CN101832815B - 基于数字锁相解复用的多通道单光子计数测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学测量领域，涉及一种基于数字锁相解复用的多通道单光子计数测量系统，包括光源部分，探测部分、数模转换电路、数字电路、通讯电路和计算机，其中，数字电路中输出数字正弦，经数模转换电路得到模拟正弦波，激光调制器使用其对激光进行振幅调制，然后将多束不同频率调制的激光耦合为一束，形成频分多路复用的光源，光源照射被测物体，出射的微弱漫射光被单光子计数探测器捕捉到，经电路处理输出电脉冲；用数字电路实现与单光子计数紧密结合的数字锁相算法，在接收电脉冲的同时，根据预设的参数，在一个探测器通道中对来自不同光源的混合信号进行分离提取，得到每个光源对应的出射光强信息。本发明在缩短测量时间的同时降低了系统复杂度，增加了电路灵活性，减少测量误差。

Description

基于数字锁相解复用的多通道单光子计数测量系统

技术领域

本发明属于光学测量领域，具体涉及一种基于数字锁相解复用的多通道单光子计数测量系统。

背景技术

随着社会的进步，人类对自身的健康越来越重视，和健康有关的检测手段以及早期诊断和诊治的方法也逐渐为人们所重视。光学相关的检测和诊疗手段，具备高分辨率、多参数和高时空分辨等优点，在医疗诊断方面又具有微创甚至无创、无电离的优点。因此，光学相关方法在医学诊断和治疗中的有广泛的应用前景。

生物医学光子学是在组织光学这一理论基础上发展起来的光医学和光生物学。组织光学可以理解为是关于光辐射与生物组织相互作用的学问，基本研究方面首先包括研究光辐射能量在一定条件下在组织体内的分布，其次是发展在体组织光学的测量方法。以生物医学光子学为基础的光诊断和光治疗中，生物组织光学特性在光与组织体的相互作用中扮演着重要的角色。如何确定生物组织体的光学参数，包括吸收系数、散射系数、各向异性因子、以及组织的光学穿透深度，具有非常重要的研究意义。

扩散光学层析成像(DOT)技术，俗称光CT，这项技术可被视为发展已相对成熟的组织扩散光谱技术(Diffuse Optical Spectroscopy，DOS)的一个重要扩展。DOT应用对象为对高散射的器官组织，用来实现厘米级厚度的组织光学信息探测。近年的研究成果表明，近红外扩散光学检测技术具有极大的实际应用潜力，重要应用包括乳房肿瘤早期诊断、新生儿脑发育监护、脑功能成像和光动力疗法反应信息获取等诸多重要领域。在这些领域，或是现有成像模态的应用因安全性，特异性和环境适应性等多方面的缺陷受到严重制约，或是尚无有效的检测方法。DOT作为一种基于组织体生化功能信息的无创检测技术，则提供了上述医学诊断应用的最有效的解决方案。经过近十年的努力，DOT在成像原理和测量系统研制等方面均取得了突破。世界各相关实验室均装备有基于连续光、频域或时域等三种主要测量模式的DOT系统，围绕各自关心的基础和应用问题开展研究并正取得积极成果。近年来，扩散光学成像的研究重点已从追求高空间分辨转向高特异功能成像方面。将光学成像技术与现有医学成像方法相互结合可大大提高医学无创检测的特异性和准确性。权威部门预测，以DOT为代表的光CT技术将逐渐成熟并进入正式临床应用阶段，成为现有医用检测手段的一个极为有益的补充。

