CN108549275A

CN108549275A - 一种单光子压缩成像的控制装置及控制方法

Info

Publication number: CN108549275A
Application number: CN201810170914.0A
Authority: CN
Inventors: 鄢秋荣; 王慧; 袁成龙; 李冰
Original assignee: Nanchang University
Current assignee: Nanchang University
Priority date: 2018-03-01
Filing date: 2018-03-01
Publication date: 2018-09-18
Anticipated expiration: 2038-03-01
Also published as: CN108549275B

Abstract

本发明涉及微弱光成像领域，特别涉及微弱光成像领域中一种单光子压缩成像的控制装置及其控制方法。一种单光子压缩成像的控制装置，包括同步控制脉冲产生模块、门控光子计数模块、测量矩阵加载模块、脉冲展宽模块、第一USB接口通信模块，第二USB接口通信模块，测量矩阵生成模块。本发明提出的一种单光子压缩成像的控制装置可以根据需要对采样频率（即DMD翻转频率）、测量次数以及整个实验的重复次数等参数进行灵活设置。

Description

一种单光子压缩成像的控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及微弱光成像领域，特别涉及微弱光成像领域中一种单光子压缩成像的控制装置及其控制方法。

背景技术

光子计数成像是利用光子计数技术进行极弱光成像的方法，在生物医学检测、深空探测、光谱测量等微弱光探测领域具有广泛的应用前景。目前具有单光子计数能力的探测器主要有光电倍增管、雪崩光电倍增管、超导单光子探测器。要获得足够的空间分辨通常有两种解决途径，一种是使用单光子阵列探测器(即雪崩二极管阵列)，但是目前雪崩二极管阵列还处于科研阶段，市场上现有的最高精度的雪崩二极管阵列仅有32×32像素，且单光子阵列探测器封装工艺难度大，很难保证性能的一致稳定性。因此，使用单光子阵列探测器进行弱光成像的方法存在较大局限。另一种较为直接的解决办法是单光子点探测器与光机扫描元件结合，对成像空间进行逐点扫描，存在扫描时间长、光子收集效率低、时间分辨能力低等问题，且机械式扫描会降低系统稳定性。

2008年Rice大学的Romber和Baraniuk等提出的单像素照相机的方案为上述问题提供了新的思路，即将光子计数技术与单像素照相相结合的压缩成像方案。

由于每次测量，点探测器收集的光通量远大于逐点扫描和和面阵探测器单位像素上获得的光通量，因此它比多像素成像方法具有更高的灵敏度。由于典型的点探测器将探测到的光信号转化为电流信号输出，精度较差，在强光下，单像素照相机的上述优势并不明显。若将其应用于极弱光探测，其中点探测器采用单光子探测器，利用光子计数值和光强良好的线性关系，上述优势能凸显出来，实现超灵敏度的光子计数成像。要实现上述超灵敏度的单光子压缩成像，测量矩阵加载和光子计数的同步是系统的关键，目前没有相关解决方案的报道。

发明内容

本发明的目的在于为实现超灵敏度的光子计数压缩成像，设计一种单光子压缩成像的控制装置及其控制方法。

为了实现本发明的目的，本发明采用的技术手段为：

一种单光子压缩成像的控制装置，包括同步控制脉冲产生模块、门控光子计数模块、测量矩阵加载模块、脉冲展宽模块、第一USB接口通信模块，第二USB接口通信模块，测量矩阵生成模块；

所述的同步控制脉冲产生模块的输入端输入高频时钟信号，所述同步控制脉冲产生模块产生的同步控制脉冲信号同时输出至门控光子计数模块和测量矩阵加载模块；

所述的脉冲展宽模块对输入的单光子脉冲展宽后输入门控光子计数模块；所述的门控光子计数模块与第二USB接口通信模块相连，用于将门控光子计数模块在同步控制脉冲信号控制下计数得到的光子计数值输出至PC；

