CN103902811A - 一种emccd的正弦倍增信号参数提取方法 - Google Patents

Abstract

一种EMCCD的正弦倍增信号参数提取方法，涉及一种信号分析技术，解决现有技术中采用正弦波对电子倍增信号进行驱动时，易出现正弦波除频率外的其它参数随外界环境的改变而改变，进而影响对信号参数提取的问题。由于EMCCD正弦倍增信号的频率已知，故可用四倍频的采样信号进行采样，然后根据得到的四个采样值推算出该倍增信号的幅度、直流电平和在采样点相对相位。本发明基于四点采样法，提高了测试的准确性，实时性强。

Description

一种EMCCD的正弦倍增信号参数提取方法

技术领域

本发明涉及一种信号分析技术，具体涉及一种已知高频情况下对其余参数信息快速获取的实现方法。

背景技术

对较暗目标进行成像时，如果CCD的读出放大器噪声比较大，常常会掩盖有用信号，尤其是在读出速度较高的情况下，读出噪声会随着读出速度的提高而增大。随着CCD制作工艺的不断发展，EMCCD的问世使得微小的信号也能克服读出放大器的噪声，而且此类CCD在不需要任何附加结构的情况下，能够得到与ICCD差不多的图像质量；TI公司的EMCCD的基本结构与传统的帧转移CCD大致相同，但在读出寄存器和读出放大器之间加入了数百个增益寄存器，它的电极结构不同于转移寄存器，信号在这里得到了增益。在增益寄存器中，实现雪崩倍增所需的高压电场是在增益寄存器中由相邻电极间大电位差形成的，通常一个电极上约-5～23V的高幅值信号而另一个电极保持低直流偏压，通过调节高幅值脉冲的高电平来改变两电极之间的电位差从而调控倍增因子；由于倍增增益受倍增信号的幅度、直流电平和相对相位影响，需要实时检测出当前的倍增信号参数值以进行反馈控制。

当使用正弦波来实现电子倍增信号驱动时，特别是采用谐振的方式产生正弦波时，易出现正弦波除频率外的其它参数随外界环境的改变而改变。如何实时从微弱的电子倍增信号中提取出参数是一个急需解决的问题。

发明内容

本发明为解决现有中采用正弦波对电子倍增信号进行驱动时，易出现正弦波除频率外的其它参数随外界环境的改变而改变，进而影响对信号参数提取的问题，本发明提供一种EMCCD的正弦倍增信号参数提取方法。

一种EMCCD的正弦倍增信号参数提取方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、高速正弦电子倍增信号经带频率补偿的分压器分压，获得分压后的电子倍增信号；

步骤二、将步骤一中分压后的电子倍增信号经高输入阻抗的跟随器进行信号缓冲，传送至高速模数转换器进行四倍频采样，采用数据计算器进行处理，获得当前电子倍增信号的直流电平分量、幅度和相位值；

具体过程为：采用四点求平均，获得直流电平分量

采用公式

计算信号的幅度；式中，m₁、m₂、m₃和m₄为四个采样点处的采样值，k为带频率补偿的分压器的分压系数；根据四个采样点及带频率补偿的分压器和高输入阻抗的跟随器的相位延时τ₀，判断正弦倍增信号相对采样值为m₁的采样点对应的相位值

即：

当m₁<m₂时，

当m₁>m₂时，

本发明的有益效果：本发明的仅通过单周期内的四个等间隔采样点即可获得幅度、直流电平和在采样点相对相位信息。通过四点求平均获得直流电平值降低了外界干扰对计算结果的影响；通过对分压电路的补偿，降低了信号的失真，提高了测试的准确性；本发明不需要像FFT算法那样通过多周期内的采样数据才能计算出正弦信号参数；通过单周期内的四点数据采集即可快速获得该正弦驱动信号的直流电平、幅度和相位信号，实时性强。

附图说明

图1为本发明所述的一种EMCCD的正弦倍增信号参数提取方法的信号处理电路图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，一种EMCCD的正弦倍增信号参数提取方法，该方法由以下步骤实现：

一、高速正弦电子倍增信号首先经带频率补偿的分压器，在保证波形不失真的情况下降低信号幅度以满足模数转换器的量程要求，使电子倍增信号能输出的最大幅度对应模数转换器的最大量程；

二、经带频率补偿的分压器分压后的电子倍增信号经高输入阻抗的跟随器进行信号缓冲，降低后级电路对电子倍增电极上负载；另外采用基准信号测试出带频率补偿的分压器和高输入阻抗的跟随器的相位延时τ₀；然后将跟随后的信号送入高速模数转换器进行四倍频采样，最后送入数据计算器对采样后的数字信号进行处理，计算出当前倍增信号的直流电平分量、幅度和相位值。

