CN108680559A

CN108680559A - 激光诱导击穿光谱iccd时间分辨测量方法和系统

Info

Publication number: CN108680559A
Application number: CN201810405780.6A
Authority: CN
Inventors: 段发阶; 傅骁; 蒋佳佳; 黄婷婷; 马凌; 张聪
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2018-04-29
Filing date: 2018-04-29
Publication date: 2018-10-19

Abstract

本发明属于光谱测量领域，为提出激光诱导击穿光谱技术的分析过程，观测等离子体随时间的变化情况的新途径，本发明激光诱导击穿光谱ICCD时间分辨测量方法和系统，由激光器、聚焦镜、像增强电荷耦合器件ICCD、驱动电路、数据、时序控制部件、信号调理电路组成，其中，ICCD由光学镜头、像增强器、光纤面板、面阵CCD器件构成，镜头后焦面与像增强器阴极接收面重合，像增强器阳极荧光屏与光纤面板前表面耦合固定，光纤面板后表面与面阵CCD器件前表面耦合固定，激光器产生的激光经聚焦镜投射到被测物体并在其表面产生瞬间等离子体，数据、时序控制部件控制可调的延时时间。本发明主要应用于时间分辨测量场合。

Description

激光诱导击穿光谱ICCD时间分辨测量方法和系统

技术领域

本发明属于光谱测量领域，特别是一种用于激光诱导击穿光谱技术的ICCD时间分辨测量系统与装置。

背景技术

激光诱导击穿光谱(LIBS)技术，是原子发生光谱技术中新兴且极具发展潜力的一项分析技术，其利用聚焦的高能量脉冲激光照射在待测物质表面，激发产生等离子体，并对辐射出的光谱进行定性或定量分析。激光诱导击穿光谱技术可实现原位、准无损、非金属样品的检测且几乎无需样品制备，吸引了大量研究学者的关注，在冶金、石油化工、农业、医药、环境科学、生命科学等各个领域正发挥着越来越大的作用。

激光诱导击穿光谱技术的进一步发展，同时也对相应检测仪器性能的提高和相关光谱分析方法的改进提出了更高的要求。激光诱导击穿光谱具有显著的时间分辨特性，其诱导产生的等离子体寿命极短(3-4us)，等离子体在这一过程中不同时刻的变化和光谱研究至关重要，目前采用ICCD的高性能光谱仪是唯一实现方法。ICCD(Intensified Charge-Coupled Device)即像增强电荷耦合器件，实际是由像增强器与CCD相机组合形成的一种微光探测器。像增强器用于将微弱光信号放大增强，再经过光纤面板耦合至光电传感器——CCD的像面上，最终输出电信号形成图像。ICCD性能远远超过一般的成像仪器，最重要的是ICCD能够实现时间分辨测量，可精确控制延时和曝光时间(us甚至ns级)，能够用于对瞬态的物理、化学、生物过程开展时间尺度上的精细研究。

然而，目前我国尚没有自主知识产权的ICCD相机，相关技术领域几乎空白，激光诱导击穿光谱研究中的所有科研级ICCD相机均依赖进口，而进口的ICCD相机一方面价格昂贵(数十万人民币)，一旦出现问题维修困难，另一方面国外对我国某些技术处于封锁状态，特别是涉及微光成像、夜视等可能应用于军事的产品，其出口受国外有关部门的严格管制。因此，研制用于激光诱导击穿光谱技术的ICCD时间分辨测量系统与装置十分必要。

发明内容

为克服现有技术的不足：

(1)本发明的目的是提供一种用于激光诱导击穿光谱技术的ICCD时间分辨测量系统，可在微秒量级控制ICCD的延时或曝光时间，利用FPGA、SRAM、ARM等核心电子元器件，实现高可靠、精密的时序控制；系统采用完全自主开发的ICCD模组，解决时间分辨测量的关键技术问题；该系统可推广应用于军事(微光夜视)、天文(星空摄像)、化学分析(光谱成像)等领域，具有控制精度高、灵活性强的优点；

(2)本发明的另一目的是提供一种(1)中所述系统的实现装置，用于激光诱导击穿光谱技术的分析过程，观测等离子体随时间的变化情况；装置主要包括光学镜头、国产紫外像增强器、光纤面板、面阵CCD芯片和信号调理与控制电路，装置全部采用基础电子器件，具有成本低廉、可靠性强的特点，可替换国外同类产品，实现在激光诱导击穿光谱技术中的时间分辨测量。