组织体的在体光学参数测量通常采用间接法，首先是利用实验测量获得组织体表面的漫反射光的时-空分布，因为当光入射到组织时，光在组织内不断的被散射和吸收，其表面漫反射光携带了组织内部的光学特征信息，其时-空分布由组织的吸收和散射等光学特性所决定。其次，根据均质条件下扩散理论或蒙特卡洛模拟获得表面光流时-空分布及其特征参数，并与相应的实验数据进行拟合(或匹配)，重构出被测组织域的光学参数。在体测量技术依据人体不同组织所特有的光学特性实时鉴别和诊断出被检组织所处的不同生理状态，包括正常组织、良性病变组织、早期癌变组织、动脉粥样硬化和组织的功能状态等，从而实现组织病理的早期诊断。这在临床医学应用中具有重大意义和实用价值。

DOT的实现需要测量多点激励下表面其他各点的光流分布。在多个源和多个探测器的情况下，每一个探测点的输出是所有源激励下所产生的测量值的叠加。而在层析成像中，要求每个源-探测位置下的信号能够被分离开来用于重建，因此必须要通过对源进行编码以得到合适的信号。时分多路复用技术和频分多路复用技术是常见的两种编码技术。目前大多数DOT系统中广泛采用时分多路复用技术。这种系统大多采用光开关控制，分时将不同波长的近红外光导入测量系统，依次测量对应于不同入射光的漫射光信息，进而反构出组织体光学图像。这种方法虽然可以避免不同波长光信号同时照射组织体时相互之间的干扰，但也增加了测量时间，不利于光学参数快速实时检测，同时切换通道也会引入不必要的测量误差。由于多数实验和应用场合为在体测量，安全起见，所使用的近红外光源的功率通常限制在毫瓦级甚至更小的水平，当光经被测组织体衰减之后，出射的光通常的很微弱，这就对探测器的灵敏度、动态范围和噪声特性提出了较高的要求。如果采用连续工作方式的探测器，如光电二极管等等，然后进行后级放大和采样，这种方法灵敏度低，对噪声的抑制较差，在一定程度上影响了测量结果的精度。

发明内容

本发明针对现有测量方法的不足，提出了一种基于数字锁相解复用的多通道单光子计数测量方法。本发明采用如下的技术方案：

一种基于数字锁相解复用的多通道单光子计数测量系统，包括光源部分、探测部分、数字电路、数模转换电路、通信电路和计算机，其中，

光源部分，包括至少两组调制器和激光二极管以及将各个激光二极管输出的激光耦合到一束光纤中的光纤耦合器；

探测部分，包括光纤探头，单光子计数的光电倍增管和甄别与整型电路，其中，光纤探头，用来把从被测物体出射的微弱漫射光耦合到光电倍增管，由光电倍增管输出的电脉冲经过甄别与整型电路处理后获得矩形脉冲信号；

数字电路，包括总控制模块、发送模块、通信模块和至少两个数字锁相模块，其中，总控制模块，用于与计算机交互获取测量过程的运行参数，控制整个数字电路工作的节拍和时间；

每组调制器和激光二极管与一个数字锁相模块相对应，每个数字锁相模块包括数字正弦发生模块和数字锁相解复用部分，各个数字锁相模块的数字正弦发生模块所产生的频率各不相同的数字正弦，一方面通过数字模拟电路转换成模拟正弦信号后被送入相应的调制器，用以调制不同频率的输出激光，一方面作为数字锁相解复用部分的输入，由数字锁相解复用部分在探测部分生成的矩形脉冲信号的触发下，通过锁相解调运算，分离提取各个频率所在测量通道的数据；

通信电路，用来完成数字电路与计算机直接的交互，以实现操作人员通过计算机对测量系统的控制；

计算机，控制测量系统的运行参数和起至，接收数字锁相解复用后分离提取的数据，得到每个光源对应的出射光强信息。

作为进一步的实施方式，所述的数字锁相解复用部分包括：

交替工作的A累加器和B累加器，在每个单光子脉冲的触发下，将该时刻数字正弦发生模块输出的正弦值累加至A或者B，累加一定时间T之后停止累加，累加结果输出到平方根模块，然后清零，同时，另一累加器开始进行累加，以此类推；