所述的第一USB接口通信模块与同步控制脉冲产生模块相连，用于将PC输入的采样参数发送到同步控制脉冲产生模块；

所述的第一USB接口通信模块与测量矩阵加载模块相连，用于将PC输入的测量矩阵生成参数发送到测量矩阵加载模块；

所述的测量矩阵加载模块与测量矩阵生成模块相连，用于在测量矩阵加载模块接收到测量矩阵生成指令时启动测量矩阵生成模块生成测量矩阵；

所述的测量矩阵加载模块和SDRAM相连，用于将生成的测量矩阵存储至SDRAM；

所述的测量矩阵加载模块与DMD控制器相连,用于测量矩阵加载模块在接收到同步控制脉冲信号的上升沿时，从SDRAM中读取一个测量矩阵发送到DMD控制器，同时将这个测量矩阵通过第一USB接口通信模块发送到PC。

所述的同步控制脉冲产生模块、门控光子计数模块、测量矩阵加载模块、脉冲展宽模块、第一USB接口通信模块，第二USB接口通信模块、测量矩阵生成模块用FPGA芯片实现。

一种单光子压缩成像控制装置的控制方法，包括以下步骤：

1)生成测量矩阵

1.1)设置测量矩阵生成参数

在上位机软件进行操作，将各测量矩阵生成参数通过第一USB接口通信模块发送给测量矩阵加载模块缓存；

1.2)在上位机软件进行操作,发出测量矩阵生成指令，通过第一USB接口通信模块发送给测量矩阵加载模块；

1.3)测量矩阵加载模块收到测量矩阵生成指令后，向测量矩阵生成模块输出测量矩阵类型P，并启动测量矩阵生成模块；

1.4)测量矩阵生成模块生成一个测量矩阵；

1.5)测量矩阵加载模块读取测量矩阵生成模块生成的测量矩阵，存储至SDRAM；

1.6)重复1.4)-1.5)，直至SDRAM中测量矩阵的个数等于预设的测量矩阵个数。(实施中说明测量矩阵个数Q为大于等于1的自然数，Q的取值取决于SDRAM的容量，一个测量矩阵1024*768，测量矩阵个数Q应小于SDRAM的容量/(1024*768))；

2)产生同步控制脉冲信号

2.1)设置采样参数

在上位机软件进行操作，将各采样参数通过第一USB接口通信模块发送给同步控制脉冲产生模块；

2.2)对外部输入的高频时钟信号进行分频产生采样频率脉冲信号，频率与预设的采样频率一致；

2.3)产生门控方波信号，方波的个数与预设的重复测量次数一致，每个方波内对应的采样频率脉冲的个数等于预设采样次数的值加一；

2.4)门控方波信号与采样频率脉冲信号相与得到同步控制脉冲信号；

3)同步控制脉冲信号输入测量矩阵加载模块、门控光子计数模块；

4)单光子脉冲输入脉冲展宽模块进行展宽；

5)门控光子计数模块在检测到同步控制脉冲信号的上升沿时；判断是否为一组同步控制脉冲信号中的第一个同步控制脉冲，如果是，则对计数器清零，对输入的展宽单光子脉冲重新从0开始计数；如果不是，则将这个脉冲与前一脉冲间隔内的展宽单光子脉冲计数通过第一USB接口通信模块输出至PC，同时计数器清零，对输入的展宽单光子脉冲重新从0开始计数；

6)测量矩阵加载模块在接收到同步控制脉冲信号的上升沿时，判断是否为一组同步控制脉冲信号中的最后一个同步控制脉冲，如果不是，从SDRAM中读取一个测量矩阵发送到DMD控制器，同时将这个测量矩阵通过第一USB接口通信模块发送到PC；如果是，则不发送数据。