为此，本发明采用的技术方案是，激光诱导击穿光谱ICCD时间分辨测量系统，由激光器、聚焦镜、像增强电荷耦合器件ICCD、驱动电路、数据、时序控制部件、信号调理电路组成，其中，ICCD由光学镜头、像增强器、光纤面板、面阵CCD器件构成，镜头后焦面与像增强器阴极接收面重合，像增强器阳极荧光屏与光纤面板前表面耦合固定，光纤面板后表面与面阵CCD器件前表面耦合固定，激光器产生的激光经聚焦镜投射到被测物体并在其表面产生瞬间等离子体，数据、时序控制部件控制可调的延时时间后，输出控制信号给驱动电路，驱动电路控制ICCD中的像增强器进行曝光，曝光及延时时间可调，ICCD曝光形成的光信号被像增强器放大后经光纤面板传到面阵CCD器件接收面经其转换为电信号，电信号通过信号调理电路，经过隔直、放大、滤波、相关双采样处理后输出至计算机。

进一步地，数据、时序控制部件由ARM处理器、现场可编程门阵列FPGA构成，ARM处理器收到指令后与FPGA时序控制器通讯，之后由FPGA时序控制器发出指令进行时序控制：

①控制激光器发出脉冲激光，经聚焦镜汇聚至样品表面，产生瞬间等离子体；

②经过可调的延时时间后，输出控制信号给驱动电路，驱动电控制ICCD中的像增强器进行曝光；

③像增强器曝光与延时时间可调。

激光诱导击穿光谱ICCD时间分辨测量方法，首先，利用计算机与ARM处理器通讯发出指令，ARM处理器收到指令后与FPGA时序控制器通讯，使FPGA时序控制器同时做出如下动作：1)控制激光器发出脉冲激光，经聚焦镜汇聚至样品表面，产生瞬间等离子体；2)经过可调的延时时间后，输出控制信号给驱动电路，驱动电路控制ICCD模组中的像增强器进行曝光，曝光时间可调；3)输出控制信号给SRAM存储器，控制SRAM存储器进行信号存储，图像信号经信号调理电路后送入SRAM存储器暂存，然后进行后续处理。

所属后续处理是利用Marr边缘检测算法进行提取，识别等离子体在图像中的目标位置，计算区域大小，具体地，假设原始图像信号为{f(i,j)}，i、j为像素水平、垂直序号，定义二维高斯函数

式中，σ为空间分布系数，x、y为像素水平、垂直坐标，用G_σ(x,y)对原始图像{f(i,j)}进行卷积，得到平滑后的图像{I(i,j)}，再对图像作Lap1acian算子运算得到

通过找到二阶导数的零交叉点，完成边缘提取。

本发明的特点及有益效果是：

(1)本发明提供一种用于激光诱导击穿光谱技术的ICCD时间分辨测量系统，可在微秒量级控制ICCD的延时或曝光时间，拍摄激光诱导等离子体的瞬时图像，利用FPGA、SRAM、ARM等核心电子元器件，实现高可靠、精密的时序控制；系统采用完全自主开发的ICCD模组，解决时间分辨测量的关键技术问题；该系统可推广应用于军事(微光夜视)、天文(星空摄像)、化学分析(光谱成像)等领域，具有控制精度高、灵活性强的优点。

(2)本发明提供一种用于激光诱导击穿光谱技术的ICCD时间分辨测量装置，用于激光诱导击穿光谱技术的分析过程，观测等离子体随时间的变化情况；装置主要包括光学镜头、国产紫外像增强器、光纤面板、面阵CCD芯片和信号调理与控制电路，装置全部采用基础电子器件，具有成本低廉、可靠性强的特点，可替换国外同类产品，实现在激光诱导击穿光谱技术中的时间分辨测量。

