能成像和光動(dòng)力療法反應(yīng)信息獲取等諸多重要領(lǐng)域。在這些領(lǐng)域， 或是現(xiàn)有成像模態(tài)的應(yīng)用因安全性，特異性和環(huán)境適應(yīng)性等多方面的缺陷受到嚴(yán)重制約， 或是尚無(wú)有效的檢測(cè)方法。DOT作為一種基于組織體生化功能信息的無(wú)創(chuàng)檢測(cè)技術(shù)，則提供 了上述醫(yī)學(xué)診斷應(yīng)用的最有效的解決方案。經(jīng)過(guò)近十年的努力，DOT在成像原理和測(cè)量系統(tǒng) 研制等方面均取得了突破。世界各相關(guān)實(shí)驗(yàn)室均裝備有基于連續(xù)光、頻域或時(shí)域等三種主 要測(cè)量模式的DOT系統(tǒng)，圍繞各自關(guān)心的基礎(chǔ)和應(yīng)用問(wèn)題開(kāi)展研究并正取得積極成果。近 年來(lái)，擴(kuò)散光學(xué)成像的研究重點(diǎn)已從追求高空間分辨轉(zhuǎn)向高特異功能成像方面。將光學(xué)成 像技術(shù)與現(xiàn)有醫(yī)學(xué)成像方法相互結(jié)合可大大提高醫(yī)學(xué)無(wú)創(chuàng)檢測(cè)的特異性和準(zhǔn)確性。權(quán)威部 門預(yù)測(cè)，以DOT為代表的光CT技術(shù)將逐漸成熟并進(jìn)入正式臨床應(yīng)用階段，成為現(xiàn)有醫(yī)用檢 測(cè)手段的一個(gè)極為有益的補(bǔ)充。組織體的在體光學(xué)參數(shù)測(cè)量通常采用間接法，首先是利用實(shí)驗(yàn)測(cè)量獲得組織體表 面的漫反射光的時(shí)-空分布，因?yàn)楫?dāng)光入射到組織時(shí)，光在組織內(nèi)不斷的被散射和吸收，其 表面漫反射光攜帶了組織內(nèi)部的光學(xué)特征信息，其時(shí)_空分布由組織的吸收和散射等光學(xué) 特性所決定。其次，根據(jù)均質(zhì)條件下擴(kuò)散理論或蒙特卡洛模擬獲得表面光流時(shí)_空分布及 其特征參數(shù)，并與相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合(或匹配)，重構(gòu)出被測(cè)組織域的光學(xué)參數(shù)。在 體測(cè)量技術(shù)依據(jù)人體不同組織所特有的光學(xué)特性實(shí)時(shí)鑒別和診斷出被檢組織所處的不同 生理狀態(tài)，包括正常組織、良性病變組織、早期癌變組織、動(dòng)脈粥樣硬化和組織的功能狀態(tài)等，從而實(shí)現(xiàn)組織病理的早期診斷。這在臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用中具有重大意義和實(shí)用價(jià)值。DOT的實(shí)現(xiàn)需要測(cè)量多點(diǎn)激勵(lì)下表面其他各點(diǎn)的光流分布。在多個(gè)源和多個(gè)探測(cè) 器的情況下，每一個(gè)探測(cè)點(diǎn)的輸出是所有源激勵(lì)下所產(chǎn)生的測(cè)量值的疊加。而在層析成像 中，要求每個(gè)源_探測(cè)位置下的信號(hào)能夠被分離開(kāi)來(lái)用于重建，因此必須要通過(guò)對(duì)源進(jìn)行 編碼以得到合適的信號(hào)。時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)和頻分多路復(fù)用技術(shù)是常見(jiàn)的兩種編碼技術(shù)。 目前大多數(shù)DOT系統(tǒng)中廣泛采用時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)。這種系統(tǒng)大多采用光開(kāi)關(guān)控制，分時(shí) 將不同波長(zhǎng)的近紅外光導(dǎo)入測(cè)量系統(tǒng)，依次測(cè)量對(duì)應(yīng)于不同入射光的漫射光信息，進(jìn)而反 構(gòu)出組織體光學(xué)圖像。這種方法雖然可以避免不同波長(zhǎng)光信號(hào)同時(shí)照射組織體時(shí)相互之間 的干擾，但也增加了測(cè)量時(shí)間，不利于光學(xué)參數(shù)快速實(shí)時(shí)檢測(cè)，同時(shí)切換通道也會(huì)引入不必 要的測(cè)量誤差。