所述的门控方波信号的产生采用如下状态机实现：

1)系统复位后，进入初始状态0，检测到开始测量信号上升沿，进入状态1；

2)进入状态1后，检测到采样频率脉冲信号上升沿后，重复测量次数减一，进入状态2；

3)进入状态2后，采用对高频时钟脉冲进行计数的方法实现延时t₁，t₁应设置为大于一个采样频率周期内高电平持续时间且小于一个采样频率脉冲周期，延时结束进入状态3；

4)进入状态3后，输出高电平，对采样频率脉冲信号从0开始进行上升沿计数，当计数值等于预设的采样次数值加一后，进入状态4；

5)进入状态4后，采用对高频时钟脉冲进行计数的方法实现延时t₂，t₂应设置为大于一个采样频率周期内高电平持续时间且小于一个采样频率脉冲周期，延时结束进入状态5；

6)进入状态5后，输出低电平，对高频时钟计数的方法延迟t₃，延时结束进入状态6；

7)进入状态6后，如果重复次数值不为0，则回到状态2，否则回到初始状态0。

本发明的有益效果：

1.参数灵活可调。本发明提出的一种单光子压缩成像的控制装置可以根据需要对采样频率(即DMD翻转频率)、测量次数以及整个实验的重复次数等参数进行灵活设置。

2.同步精度高。本发明产生的高精度的同步控制信号同时输入测量矩阵加载模块和光子计数模块，使得DMD偏转和光子计数高精度同步，实现高灵敏单光子压缩成像。

3.集成度高。本发明在一个功能板上同时集成了测量矩阵加载模块、光子计数模块以及上位机通信模块等，装置集成度较高。

附图说明

图1为本发明单光子压缩成像的控制装置的组成结构框图。

图2为本发明同步控制脉冲产生模块的组成结构框图。

图3为本发明同步控制脉冲信号产生时序图。

图4为本发明门控光子计数时序图。

图5为应用本发明的成像系统框图。

图中，1为同步控制脉冲产生模块，2为门控光子计数模块、3为测量矩阵加载模块，4为脉冲展宽模块，5为第一USB接口通信模块，6为第二USB接口通信模块，7为测量矩阵生成模块。

具体实施方式

实施例：参见图1-5。

本发明公开了一种单光子压缩成像的控制装置，如图1所示，包括同步控制脉冲产生模块1、门控光子计数模块2、测量矩阵加载模块3、脉冲展宽模块4、第一USB接口通信模块5，第二USB接口通信模块6，测量矩阵生成模块7；

图2所示为同步控制脉冲产生模块1的组成结构框图，所述的同步控制脉冲产生模块1包括分频器、门控方波发生器和与门，分频器通过对高频时钟信号进行分频产生采样频率脉冲信号，频率与预设的采样频率一致；门控方波发生器产生门控方波信号，方波的个数与预设的重复测量次数一致，采样频率脉冲信号和门控方波信号输入与门相与得到同步控制脉冲信号；

所述的同步控制脉冲产生模块1产生的同步控制脉冲信号同时输出至门控光子计数模块2和测量矩阵加载模块3；

所述的脉冲展宽模块4对输入的单光子脉冲展宽后输入门控光子计数模块2；所述的门控光子计数模块2与第二USB接口通信模块6相连，用于将门控光子计数模块2在同步控制脉冲信号控制下计数得到的光子计数值输出至PC；

所述的第一USB接口通信模块5与同步控制脉冲产生模块1相连，用于将PC输入的采样参数发送到同步控制脉冲产生模块1；

所述的第一USB接口通信模块5与测量矩阵加载模块3相连，用于将PC输入的测量矩阵生成参数发送到测量矩阵加载模块3；

所述的测量矩阵加载模块3与测量矩阵生成模块7相连，用于在测量矩阵加载模块3接收到测量矩阵生成指令时启动测量矩阵生成模块7生成测量矩阵；

所述的测量矩阵加载模块3和SDRAM相连，用于将生成的测量矩阵存储至SDRAM；

所述的测量矩阵加载模块3与DMD控制器相连,用于测量矩阵加载模块在接收到同步控制脉冲信号的上升沿时，从SDRAM中读取一个测量矩阵发送到DMD控制器，同时将这个测量矩阵通过第一USB接口通信模块5发送到PC。

SDRAM:Synchronous Dynamic Random Access Memory，同步动态随机存储器，同步是指内存工作需要同步时钟，内部命令的发送与数据的传输都以它为基准；动态是指存储阵列需要不断的刷新来保证数据不丢失；随机是指数据不是线性依次存储，而是自由指定地址进行数据读写。