附图说明：

图1是本发明用于激光诱导击穿光谱技术的ICCD时间分辨测量系统原理图。

图2是本发明用于激光诱导击穿光谱技术的ICCD时间分辨测量装置示意图。

图3是本发明信号调理电路原理框图。

图4是利用本发明ICCD时间分辨测量装置拍摄的等离子体随时间变化图。

图1中，1 为激光器，2 为聚焦镜，3 为样品，4 为FPGA时序控制器，5 为驱动电路，6 为ICCD模组，7 为ARM处理器，8 为SRAM存储器，9 为信号调理电路，10 为计算机。

图2中，11 为光学镜头，12 为ICCD外壳，13 为像增强器，14 为光纤面板，15 为面阵CCD芯片，16 为信号调理和控制电路，17 为数据接口。

图3中，18 为隔直电路，19 为放大电路，20 为高通滤波电路，21 为相关双采样电路。

具体实施方式

本发明采用的技术方案是，一种用于激光诱导击穿光谱技术的ICCD时间分辨测量系统与装置，由以下部分组成：

第一部分，用于激光诱导击穿光谱技术的ICCD时间分辨测量系统。

如图1所示，系统由激光器、聚焦镜、样品、ICCD模组、信号调理电路、驱动电路、FPGA时序控制器、SRAM存储器、ARM处理器、计算机构成。

首先，计算机与ARM处理器通讯发出指令，ARM处理器收到指令后与FPGA时序控制器通讯，之后FPGA时序控制器同时做出如下动作：1、控制激光器发出脉冲激光，经聚焦镜汇聚至样品表面，产生瞬间等离子体；2、经过可调的延时时间后，输出控制信号给驱动电路，驱动电路控制ICCD模组中的像增强器进行曝光，曝光时间可调；3、输出控制信号给SRAM存储器，控制SRAM存储器进行信号存储，图像信号经信号调理电路后送入SRAM存储器暂存。然后，ARM处理器从SRAM存储器中读出暂存的数据，经以太网或USB传入计算机进行后续处理。

第二部分，用于激光诱导击穿光谱技术的ICCD时间分辨测量装置。

如图2所示，装置由光学镜头、ICCD外壳、像增强器、光纤面板、面阵CCD器件、信号调理与控制电路、数据接口构成。

光学镜头与ICCD外壳采用标准C口连接固定，镜头后焦面与像增强器阴极接收面重合，像增强器阳极荧光屏与光纤面板前表面耦合固定，光纤面板后表面与面阵CCD芯片前表面耦合固定，CCD芯片固定于电路板上，电路板之间采用排针连接，电路板与ICCD外壳外径通过长螺丝固定，ICCD外壳内径与像增强器外径通过过盈配合固定。装置的工作原理为，将样品置于光学镜头前方一定距离，激光激发样品产生等离子体，等离子体某一时刻的发光情况经光学镜头成像于像增强器前表面，此时精确时序触发信号经数据接口接入，通过信号控制电路，控制像增强器阴极接收面开通特定时间进行曝光，光信号被像增强器放大后经光纤面板传到面阵CCD芯片接收面，光信号被CCD转换为电信号，电信号通过信号调理电路，经过隔直、放大、滤波、相关双采样处理后，由数据接口输出至计算机。

计算机对图像中的边缘信息利用Marr边缘检测算法进行提取，识别等离子体在图像中的目标位置，计算区域大小。假设原始图像信号为{f(i,j)}，i、j为像素水平、垂直序号，定义二维高斯函数

式中，σ为空间分布系数，x、y为像素水平、垂直坐标。用G_σ(x,y)对原始图像{f(i,j)}进行卷积，得到平滑后的图像{I(i,j)}，再对图像作Lap1acian算子运算得到

通过找到二阶导数的零交叉点，完成边缘提取。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细描述。

如图1所示，系统由激光器1、聚焦镜2、样品3、ICCD模组6、信号调理电路9、驱动电路5、FPGA时序控制器4、SRAM存储器8、ARM处理器7、计算机10构成。

首先，计算机10与ARM处理器7通讯发出指令，ARM处理器7收到指令后与FPGA时序控制器4通讯，之后FPGA时序控制器4同时做出如下动作：①控制激光器1发出脉冲激光，经聚焦镜2汇聚至样品3表面，产生瞬间等离子体；②经过可调的延时时间后，输出控制信号给驱动电路5，驱动电路5控制ICCD模组6中的像增强器进行曝光，曝光时间可调；3、输出控制信号给SRAM存储器8，控制SRAM存储器8进行信号存储，图像信号经信号调理电路9后送入SRAM存储器8暂存。然后，ARM处理器7从SRAM存储器8中读出暂存的数据，经以太网或USB传入计算机10进行后续处理。