由于多數(shù)實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用場(chǎng)合為在體測(cè)量，安全起見(jiàn)，所使用的近紅外光源的功 率通常限制在毫瓦級(jí)甚至更小的水平，當(dāng)光經(jīng)被測(cè)組織體衰減之后，出射的光通常的很微 弱，這就對(duì)探測(cè)器的靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍和噪聲特性提出了較高的要求。如果采用連續(xù)工作方 式的探測(cè)器，如光電二極管等等，然后進(jìn)行后級(jí)放大和采樣，這種方法靈敏度低，對(duì)噪聲的 抑制較差，在一定程度上影響了測(cè)量結(jié)果的精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有測(cè)量方法的不足，提出了一種基于數(shù)字鎖相解復(fù)用的多通道單光 子計(jì)數(shù)測(cè)量方法。本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案一種基于數(shù)字鎖相解復(fù)用的多通道單光子計(jì)數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，包括光源部分、探測(cè)部 分、數(shù)字電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、通信電路和計(jì)算機(jī)，其中，光源部分，包括至少兩組調(diào)制器和激光二極管以及將各個(gè)激光二極管輸出的激光 耦合到一束光纖中的光纖耦合器；探測(cè)部分，包括光纖探頭，單光子計(jì)數(shù)的光電倍增管和甄別與整型電路，其中，光 纖探頭，用來(lái)把從被測(cè)物體出射的微弱漫射光耦合到光電倍增管，由光電倍增管輸出的電 脈沖經(jīng)過(guò)甄別與整型電路處理后獲得矩形脈沖信號(hào)；數(shù)字電路，包括總控制模塊、發(fā)送模塊、通信模塊和至少兩個(gè)數(shù)字鎖相模塊，其中， 總控制模塊，用于與計(jì)算機(jī)交互獲取測(cè)量過(guò)程的運(yùn)行參數(shù)，控制整個(gè)數(shù)字電路工作的節(jié)拍 和時(shí)間；每組調(diào)制器和激光二極管與一個(gè)數(shù)字鎖相模塊相對(duì)應(yīng)，每個(gè)數(shù)字鎖相模塊包括數(shù) 字正弦發(fā)生模塊和數(shù)字鎖相解復(fù)用部分，各個(gè)數(shù)字鎖相模塊的數(shù)字正弦發(fā)生模塊所產(chǎn)生的 頻率各不相同的數(shù)字正弦，一方面通過(guò)數(shù)字模擬電路轉(zhuǎn)換成模擬正弦信號(hào)后被送入相應(yīng)的 調(diào)制器，用以調(diào)制不同頻率的輸出激光，一方面作為數(shù)字鎖相解復(fù)用部分的輸入，由數(shù)字鎖 相解復(fù)用部分在探測(cè)部分生成的矩形脈沖信號(hào)的觸發(fā)下，通過(guò)鎖相解調(diào)運(yùn)算，分離提取各 個(gè)頻率所在測(cè)量通道的數(shù)據(jù)；通信電路，用來(lái)完成數(shù)字電路與計(jì)算機(jī)直接的交互，以實(shí)現(xiàn)操作人員通過(guò)計(jì)算機(jī) 對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的控制；計(jì)算機(jī)，控制測(cè)量系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)和起至，接收數(shù)字鎖相解復(fù)用后分離提取的數(shù) 據(jù)，得到每個(gè)光源對(duì)應(yīng)的出射光強(qiáng)信息。作為進(jìn)一步的實(shí)施方式，所述的數(shù)字鎖相解復(fù)用部分包括
交替工作的A累加器和B累加器，在每個(gè)單光子脈沖的觸發(fā)下，將該時(shí)刻數(shù)字正弦 發(fā)生模塊輸出的正弦值累加至A或者B，累加一定時(shí)間T之后停止累加，累加結(jié)果輸出到平 方根模塊，然后清零，同時(shí)，另一累加器開(kāi)始進(jìn)行累加，以此類推；平方根模塊，由中間變量進(jìn)行平方根運(yùn)算得到運(yùn)算結(jié)果；