DMD：Digital Micromirror Device，数字微镜器件，是光开关的一种，利用旋转反射镜实现光开关的开合。本案中，所述的DMD用于根据测量矩阵加载模块加载的0-1随机掩模对待成像的光学图像进行随机空间调制。

PC：Personal Computer，个人计算机。

所述的同步控制脉冲产生模块1、门控光子计数模块2、测量矩阵加载模块3、脉冲展宽模块4、第一USB接口通信模块5、第二USB接口通信模块6和测量矩阵生成模块7用FPGA芯片实现。

本发明还公开了一种单光子压缩成像控制装置的控制方法，包括以下步骤：

1)生成测量矩阵

1.1)设置测量矩阵生成参数

在上位机软件进行操作，将各测量矩阵生成参数通过第一USB接口通信模块5发送给测量矩阵加载模块3缓存，本案中测量矩阵生成参数包括测量矩阵类型P，测量矩阵个数Q，测量矩阵类型有稀疏二值随机矩阵、m序列矩阵以及真随机数矩阵；

1.2)在上位机软件进行操作,发出测量矩阵生成指令，通过第一USB接口通信模块5发送给测量矩阵加载模块3；

1.3)测量矩阵加载模块3收到测量矩阵生成指令后，向测量矩阵生成模块7输出测量矩阵类型P，并启动测量矩阵生成模块7；

1.4)测量矩阵生成模块7生成一个测量矩阵；

1.5)测量矩阵加载模块3读取测量矩阵生成模块7生成的测量矩阵，存储至SDRAM；

1.6)重复1.4)-1.5)，直至SDRAM中测量矩阵的个数等于预设的测量矩阵个数Q。测量矩阵个数Q为大于等于1的自然数，Q的取值上限取决于SDRAM的容量，一个测量矩阵大小为1024*768，测量矩阵个数Q应小于SDRAM的容量/(1024*768)。

2)产生同步控制脉冲信号

2.1)设置采样参数

在上位机软件进行操作，将各采样参数通过第一USB接口通信模块5发送给同步控制脉冲产生模块1，本案中采样参数包括采样频率F，采样次数N，重复测量次数M；采样次数N要小于测量矩阵的个数Q；

2.3)产生门控方波信号，方波的个数与预设的重复测量次数一致，每个方波内对应的采样频率脉冲的个数等于预设采样次数的值加一；所述的门控方波信号的产生时序如图3中所示，采用如下状态机实现：

2.3.1)系统复位后，进入初始状态0，检测到开始测量信号上升沿，进入状态1；

2.3.2)进入状态1后，检测到采样频率脉冲信号上升沿后，重复测量次数减一，进入状态2；

2.3.3)进入状态2后，采用对高频时钟脉冲进行计数的方法实现延时t₁，t₁应设置为大于一个采样频率周期内高电平持续时间且小于一个采样频率脉冲周期，延时结束进入状态3；

2.3.4)进入状态3后，输出高电平，对采样频率脉冲信号从0开始进行上升沿计数，当计数值等于预设的采样次数值加一后，进入状态4；

2.3.5)进入状态4后，采用对高频时钟脉冲进行计数的方法实现延时t₂，t₂应设置为大于一个采样频率周期内高电平持续时间且小于一个采样频率脉冲周期，延时结束进入状态5；

2.3.6)进入状态5后，输出低电平，对高频时钟计数的方法延迟t₃，延时结束进入状态6；

2.3.7)进入状态6后，如果重复次数值不为0，则回到状态2，否则回到初始状态0。

3)同步控制脉冲信号输入测量矩阵加载模块3、门控光子计数模块2；

4)单光子脉冲输入脉冲展宽模块4进行展宽；

5)门控光子计数模块2在同步控制脉冲信号的控制下进行光子计数，其工作时序如图4所示，门控光子计数模块2在检测到同步控制脉冲信号的上升沿时，判断是否为一组同步控制脉冲信号中的第一个同步控制脉冲，如果是，则对计数器清零，对输入的展宽单光子脉冲重新从0开始计数；如果不是，则将这个脉冲与前一脉冲间隔内的展宽单光子脉冲计数通过第二USB接口通信模块6输出至PC，同时计数器清零，对输入的展宽单光子脉冲重新从0开始计数；判断一个同步控制脉冲是否为每组的第一个同步控制脉冲可通过对同步控制脉冲计数实现，1，(N+1)+1，2(N+1)+1，3(N+1)+1，……为每组的第一个同步控制脉冲；

