一种超灵敏单光子压缩光谱成像的控制装置及控制方法与流程

本发明涉及光谱成像领域，特别涉及光谱成像成像领域中一种超灵敏单光子压缩光谱成像的控制装置及控制方法。

背景技术：

近年来，光谱成像作为一种新兴的技术，由于其具有探测物体的空间和光谱信息的特性，在物质分析中具有很大的优势。光谱成像是生物荧光显微成像、蛋白质结构分析、材料分析、环境监测、天文观测、遥感等领域的研究前沿与热点之一，同时可以帮助分析物质组成以及浓度分布等，常规需要三个维度的探测，即二维空间信息、一维光谱信息。传统时间分辨成像光谱技术主要有荧光寿命显微成像(fluorescencelife-timeimagingmicroscopy，flim)、荧光寿命相关光谱(fluorescencelifetimecorrelationspectroscopy，flcs)技术和多维度荧光寿命显微技术。其中，荧光寿命成像(flim)和荧光寿命相关光谱(flcs)设备是用来观察晶体材料、量子器件和生物物理的微观结构的主要分析手段之一。传统的光谱技术和影像技术是人们认识客观世界的重要手段，广泛应用于物理、化学及生物等基础科学研究中，但是还远远无法满足当前科学家的需求。

传统的成像光谱测量方法无法同时给出待测物体在空间上多点的光谱信息，通常需要通过扫描空间上的点来获得相应的空间分布，而这机械扫描将会带来光学系统的不稳定性和时间的损耗；或者利用滤光片组分别滤出需要的波长段再用面阵探测器进行探测其空间分布信息，这样可以获得单一波段的光谱成像，而要获得多波段或全波段的光谱成像只能通过改变滤光系统进行重复测量。

cs理论已经被用于成像光谱中，在此，现在提出一种新方案，即采用双dmd同步协调控制，并对光谱线进行随机光强调制，进而用一个点探测器收集光谱线调制后的总光强，最后利用cs恢复出成像光谱，避免了机械扫描，并极大地缩减了采样的时间，进一步减少测量维度，将三维测量维度降低到一个点，光通量进一步扩大，超灵敏的优势更为突出。

技术实现要素：

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：

一种超灵敏单光子压缩光谱成像的控制装置，包括同步控制脉冲产生模块、门控光子计数模块、第一随机测量矩阵加载模块、脉冲展宽模块、第一usb接口通信模块，第二usb接口通信模块，随机测量矩阵生成模块、第二随机测量矩阵加载模块；

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，输出端产生两路脉冲信号，其中一路输出至第一随机测量矩阵加载模块，另一路分别输出至门控光子计数模块和第二随机测量矩阵加载模块；所述第一随机测量矩阵加载模块和第二随机测量矩阵加载模块均与随机测量矩阵生成模块连接，且均与各自的存储器和控制器连接，所述控制器用于在两个随机测量矩阵加载模块接收到同步控制脉冲信号的上升沿时，从各自的存储器中读取随机测量矩阵发送到各自的控制器；

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b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接口通信模块还与随机测量矩阵生成模块相连，用于pc和随机测量矩阵生成模块之间的数据交换。

所述存储器为sdram同步动态随机存储器，所述第一随机测量矩阵加载模块与随机测量矩阵生成模块、sdrama相连，用于将随机测量矩阵生成模块生成的随机测量矩阵存储至sdrama；所述第二随机测量矩阵加载模块与随机测量矩阵生成模块、sdramb相连，用于将随机测量矩阵生成模块生成的随机测量矩阵b存储至sdramb。

所述控制器为dmd控制器，所述第一随机测量矩阵加载模块与dmda控制器相连,用于随机测量矩阵加载模块在接收到同步控制脉冲信号a的上升沿时，从sdrama中读取随机测量矩阵a发送到dmda控制器；所述的第二随机测量矩阵加载模块与dmdb控制器相连,用于随机测量矩阵加载模块在接收到同步控制脉冲信号b的上升沿时，从sdramb中读取随机测量矩阵b发送到dmdb控制器。

所述的同步控制脉冲产生模块、门控光子计数模块、第一随机测量矩阵加载模块、脉冲展宽模块、第一usb接口通信模块、第二usb接口通信模块、随机测量矩阵生成模块、第二随机测量矩阵加载模块用fpga芯片实现。