FIFO模塊，運(yùn)算結(jié)果暫存在其中，按照先進(jìn)先出的順序讀寫；寫FIFO模塊，將平方根運(yùn)算結(jié)果寫入FIFO模塊；鎖相控制模塊，控制所述的數(shù)字鎖相模塊的各個(gè)模塊工作的邏輯和節(jié)拍。本發(fā)明使用被不同頻率調(diào)制的多個(gè)近紅外光源同時(shí)照射組織體，經(jīng)單光子計(jì)數(shù)探 測(cè)器和數(shù)字電路進(jìn)行鎖相解復(fù)用，同時(shí)得到各個(gè)光源通道對(duì)應(yīng)的出射光強(qiáng)。本發(fā)明采用單 光子計(jì)數(shù)探測(cè)器進(jìn)行弱光探測(cè)靈敏度高，動(dòng)態(tài)范圍大，而且輸出脈沖為數(shù)字形式，便于和數(shù) 字處理系統(tǒng)銜接；采用的數(shù)字鎖相解復(fù)用技術(shù)，既具有鎖相放大技術(shù)的特點(diǎn)，適用于弱光檢 測(cè)，又是正交鎖相解調(diào)技術(shù)，能夠?qū)⒍囝l率復(fù)用的信號(hào)解復(fù)用，還原為獨(dú)立的測(cè)量結(jié)果。從 而，本發(fā)明在縮短測(cè)量時(shí)間的同時(shí)降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，增加了電路靈活性，減少了由于通道 切換帶來(lái)的測(cè)量誤差。具體而言，本發(fā)明的主要特點(diǎn)如下(1)本發(fā)明采用數(shù)字鎖相解復(fù)用方法，實(shí)現(xiàn)在多光源同時(shí)入射時(shí)的光強(qiáng)測(cè)量，克服 了多光源時(shí)分復(fù)用方法的測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，通道切換產(chǎn)生誤差的缺點(diǎn)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)構(gòu)成。(2)本發(fā)明采用光電倍增管單光子計(jì)數(shù)方法探測(cè)微弱光，靈敏度高，動(dòng)態(tài)范圍大， 信噪比高，受環(huán)境影響較小。(3)本發(fā)明采用的數(shù)字鎖相解調(diào)方法和單光子計(jì)數(shù)方式緊密結(jié)合，光電信號(hào)及數(shù) 據(jù)處理算法為離散形式，便于采用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)。(4)本發(fā)明采用CORDIC算法計(jì)算正弦三角函數(shù)和平方根，只需要加減和移位運(yùn) 算，避免了乘除、開(kāi)方、三角函數(shù)等等復(fù)雜運(yùn)算的直接計(jì)算，比查表法速度更快，采樣點(diǎn)更 多，便于用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，提高了精度。(5)本發(fā)明采用的數(shù)字電路可用FPGA等可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)，相比與其他解決方 案，便于實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展本發(fā)明中多個(gè)通道并行處理的系統(tǒng)，有效降低了成本。系統(tǒng)集成度高， 外圍電路較簡(jiǎn)單，有效減少了噪聲引入點(diǎn)。(6)本發(fā)明采用的數(shù)字電路可用FPGA等可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)，可移植性和擴(kuò)展性好， 并有強(qiáng)大的智能化開(kāi)發(fā)工具支持，通過(guò)軟件升級(jí)即可完成功能升級(jí)和優(yōu)化，無(wú)需硬件改動(dòng)。