平方根模块，由中间变量进行平方根运算得到运算结果；

FIFO模块，运算结果暂存在其中，按照先进先出的顺序读写；

写FIFO模块，将平方根运算结果写入FIFO模块；

锁相控制模块，控制所述的数字锁相模块的各个模块工作的逻辑和节拍。

本发明使用被不同频率调制的多个近红外光源同时照射组织体，经单光子计数探测器和数字电路进行锁相解复用，同时得到各个光源通道对应的出射光强。本发明采用单光子计数探测器进行弱光探测灵敏度高，动态范围大，而且输出脉冲为数字形式，便于和数字处理系统衔接；采用的数字锁相解复用技术，既具有锁相放大技术的特点，适用于弱光检测，又是正交锁相解调技术，能够将多频率复用的信号解复用，还原为独立的测量结果。从而，本发明在缩短测量时间的同时降低了系统复杂度，增加了电路灵活性，减少了由于通道切换带来的测量误差。具体而言，本发明的主要特点如下：

(1)本发明采用数字锁相解复用方法，实现在多光源同时入射时的光强测量，克服了多光源时分复用方法的测量时间长，通道切换产生误差的缺点，简化了系统构成。

(2)本发明采用光电倍增管单光子计数方法探测微弱光，灵敏度高，动态范围大，信噪比高，受环境影响较小。

(3)本发明采用的数字锁相解调方法和单光子计数方式紧密结合，光电信号及数据处理算法为离散形式，便于采用数字电路实现。

(4)本发明采用CORDIC算法计算正弦三角函数和平方根，只需要加减和移位运算，避免了乘除、开方、三角函数等等复杂运算的直接计算，比查表法速度更快，采样点更多，便于用数字电路实现，提高了精度。

(5)本发明采用的数字电路可用FPGA等可编程逻辑器件实现，相比与其他解决方案，便于实现和扩展本发明中多个通道并行处理的系统，有效降低了成本。系统集成度高，外围电路较简单，有效减少了噪声引入点。

(6)本发明采用的数字电路可用FPGA等可编程逻辑器件实现，可移植性和扩展性好，并有强大的智能化开发工具支持，通过软件升级即可完成功能升级和优化，无需硬件改动。

附图说明

图1：单光子计数数字锁相解复用的多通道测量系统框图；

图2：光源部分结构框图；

图3：探测部分结构框图；

图4：数字电路结构框图；

图5：数字电路中的数字锁相模块结构框图；

图6：本发明采用的程序流程图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于单光子计数和数字锁相的多通道光学参数测量系统及测量方法。本发明的核心是对频分多路复用的信号进行数字锁相解复用。

本发明提出基于数字锁相的多通道测量系统，组成框图见图1，包括：

一、光源部分，组成框图见图2，主要包括N组调制器和激光二极管，以及光纤耦合器。N的数量随系统需求而定。

(1)调制器，用来驱动激光器，根据输入的模拟信号波形调整驱动电流，从而对激光进行振幅调制。

(2)激光二极管，产生特定波长的激光。

(3)光纤耦合器，将若干不同波长的激光耦合到一束光纤中，形成复合光源。

二、探测部分，用光纤探头将从组织体出射的微弱的漫射光耦合到单光子计数的光电倍增管，转换所得电信号按照一定的要求处理之后得到规则的矩形电脉冲信号。探测部分组成框图见图3，主要包括光纤探头，单光子计数的光电倍增管，甄别与整型电路。

(1)光纤探头，用来把从被测物体出射的微弱漫射光耦合到光电倍增管的探测极。

(2)单光子计数的光电倍增管，工作在单光子计数状态，将入射光子转变为电脉冲。

(3)甄别与整型电路，将电脉冲信号经过甄别电路和整型电路处理，得到规则的矩形脉冲信号，提供给数字电路中的数字锁相模块。

三、数字电路，用来与计算机进行交互，设定测量系统的工作参数，产生特定频率的数字正弦，并接收探测部分提供的电脉冲以实现数字锁相解复用，计算得到欲测量的各个通道的幅度。数字电路是本发明实现多通道数字锁相解复用的核心。数字电路的电路框图见图4，主要包括：