6)测量矩阵加载模块3在接收到同步控制脉冲信号的上升沿时，判断是否为一组同步控制脉冲信号中的最后一个同步控制脉冲，如果不是，从SDRAM中读取一个测量矩阵发送到DMD控制器，同时将这个测量矩阵通过第一USB接口通信模块5发送到PC用于图像重建；如果是，则不发送数据；判断一个同步控制脉冲是否为每组的最后一个同步控制脉冲可通过对同步控制脉冲计数实现，N+1，2(N+1)，3(N+1)，4(N+1)，……为每组的最后一个同步控制脉冲。

PC将通过第二USB接口通信模块6接收到的光子数序列作为测量值y，并利用第一USB接口通信模块5接收到的测量矩阵Φ，将两者输入压缩感知重建算法，求解式(1)所示的凸优化问题即可以较大概率高精度恢复原始图像x。

图5所示为利用本发明搭建的单光子压缩成像系统框图。实验中，极微弱光照射在待成像物体上，经成像透镜成像在数字微镜器件(DMD)上。本系统数字微镜采用TI公司(Texas Instruments DLP4100)型DMD，由1024×768个的微反射镜阵列组成，微镜尺寸为13.68um×13.68um。每个微镜可以在加载到DMD上的随机二值矩阵的控制下独立实现±12°偏转。实验中在DMD微镜的+12°反射方向上设置透镜，通过透镜将微镜反射光收集进单光子探测器。每次测量时，单光子压缩成像控制装置加载随机测量矩阵至DMD控制器，并同步对该次测量时间间隔内单光子探测器输出离散单光子脉冲进行计数光子计数值即测量值、所用的随机测量矩阵被发送至PC，PC将接收到的测量值及测量矩阵输入压缩感知重建算法进行图像恢复。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种单光子压缩成像的控制装置，其特征在于：包括同步控制脉冲产生模块（1）、门控光子计数模块（2）、测量矩阵加载模块（3）、脉冲展宽模块（4）、第一USB接口通信模块（5），第二USB接口通信模块（6），测量矩阵生成模块（7）；

所述的同步控制脉冲产生模块（1）的输入端输入高频时钟信号，所述同步控制脉冲产生模块（1）产生的同步控制脉冲信号同时输出至门控光子计数模块（2）和测量矩阵加载模块（3）；

所述的脉冲展宽模块（4）对输入的单光子脉冲展宽后输入门控光子计数模块（2）；所述的门控光子计数模块（2）与第二USB接口通信模块（6）相连，用于将门控光子计数模块（2）在同步控制脉冲信号控制下计数得到的光子计数值输出至PC；

所述的第一USB接口通信模块（5）与同步控制脉冲产生模块（1）相连，用于将PC输入的采样参数发送到同步控制脉冲产生模块（1）；

所述的第一USB接口通信模块（5）与测量矩阵加载模块（3）相连，用于将PC输入的测量矩阵生成参数发送到测量矩阵加载模块（3）；

所述的测量矩阵加载模块（3）与测量矩阵生成模块（7）相连，用于在测量矩阵加载模块（3）接收到测量矩阵生成指令时启动测量矩阵生成模块（7）生成测量矩阵；

所述的测量矩阵加载模块（3）和SDRAM相连，用于将生成的测量矩阵存储至SDRAM；

所述的测量矩阵加载模块（3）与DMD控制器相连, 用于测量矩阵加载模块在接收到同步控制脉冲信号的上升沿时，从SDRAM中读取一个测量矩阵发送到DMD控制器，同时将这个测量矩阵通过第一USB接口通信模块（5）发送到PC。