圖1 單光子計(jì)數(shù)數(shù)字鎖相解復(fù)用的多通道測(cè)量系統(tǒng)框圖；圖2 光源部分結(jié)構(gòu)框圖；圖3:探測(cè)部分結(jié)構(gòu)框圖；圖4 數(shù)字電路結(jié)構(gòu)框圖；圖5 數(shù)字電路中的數(shù)字鎖相模塊結(jié)構(gòu)框圖；圖6 本發(fā)明采用的程序流程圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供了一種基于單光子計(jì)數(shù)和數(shù)字鎖相的多通道光學(xué)參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)量方法。本發(fā)明的核心是對(duì)頻分多路復(fù)用的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字鎖相解復(fù)用。本發(fā)明提出基于數(shù)字鎖相的多通道測(cè)量系統(tǒng)，組成框圖見(jiàn)圖1，包括一、光源部分，組成框圖見(jiàn)圖2，主要包括N組調(diào)制器和激光二極管，以及光纖耦合 器。N的數(shù)量隨系統(tǒng)需求而定。(1)調(diào)制器，用來(lái)驅(qū)動(dòng)激光器，根據(jù)輸入的模擬信號(hào)波形調(diào)整驅(qū)動(dòng)電流，從而對(duì)激 光進(jìn)行振幅調(diào)制。
(2)激光二極管，產(chǎn)生特定波長(zhǎng)的激光。(3)光纖耦合器，將若干不同波長(zhǎng)的激光耦合到一束光纖中，形成復(fù)合光源。二、探測(cè)部分，用光纖探頭將從組織體出射的微弱的漫射光耦合到單光子計(jì)數(shù)的 光電倍增管，轉(zhuǎn)換所得電信號(hào)按照一定的要求處理之后得到規(guī)則的矩形電脈沖信號(hào)。探測(cè) 部分組成框圖見(jiàn)圖3，主要包括光纖探頭，單光子計(jì)數(shù)的光電倍增管，甄別與整型電路。(1)光纖探頭，用來(lái)把從被測(cè)物體出射的微弱漫射光耦合到光電倍增管的探測(cè)極。(2)單光子計(jì)數(shù)的光電倍增管，工作在單光子計(jì)數(shù)狀態(tài)，將入射光子轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒} 沖。(3)甄別與整型電路，將電脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)甄別電路和整型電路處理，得到規(guī)則的矩 形脈沖信號(hào)，提供給數(shù)字電路中的數(shù)字鎖相模塊。三、數(shù)字電路，用來(lái)與計(jì)算機(jī)進(jìn)行交互，設(shè)定測(cè)量系統(tǒng)的工作參數(shù)，產(chǎn)生特定頻率 的數(shù)字正弦，并接收探測(cè)部分提供的電脈沖以實(shí)現(xiàn)數(shù)字鎖相解復(fù)用，計(jì)算得到欲測(cè)量的各 個(gè)通道的幅度。數(shù)字電路是本發(fā)明實(shí)現(xiàn)多通道數(shù)字鎖相解復(fù)用的核心。數(shù)字電路的電路框 圖見(jiàn)圖4，主要包括(1)數(shù)字鎖相模塊，每個(gè)通道模塊負(fù)責(zé)產(chǎn)生某一個(gè)特定頻率的數(shù)字正弦，并對(duì)復(fù)用 信號(hào)進(jìn)行數(shù)字鎖相解復(fù)用，分離提取得到該頻率所在測(cè)量通道的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行緩存，以待 其他模塊讀取和發(fā)送。數(shù)字鎖相模塊的數(shù)量為N，與復(fù)用的入射光源數(shù)量相等。下面將對(duì)該 模塊進(jìn)行詳細(xì)介紹。(2)總控制模塊，與計(jì)算機(jī)交互獲取測(cè)量過(guò)程的運(yùn)行參數(shù)，控制整個(gè)數(shù)字電路各部 分工作的節(jié)拍和時(shí)間。(3)發(fā)送模塊，按照一定順序依次把N個(gè)數(shù)字鎖相模塊中暫存的結(jié)果傳送給通信 模塊。(4)通信模塊，與通信電路進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。四、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，用來(lái)將數(shù)字電路中產(chǎn)生的數(shù)字正弦轉(zhuǎn)換成模擬正弦波，以提供 給光源部分進(jìn)行振幅調(diào)制。