(1)数字锁相模块，每个通道模块负责产生某一个特定频率的数字正弦，并对复用信号进行数字锁相解复用，分离提取得到该频率所在测量通道的数据，然后进行缓存，以待其他模块读取和发送。数字锁相模块的数量为N，与复用的入射光源数量相等。下面将对该模块进行详细介绍。

(2)总控制模块，与计算机交互获取测量过程的运行参数，控制整个数字电路各部分工作的节拍和时间。

(3)发送模块，按照一定顺序依次把N个数字锁相模块中暂存的结果传送给通信模块。

(4)通信模块，与通信电路进行交互，实现数据的发送和接收。

四、数模转换电路，用来将数字电路中产生的数字正弦转换成模拟正弦波，以提供给光源部分进行振幅调制。

五、通信电路，用来完成数字电路与计算机直接的交互，以实现操作人员通过计算机对测量系统的控制。

六、计算机，接收数字锁相解复用后分离的数据，得到测量结果并进行显示。

本发明的数字锁相解复用运算在数字锁相模块中实现。数字锁相模块的电路组成见图5，主要包括：

(1)数字正弦发生模块，产生频率可控的数字正弦波形。其中相位控制模块根据预设频率以一定速率产生均匀递增的全周期相位值；CORDIC模块计算出给定相位值的正余弦值。

(2)A累加器和B累加器，AB交替工作，在每个单光子脉冲的触发下，将该时刻数字正弦发生模块输出的正弦值累加至A或者B，累加一定时间T之后停止累加，累加结果输出到平方根模块，然后清零，同时，另一累加器开始进行累加，以此类推。

(3)平方根模块，由中间变量进行平方根运算得到结果。

(4)先进先出(FIFO)模块，结果暂存在其中，按照先进先出的顺序读写。

(5)写FIFO模块，将平方根运算结果写入FIFO。

(6)锁相控制模块，控制数字锁相模块中各部分工作的逻辑和节拍。

数字锁相解复用运算是本发明的核心。锁相解调又叫正交IQ解调，可以用傅里叶级数进行解释。频分复用的光源信号是一个傅里叶级数展开形式，傅里叶系数Xi和Yi可由欧拉公式计算得到，交流幅度Ai是Xi和Yi的平方根。本发明用数字电路实现上述锁相解复用运算。

数字电路部分可以用可编程逻辑器件如FPGA来实现，并且在对该系统进行升级时，可以通过对可编程逻辑器件进行软件升级来完成。

本发明的测量系统的具体工作步骤是：

(1)所有设备上电后，计算机程序与数字电路中的控制模块进行数据交互，设定电路中生成正弦波的频率、锁相模块的累加周期等相关参数。

(2)数字正弦发生模块产生特定频率的数字正弦值，一方面传送到数模转换电路，产生不同频率的模拟正弦波，利用激光调制器分别对不同波长的激光二极管进行振幅调制。调制后的激光光强可表示为：

$S_i^0\left(t\right)=D_i+B_i\cos (2\mathrm{\π}{f}_{i}t+{\mathrm{\φ}}_i)$ i＝1，2……n

其中，D为直流分量，B为交流幅度。

另一方面，数字正余弦值传送到累加器A和B中作为加数。

(3)用耦合器将被调制的激光耦合入一束光纤中，并作为光源入射到组织体。复合光源光强为若干不同频率正弦波的叠加，可表示为：

$S^0\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[D_i+B_i\cos (2\mathrm{\π}{f}_{i}t+{\mathrm{\φ}}_i)]$