具体过程为：采用四点求平均，获得直流电平分量

采用公式计算信号的幅度；式中，m₁、m₂、m₃和m₄为四个采样点处的采样值，k为带频率补偿的分压器的分压系数；根据采样点和直流电平的值及连续两个采样点的值大小判定出高输入阻抗的跟随器输出信号相对于采样值为m₁的那个采样点的相位值所在的象限，当m₁<m₂时，

当m₁>m₂时，

具体实施方式二、本实施方式为具体实施方式一所述的一种EMCCD的正弦倍增信号参数提取方法的具体实施例：设高输入阻抗的跟随器输出信号的波形为msin(ω₀t+φ)+n₀；其中ω₀为已知频率，包含三个未知数，因为，分别是幅度m，直流电平分量n₀和初始相位φ；对于正弦信号，在一个完整的周期不是单值对应的，而是每个值对应两个点；当把一个周期分为两段和

在该两段都是单值对应的，前者的趋势是递增，后者的趋势是递减，故在单周期要确定信号参数需要四个采样点；设四个采样点均匀采样，间隔为1/4周期，四个采样点获得的采样值分别为m₁、m₂、m₃、m₄；设高输入阻抗的跟随器输出信号相对于首个采样点对应的相位即为初始相位φ（即高输入阻抗的跟随器输出信号相对于采样值为m₁的那个采样点的相位值为初始相位φ）；所述四个采样点的采样值分别用下述四个等式表示为：

msin(φ)+n₀＝m₁， $m\sin (\mathrm{\&phi;}+\frac{\mathrm{\&pi;}}{2})+n_0=m_2,$ msin(φ+π)+n₀＝m₃， $m\sin (\mathrm{\&phi;}+\frac{3\mathrm{\&pi;}}{2})+n_0=m_4;$

根据上述四个等式可得，

考虑到采样过程中由于存在干扰，一种降低干扰的办法是取两组的平均值即：

$n_0=\frac{m_1+m_3+m_2+m_4}{4}$

$m=\frac{\sqrt{{(m_1-m_3)}^2+{(m_2-m_4)}^2}}{2}$

然后根据m₁、m₂及b₀的值，即可确定高输入阻抗的跟随器输出信号相对于采样值为m₁的那个采样点的相位值，即初始相位φ；

当m₁<m₂且m₁<b₀，则φ所在范围

故高输入阻抗的跟随器输出信号相对于初始采样值m₁对应的相位值为

$\mathrm{\&phi;}=\arctan \frac{m_1-m_3}{m_2-m_4};$

当m₁<m₂且m₁>b₀，则φ所在范围

故高输入阻抗的跟随器输出信号相对于初始采样值m₁对应的相位值为

$\mathrm{\&phi;}=\arctan \frac{m_1-m_3}{m_2-m_4};$

当m₁>m₂且m₁>b₀，则φ所在范围故高输入阻抗的跟随器输出信号相对于初始采样值m₁对应的相位值为

$\mathrm{\&phi;}=\arctan \frac{m_1-m_3}{m_2-m_4}+\mathrm{\&pi;};$

当m₁>m₂且m₁<b₀，则φ所在范围故高输入阻抗的跟随器输出信号相对于初始采样值m₁对应的相位值为

$\mathrm{\&phi;}=\arctan \frac{m_1-m_3}{m_2-m_4}+\mathrm{\&pi;};$

最后根据公式即可计算出正弦倍增信号相对采样值为m₁的那个采样点的相位值

根据公式

和

即可计算出正弦倍增信号的幅度和直流电平分量，其中τ₀为带频率补偿的分压器和高输入阻抗的跟随器的相位延时。

本实施方式所述的带频率补偿的分压器采用电阻和电容来实现；高输入阻抗的跟随器采用运放来实现；高速模数转换器采用高速ADC来实现;数据计算器采用DSP来实现。

Claims (1)

1.一种EMCCD的正弦倍增信号参数提取方法，其特征是，该方法由以下步骤实现：

步骤一、高速正弦电子倍增信号经带频率补偿的分压器分压，获得分压后的电子倍增信号；

步骤二、将步骤一中分压后的电子倍增信号经高输入阻抗的跟随器进行信号缓冲，传送至高速模数转换器进行四倍频采样，采用数据计算器进行处理，获得当前电子倍增信号的直流电平分量、幅度和相位值；

具体过程为：采用四点求平均，获得直流电平分量采用公式

计算信号的幅度；式中，m₁、m₂、m₃和m₄为四个采样点处的采样值，k为带频率补偿的分压器的分压系数；根据四个采样点及带频率补偿的分压器和高输入阻抗的跟随器的相位延时τ₀，判断正弦倍增信号相对采样值为m₁的采样点对应的相位值

即：

当m₁<m₂时，

当m₁>m₂时，

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