五、通信電路，用來(lái)完成數(shù)字電路與計(jì)算機(jī)直接的交互，以實(shí)現(xiàn)操作人員通過(guò)計(jì)算 機(jī)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的控制。六、計(jì)算機(jī)，接收數(shù)字鎖相解復(fù)用后分離的數(shù)據(jù)，得到測(cè)量結(jié)果并進(jìn)行顯示。本發(fā)明的數(shù)字鎖相解復(fù)用運(yùn)算在數(shù)字鎖相模塊中實(shí)現(xiàn)。數(shù)字鎖相模塊的電路組成 見(jiàn)圖5，主要包括(1)數(shù)字正弦發(fā)生模塊，產(chǎn)生頻率可控的數(shù)字正弦波形。其中相位控制模塊根據(jù)預(yù) 設(shè)頻率以一定速率產(chǎn)生均勻遞增的全周期相位值；CORDIC模塊計(jì)算出給定相位值的正余 弦值。
(2) A累加器和B累加器，AB交替工作，在每個(gè)單光子脈沖的觸發(fā)下，將該時(shí)刻數(shù)字正弦發(fā)生模塊輸出的正弦值累加至A或者B，累加一定時(shí)間T之后停止累加，累加結(jié)果輸出 到平方根模塊，然后清零，同時(shí)，另一累加器開(kāi)始進(jìn)行累加，以此類推。(3)平方根模塊，由中間變量進(jìn)行平方根運(yùn)算得到結(jié)果。(4)先進(jìn)先出(FIFO)模塊，結(jié)果暫存在其中，按照先進(jìn)先出的順序讀寫。(5)寫FIFO模塊，將平方根運(yùn)算結(jié)果寫入FIFO。(6)鎖相控制模塊，控制數(shù)字鎖相模塊中各部分工作的邏輯和節(jié)拍。數(shù)字鎖相解復(fù)用運(yùn)算是本發(fā)明的核心。鎖相解調(diào)又叫正交IQ解調(diào)，可以用傅里葉 級(jí)數(shù)進(jìn)行解釋。頻分復(fù)用的光源信號(hào)是一個(gè)傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)形式，傅里葉系數(shù)Xi和Yi可 由歐拉公式計(jì)算得到，交流幅度Ai是Xi和Yi的平方根。本發(fā)明用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)上述鎖相 解復(fù)用運(yùn)算。數(shù)字電路部分可以用可編程邏輯器件如FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且在對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí) 時(shí)，可以通過(guò)對(duì)可編程邏輯器件進(jìn)行軟件升級(jí)來(lái)完成。本發(fā)明的測(cè)量系統(tǒng)的具體工作步驟是(1)所有設(shè)備上電后，計(jì)算機(jī)程序與數(shù)字電路中的控制模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，設(shè)定電 路中生成正弦波的頻率、鎖相模塊的累加周期等相關(guān)參數(shù)。(2)數(shù)字正弦發(fā)生模塊產(chǎn)生特定頻率的數(shù)字正弦值，一方面?zhèn)魉偷綌?shù)模轉(zhuǎn)換電路， 產(chǎn)生不同頻率的模擬正弦波，利用激光調(diào)制器分別對(duì)不同波長(zhǎng)的激光二極管進(jìn)行振幅調(diào) 制。調(diào)制后的激光光強(qiáng)可表示為(t) = D1 + B1 cos(2;rff + φ^ i = 1,2......η其中，D為直流分量，B為交流幅度。另一方面，數(shù)字正余弦值傳送到累加器A和B中作為加數(shù)。(3)用耦合器將被調(diào)制的激光耦合入一束光纖中，并作為光源入射到組織體。復(fù)合 光源光強(qiáng)為若干不同頻率正弦波的疊加，可表示為<formula>formula see original document page 7</formula>