2.一种单光子压缩成像的控制装置，其特征在于：所述的同步控制脉冲产生模块（1）、门控光子计数模块（2）、测量矩阵加载模块（3）、脉冲展宽模块（4）、第一USB接口通信模块（5）、第二USB接口通信模块（6）和测量矩阵生成模块（7）用FPGA芯片实现。

3.一种基于权利要求1所述的单光子压缩成像控制装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）生成测量矩阵

1.1）设置测量矩阵生成参数

在上位机软件进行操作，将各测量矩阵生成参数通过第一USB接口通信模块（5）发送给测量矩阵加载模块（3）缓存；

1.2）在上位机软件进行操作, 发出测量矩阵生成指令，通过第一USB接口通信模块（5）发送给测量矩阵加载模块（3）；

1.3）测量矩阵加载模块（3）收到测量矩阵生成指令后，向测量矩阵生成模块（7）输出测量矩阵类型P，并启动测量矩阵生成模块（7）；

1.4）测量矩阵生成模块（7）生成一个测量矩阵；

1.5）测量矩阵加载模块（3）读取测量矩阵生成模块（7）生成的测量矩阵，存储至SDRAM；

1.6）重复1.4）-1.5），直至SDRAM中测量矩阵的个数等于预设的测量矩阵个数；

2）产生同步控制脉冲信号

2.1）设置采样参数

在上位机软件进行操作，将各采样参数通过第一USB接口通信模块（5）发送给同步控制脉冲产生模块（1）；

2.2）对外部输入的高频时钟信号进行分频产生采样频率脉冲信号，频率与预设的采样频率一致；

2.3）产生门控方波信号，方波的个数与预设的重复测量次数一致，每个方波内对应的采样频率脉冲的个数等于预设采样次数的值加一；

2.4）门控方波信号与采样频率脉冲信号相与得到同步控制脉冲信号；

3）同步控制脉冲信号输入测量矩阵加载模块（3）、门控光子计数模块（2）；

4）单光子脉冲输入脉冲展宽模块（4）进行展宽；

5) 门控光子计数模块（2）在检测到同步控制脉冲信号的上升沿时；判断是否为一组同步控制脉冲信号中的第一个同步控制脉冲，如果是，则对计数器清零，对输入的展宽单光子脉冲重新从0开始计数；如果不是，则将这个脉冲与前一脉冲间隔内的展宽单光子脉冲计数通过第一USB接口通信模块（6）输出至PC，同时计数器清零，对输入的展宽单光子脉冲重新从0开始计数；

6）测量矩阵加载模块（3）在接收到同步控制脉冲信号的上升沿时，判断是否为一组同步控制脉冲信号中的最后一个同步控制脉冲，如果不是，从SDRAM中读取一个测量矩阵发送到DMD控制器，同时将这个测量矩阵通过第一USB接口通信模块（5）发送到PC；如果是，则不发送数据。

4.根据权利要求3所述的单光子压缩成像控制装置的控制方法，其特征在于，所述的门控方波信号的产生采用如下状态机实现：

1）系统复位后，进入初始状态0，检测到开始测量信号上升沿，进入状态（1）；

2）进入状态（1）后，检测到采样频率脉冲信号上升沿后，重复测量次数减一，进入状态2；

3）进入状态（2）后，采用对高频时钟脉冲进行计数的方法实现延时t ₁，t ₁应设置为大于一个采样频率周期内高电平持续时间且小于一个采样频率脉冲周期，延时结束进入状态3；

4）进入状态（3）后，输出高电平，对采样频率脉冲信号从0开始进行上升沿计数，当计数值等于预设的采样次数值加一后，进入状态（4）；

5）进入状态（4）后，采用对高频时钟脉冲进行计数的方法实现延时t ₂， t ₂应设置为大于一个采样频率周期内高电平持续时间且小于一个采样频率脉冲周期，延时结束进入状态（5）；

6）进入状态（5）后，输出低电平，对高频时钟计数的方法延迟t ₃，延时结束进入状态6；

7）进入状态（6）后，如果重复次数值不为0，则回到状态（2），否则回到初始状态0。