一种超灵敏单光子压缩光谱成像的控制装置的控制方法，包括以下步骤：

1)生成随机测量矩阵

1.1)设置随机测量矩阵生成参数

在上位机软件进行操作，将随机测量矩阵a和随机测量矩阵b生成的参数和随机测量矩阵生成指令通过第一usb接口通信模块发送给随机测量矩阵生成模块；

1.2)随机测量矩阵生成模块将生成的随机测量矩阵a和随机测量矩阵b发送给pc保存；

1.3)第一随机测量矩阵加载模块读取随机测量矩阵生成模块生成的随机测量矩阵a存储到sdrama；

1.4)第二随机测量矩阵加载模块读取随机测量矩阵生成模块生成的随机测量矩阵b存储到sdramb；

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，将采样参数：采样频率f、dmda测量次数m、dmdb测量次数n、重复测量次数p，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)同步控制脉冲产生模块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a与采样频率脉冲信号b，采样频率脉冲信号b的频率为f；采样频率脉冲信号a的频率为采样频率脉冲信号b的n+2倍分频；

2.3)产生门控方波信号a，让门控方波信号a的方波的个数与预设的重复测量次数p一致，每个门控方波信号a内对应的采样频率脉冲信号a的脉冲个数等于m+1；

2.4)产生门控方波信号b，每个门控方波信号b内对应的采样频率脉冲信号b的脉冲个数等于n+1；

2.5)门控方波信号a与采样频率脉冲信号a相与得到同步控制脉冲信号a；

2.6)门控方波信号b与采样频率脉冲信号b相与得到同步控制脉冲信号b；

3)同步控制脉冲信号a输入至第一随机测量矩阵加载模块，同步控制脉冲信号b输入至第二随机测量矩阵加载模块b与门控光子计数模块；

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b的上升沿时，判断是否为一组同步控制脉冲信号b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)第一随机测量矩阵加载模块在检测到同步控制脉冲信号a的上升沿时，判断是否为一组同步控制脉冲信号a中的最后一个同步控制脉冲，如果不是，从sdrama中读取一个随机测量矩阵发送到dmda控制器，控制dmda翻转；

7)第二随机测量矩阵加载模块在检测到同步控制脉冲信号b的上升沿时，判断是否为一组同步控制脉冲信号b中的最后一个同步控制脉冲，如果不是，从sdramb中读取一个随机测量矩阵发送到dmdb控制器，控制dmdb翻转。

所述的门控方波信号a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，当检测到开始测量信号上升沿，存重复测量次数值到寄存器a，然后进入状态一；

2)进入状态一后，检测到采样频率脉冲信号a上升沿后，寄存器a减一，进入状态二；

3)进入状态二后，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脉冲信号a周期内高电平持续时间且小于一个采样频率脉冲信号a周期，延时结束进入状态三；

4)进入状态三后，门控方波信号a变为高电平，对采样频率脉冲信号a从0开始进行上升沿计数，当计数值等于m+1后，进入状态四；

5)进入状态四后，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脉冲信号a周期内高电平持续时间且小于一个采样频率脉冲信号a周期，延时结束进入状态五；

6)进入状态五后，门控方波信号a变为低电平，对高频时钟计数的方法延迟t3，t3应设置为大于一个采样频率脉冲信号a周期内高电平持续时间且小于一个采样频率脉冲信号a周期，延时结束进入状态六；

7)进入状态六后，如果寄存器a不为0，则回到状态一，否则回到初始状态0；

所述的门控方波信号b的产生采用如下状态机实现：

1)当系统复位时，进入初始状态0，检测到门控方波信号a的上升沿，存dmda测量次数m到寄存器b，然后进入状态一；

2)进入状态一后，检测到同步控制脉冲信号a上升沿时，寄存器b减一，进入状态二；

3)进入状态二后，采用对高频时钟脉冲进行计数的方法实现延时s1，s1应设置为大于一个采样频率脉冲信号b周期内高电平持续时间且小于一个采样频率脉冲信号b周期，延时结束进入状态三；

4)进入状态三后，门控方波信号b变为高电平，对采样频率脉冲信号b从0开始进行上升沿计数，当计数值等于n+1后，进入状态四；

5)进入状态四后，采用对高频时钟脉冲进行计数的方法实现延时s2，s2应设置为大于一个采样频率脉冲信号b周期内高电平持续时间且小于一个采样频率脉冲信号b周期，延时结束，门控方波信号b变为低电平，进入状态五；

6)进入状态五后，如果寄存器b不为0，则回到状态一，否则回到初始状态0。

本发明的有益效果：

1.参数灵活可调。本发明提出的一种超灵敏单光子压缩光谱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随机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，实现超灵敏单光子压缩光谱成像。

3.集成度高。本发明在一个功能板上同时集成了随机测量矩阵加载模块、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为本发明超灵敏单光子压缩光谱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信号产生时序图。