(4)用光纖探頭將從組織體出射的微弱漫射光耦合到單光子計(jì)數(shù)的光電倍增管， 經(jīng)甄別和整型電路輸出矩形電脈沖。單位時(shí)間內(nèi)電脈沖數(shù)目與入射光子數(shù)成正比。根據(jù)組 織光學(xué)的理論，光經(jīng)過(guò)組織體的過(guò)程中，漫射光會(huì)發(fā)生光強(qiáng)的衰減和相位的延遲。因此，單 位時(shí)間內(nèi)電脈沖數(shù)目隨時(shí)間的變化可表示為，
<formula>formula see original document page 7</formula>
(5)電脈沖輸入到每個(gè)數(shù)字鎖相模塊中的累加器A和B，作為觸發(fā)信號(hào)。每個(gè)電脈 沖到來(lái)時(shí)，正余弦累加寄存器分別增加當(dāng)前輸入的數(shù)字正余弦值，數(shù)字正余弦值是隨時(shí)間 變化的，不同數(shù)字鎖相模塊中的數(shù)字正余弦頻率不同。累加器A和B以一次測(cè)量時(shí)間T為 周期交替工作，A進(jìn)行累加的時(shí)間內(nèi)B將前一次累加的結(jié)果輸出到平方根模塊，計(jì)算得光強(qiáng) 值，并由寫FIFO模塊將其緩存進(jìn)FIFO中，然后將累加器B清零。反之亦然。其中，T為積 分時(shí)間，應(yīng)保證所有頻率為fi(i = 1,2……η)的三角正弦函數(shù)在T上保持正交性，即取T為幾個(gè)正弦波周期的公倍數(shù)。(6)數(shù)字電路中的發(fā)送模塊依次從各個(gè)數(shù)字鎖相模塊中的FIFO中讀取計(jì)算結(jié)果， 輸出到通信模塊。通信模塊控制USB通信電路，將計(jì)算結(jié)果發(fā)送到計(jì)算機(jī)。(7)在計(jì)算機(jī)中編寫計(jì)算機(jī)程序接收A的值，做數(shù)據(jù)分析并實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。程序流 程圖如圖6。本發(fā)明公開(kāi)和揭示的所有組合和方法可通過(guò)借鑒本文公開(kāi)內(nèi)容產(chǎn)生，盡管本發(fā)明 的組合和方法已通過(guò)詳細(xì)實(shí)施過(guò)程進(jìn)行了描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員明顯能在不脫離本發(fā) 明內(nèi)容、精神和范圍內(nèi)對(duì)本文所述的方法和裝置進(jìn)行拼接或改動(dòng)，或增減某些部件，更具體 地說(shuō)，所有相類似的替換和改動(dòng)對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的，例如對(duì)不同入射位 置的光源進(jìn)行調(diào)制編碼，他們都被視為包括在本發(fā)明精神、范圍和內(nèi)容之中。
權(quán)利要求
一種基于數(shù)字鎖相解復(fù)用的多通道單光子計(jì)數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，包括光源部分、探測(cè)部分、數(shù)字電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、通信電路和計(jì)算機(jī)，其中，光源部分，包括至少兩組調(diào)制器和激光二極管以及將各個(gè)激光二極管輸出的激光耦合到一束光纖中的光纖耦合器；探測(cè)部分，包括光纖探頭，單光子計(jì)數(shù)的光電倍增管和甄別與整型電路，其中，光纖探頭，用來(lái)把從被測(cè)物體出射的微弱漫射光耦合到光電倍增管，由光電倍增管輸出的電脈沖經(jīng)過(guò)甄別與整型電路處理后獲得矩形脈沖信號(hào)；數(shù)字電路，包括總控制模塊、發(fā)送模塊、通信模塊和至少兩個(gè)數(shù)字鎖相模塊，其中，總控制模塊，用于與計(jì)算機(jī)交互獲取測(cè)量過(guò)程的運(yùn)行參數(shù)，控制整個(gè)數(shù)字電路工作的節(jié)拍和時(shí)間；每組調(diào)制器和激光二極管與一個(gè)數(shù)字鎖相模塊相對(duì)應(yīng)，每個(gè)數(shù)字鎖相模塊包括數(shù)字正弦發(fā)生模塊和數(shù)字鎖相解復(fù)用部分，各個(gè)數(shù)字鎖相模塊的數(shù)字正弦發(fā)生模塊所產(chǎn)生的頻率各不相同的數(shù)字正弦，一方面