如图2所示，装置由光学镜头11、ICCD外壳12、像增强器13、光纤面板14、面阵CCD器件15、信号调理与控制电路16、数据接口17构成。

光学镜头11与ICCD外壳12采用标准C口连接固定，光学镜头11后焦面与像增强器13阴极接收面重合，像增强器13阳极荧光屏与光纤面板14前表面耦合固定，光纤面板14后表面与面阵CCD芯片15前表面耦合固定，面阵CCD芯片15固定于电路板上，电路板之间采用排针连接，电路板与ICCD外壳12外径通过长螺丝固定，ICCD外壳12内径与像增强器13外径通过过盈配合固定。装置的工作原理为，将样品置于光学镜头11前方一定距离，激光激发样品产生等离子体，等离子体某一时刻的发光情况经光学镜头11成像于像增强器13前表面，此时精确时序触发信号经数据接口17接入，通过信号控制电路16，控制像增强器13阴极接收面开通特定时间进行曝光，光信号被像增强器13放大后经光纤面板14传到面阵CCD芯片15接收面，光信号被转换为电信号，电信号通过信号调理电路16，经过隔直电路18、放大电路19、滤波电路20、相关双采样电路21处理后，由数据接口17输出至计算机。

通过找到二阶导数的零交叉点，完成边缘提取。

Claims

1.一种激光诱导击穿光谱ICCD时间分辨测量系统，其特征是，由激光器、聚焦镜、像增强电荷耦合器件ICCD、驱动电路、数据、时序控制部件、信号调理电路组成，其中，ICCD由光学镜头、像增强器、光纤面板、面阵CCD器件构成，镜头后焦面与像增强器阴极接收面重合，像增强器阳极荧光屏与光纤面板前表面耦合固定，光纤面板后表面与面阵CCD器件前表面耦合固定，激光器产生的激光经聚焦镜投射到被测物体并在其表面产生瞬间等离子体，数据、时序控制部件控制可调的延时时间后，输出控制信号给驱动电路，驱动电路控制ICCD中的像增强器进行曝光，曝光及延时时间可调，ICCD曝光形成的光信号被像增强器放大后经光纤面板传到面阵CCD器件接收面经其转换为电信号，电信号通过信号调理电路，经过隔直、放大、滤波、相关双采样处理后输出至计算机。

2.如权利要求1所述的激光诱导击穿光谱ICCD时间分辨测量系统，其特征是，进一步地，数据、时序控制部件由ARM处理器、现场可编程门阵列FPGA构成，ARM处理器收到指令后与FPGA时序控制器通讯，之后由FPGA时序控制器发出指令进行时序控制：

③像增强器曝光与延时时间可调。

3.一种激光诱导击穿光谱ICCD时间分辨测量方法，其特征是，首先，利用计算机与ARM处理器通讯发出指令，ARM处理器收到指令后与FPGA时序控制器通讯，使FPGA时序控制器同时做出如下动作：1)控制激光器发出脉冲激光，经聚焦镜汇聚至样品表面，产生瞬间等离子体；2)经过可调的延时时间后，输出控制信号给驱动电路，驱动电路控制ICCD模组中的像增强器进行曝光，曝光时间可调；3)输出控制信号给SRAM存储器，控制SRAM存储器进行信号存储，图像信号经信号调理电路后送入SRAM存储器暂存，然后进行后续处理。

4.如权利要求3所述的激光诱导击穿光谱ICCD时间分辨测量方法，其特征是，所属后续处理是利用Marr边缘检测算法进行提取，识别等离子体在图像中的目标位置，计算区域大小，具体地，假设原始图像信号为{f(i,j)}，i、j为像素水平、垂直序号，定义二维高斯函数：

式中，σ为空间分布系数，x、y为像素水平、垂直坐标，用G_σ(x,y)对原始图像{f(i,j)}进行卷积，得到平滑后的图像{I(i,j)}，再对图像作Lap1acian算子运算得到：

通过找到二阶导数的零交叉点，完成边缘提取。