(4)用光纤探头将从组织体出射的微弱漫射光耦合到单光子计数的光电倍增管，经甄别和整型电路输出矩形电脉冲。单位时间内电脉冲数目与入射光子数成正比。根据组织光学的理论，光经过组织体的过程中，漫射光会发生光强的衰减和相位的延迟。因此，单位时间内电脉冲数目随时间的变化可表示为，

(5)电脉冲输入到每个数字锁相模块中的累加器A和B，作为触发信号。每个电脉冲到来时，正余弦累加寄存器分别增加当前输入的数字正余弦值，数字正余弦值是随时间变化的，不同数字锁相模块中的数字正余弦频率不同。累加器A和B以一次测量时间T为周期交替工作，A进行累加的时间内B将前一次累加的结果输出到平方根模块，计算得光强值，并由写FIFO模块将其缓存进FIFO中，然后将累加器B清零。反之亦然。其中，T为积分时间，应保证所有频率为fi(i＝1，2……n)的三角正弦函数在T上保持正交性，即取T为几个正弦波周期的公倍数。

(6)数字电路中的发送模块依次从各个数字锁相模块中的FIFO中读取计算结果，输出到通信模块。通信模块控制USB通信电路，将计算结果发送到计算机。

(7)在计算机中编写计算机程序接收A的值，做数据分析并实时显示出来。程序流程图如图6。

本发明公开和揭示的所有组合和方法可通过借鉴本文公开内容产生，尽管本发明的组合和方法已通过详细实施过程进行了描述，但是本领域技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和装置进行拼接或改动，或增减某些部件，更具体地说，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，例如对不同入射位置的光源进行调制编码，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容之中。

Claims (1)

1.一种基于数字锁相解复用的多通道单光子计数测量系统，包括光源部分、探测部分、数字电路、数模转换电路、通信电路和计算机，其中，

光源部分，包括至少两组调制器和激光二极管以及将各个激光二极管输出的激光耦合到一束光纤中的光纤耦合器；

探测部分，包括光纤探头，单光子计数的光电倍增管和甄别与整型电路，其中，光纤探头，用来把从被测物体出射的微弱漫射光耦合到光电倍增管，由光电倍增管输出的电脉冲经过甄别与整型电路处理后获得矩形脉冲信号；

数字电路，包括总控制模块、发送模块、通信模块和至少两个数字锁相模块，其中，总控制模块，用于与计算机交互获取测量过程的运行参数，控制整个数字电路工作的节拍和时间；

每组调制器和激光二极管与一个数字锁相模块相对应，每个数字锁相模块包括数字正弦发生模块和数字锁相解复用部分，各个数字锁相模块的数字正弦发生模块所产生的频率各不相同的数字正弦，一方面通过数字模拟电路转换成模拟正弦信号后被送入相应的调制器，用以调制不同频率的输出激光，一方面作为数字锁相解复用部分的输入，由数字锁相解复用部分在探测部分生成的矩形脉冲信号的触发下，通过锁相解调运算，分离提取各个频率所在测量通道的数据；

通信电路，用来完成数字电路与计算机直接的交互，以实现操作人员通过计算机对测量系统的控制；

计算机，控制测量系统的运行参数，接收数字锁相解复用后分离提取的数据，得到每个光源对应的出射光强信息；

其中，所述的数字锁相解复用部分包括：

交替工作的A累加器和B累加器，在每个单光子脉冲的触发下，将该时刻数字正弦发生模块输出的正弦值累加至A累加器或者B累加器，累加一定时间T之后停止累加，累加结果输出到平方根模块，然后清零，同时，另一累加器开始进行累加，以此类推；

平方根模块，由中间变量进行平方根运算得到运算结果；

FIFO模块，运算结果暂存在其中，按照先进先出的顺序读写；

写FIFO模块，将平方根运算结果写入FIFO模块；

锁相控制模块，控制所述的数字锁相模块的各个模块工作的逻辑和节拍。

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