通過(guò)數(shù)字模擬電路轉(zhuǎn)換成模擬正弦信號(hào)后被送入相應(yīng)的調(diào)制器，用以調(diào)制不同頻率的輸出激光，一方面作為數(shù)字鎖相解復(fù)用部分的輸入，由數(shù)字鎖相解復(fù)用部分在探測(cè)部分生成的矩形脈沖信號(hào)的觸發(fā)下，通過(guò)鎖相解調(diào)運(yùn)算，分離提取各個(gè)頻率所在測(cè)量通道的數(shù)據(jù)；通信電路，用來(lái)完成數(shù)字電路與計(jì)算機(jī)直接的交互，以實(shí)現(xiàn)操作人員通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的控制；計(jì)算機(jī)，控制測(cè)量系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)和起至，接收數(shù)字鎖相解復(fù)用后分離提取的數(shù)據(jù)，得到每個(gè)光源對(duì)應(yīng)的出射光強(qiáng)信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多通道單光子計(jì)數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述的數(shù)字鎖相 解復(fù)用部分包括交替工作的A累加器和B累加器，在每個(gè)單光子脈沖的觸發(fā)下，將該時(shí)刻數(shù)字正弦發(fā)生 模塊輸出的正弦值累加至A或者B，累加一定時(shí)間T之后停止累加，累加結(jié)果輸出到平方根 模塊，然后清零，同時(shí)，另一累加器開(kāi)始進(jìn)行累加，以此類推； 平方根模塊，由中間變量進(jìn)行平方根運(yùn)算得到運(yùn)算結(jié)果； FIFO模塊，運(yùn)算結(jié)果暫存在其中，按照先進(jìn)先出的順序讀寫； 寫FIFO模塊，將平方根運(yùn)算結(jié)果寫入FIFO模塊； 鎖相控制模塊，控制所述的數(shù)字鎖相模塊的各個(gè)模塊工作的邏輯和節(jié)拍。
全文摘要
本發(fā)明屬于光學(xué)測(cè)量領(lǐng)域，涉及一種基于數(shù)字鎖相解復(fù)用的多通道單光子計(jì)數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，包括光源部分，探測(cè)部分、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字電路、通訊電路和計(jì)算機(jī)，其中，數(shù)字電路中輸出數(shù)字正弦，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路得到模擬正弦波，激光調(diào)制器使用其對(duì)激光進(jìn)行振幅調(diào)制，然后將多束不同頻率調(diào)制的激光耦合為一束，形成頻分多路復(fù)用的光源，光源照射被測(cè)物體，出射的微弱漫射光被單光子計(jì)數(shù)探測(cè)器捕捉到，經(jīng)電路處理輸出電脈沖；用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)與單光子計(jì)數(shù)緊密結(jié)合的數(shù)字鎖相算法，在接收電脈沖的同時(shí)，根據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)，在一個(gè)探測(cè)器通道中對(duì)來(lái)自不同光源的混合信號(hào)進(jìn)行分離提取，得到每個(gè)光源對(duì)應(yīng)的出射光強(qiáng)信息。本發(fā)明在縮短測(cè)量時(shí)間的同時(shí)降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，增加了電路靈活性，減少測(cè)量誤差。
文檔編號(hào)A61B5/00GK101832815SQ20101016123
公開(kāi)日2010年9月15日 申請(qǐng)日期2010年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月30日
發(fā)明者侯少華, 趙會(huì)娟, 高峰 申請(qǐng)人:天津大學(xué)