图3为本发明门控光子计数时序图。

图4为应用本发明的成像系统框图。

图中，1为同步控制脉冲1产生模块，2为门控光子计数模块，3为第一随机测量矩阵加载模块，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为随机测量矩阵生成模块，8为第二随机测量矩阵加载模块。

具体实施方式

实施例：参见图1-4。

本发明涉及到的字母代号的含义如下：

sdram:synchronousdynamicrandomaccessmemory，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：digitalmicromirrordevice，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用于根据随机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：personalcomputer，个人计算机。

本实施例公开了一种超灵敏单光子压缩光谱成像的控制装置，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、第一随机测量矩阵加载模块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，随机测量矩阵生成模块7、第二随机测量矩阵加载模块8；

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，输出端产生两路脉冲信号，标记为同步控制脉冲信号a和同步控制脉冲信号b,由时钟频率为50m的fpga来产生控制,在alterade2-115开发板的cycloneiv芯片上实现。其中同步控制脉冲信号a输出至第一随机测量矩阵加载模块3，同步控制脉冲信号b分别输出至门控光子计数模块2和第二随机测量矩阵加载模块8；所述第一随机测量矩阵加载模块3和第二随机测量矩阵加载模块8均与随机测量矩阵生成模块7连接，且均与各自的存储器和控制器连接，所述控制器用于在两个随机测量矩阵加载模块接收到同步控制脉冲信号的上升沿时，从各自的存储器中读取随机测量矩阵发送到各自的控制器；

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b控制下计数得到的光子计数值输出至pc；因为考虑到pmt探测器将接收到单光子转化成电信号输出，输出信号的高电平脉宽较窄，会导致时钟频率为50m的fpga接收到的数值减少，所以需要单光子脉冲展宽模块，减小实验误差；

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，发送的参数包括但不限于采样频率f、dmda翻转次数m、dmdb翻转次数n、重复测量次数p等；所述的第一usb接口通信模块5还与随机测量矩阵生成模块7相连，用于pc和随机测量矩阵生成模块之间的数据交换。

所述存储器为sdram同步动态随机存储器，所述第一随机测量矩阵加载模块3与随机测量矩阵生成模块7、sdrama相连，用于将随机测量矩阵生成模块7生成的随机测量矩阵a存储至sdrama；所述第二随机测量矩阵加载模块8与随机测量矩阵生成模块7、sdramb相连，用于将随机测量矩阵生成模块7生成的随机测量矩阵b存储至sdramb。

所述控制器为dmd控制器，所述第一随机测量矩阵加载模块3与dmda控制器相连,用于随机测量矩阵加载模块3在接收到同步控制脉冲信号a的上升沿时，从sdrama中读取随机测量矩阵a发送到dmd控制器，dmda控制器加载的随机测量矩阵a可以对成像物体的光强进行随机调制；所述的第二随机测量矩阵加载模块8与dmdb控制器相连,用于随机测量矩阵加载模块8在接收到同步控制脉冲信号b的上升沿时，从sdramb中读取随机测量矩阵b发送到dmdb控制器，dmdb控制器加载的随机测量矩阵b对光谱线进行随机光强调制。

所述的同步控制脉冲产生模块1、门控光子计数模块2、第一随机测量矩阵加载模块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、随机测量矩阵生成模块7、第二随机测量矩阵加载模块8用fpga芯片实现。

本发明同时还公开了一种超灵敏单光子压缩光谱成像的控制装置的控制方法，包括以下步骤：

1)生成随机测量矩阵

1.1)设置随机测量矩阵生成参数

在上位机软件进行操作，将随机测量矩阵a和随机测量矩阵b生成的参数和随机测量矩阵生成指令通过第一usb接口通信模块5发送给随机测量矩阵生成模块7；

1.2)随机测量矩阵生成模块7将生成的随机测量矩阵a和随机测量矩阵b发送给pc保存；

1.3)第一随机测量矩阵加载模块3读取随机测量矩阵生成模块7生成的随机测量矩阵a存储到sdrama；

1.4)第二随机测量矩阵加载模块8读取随机测量矩阵生成模块7生成的随机测量矩阵b存储到sdramb；

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，将采样参数：采样频率f、dmda测量次数m、dmdb测量次数n、重复测量次数p，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)同步控制脉冲产生模块1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a与采样频率脉冲信号b，采样频率脉冲信号b的频率为f；采样频率脉冲信号a的频率为采样频率脉冲信号b的n+2倍分频；

2.3)产生门控方波信号a，让门控方波信号a的方波的个数与预设的重复测量次数p一致，每个门控方波信号a内对应的采样频率脉冲信号a的脉冲个数等于m+1；所述的门控方波信号a的产生采用如下状态机实现：的产生时序如图2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，当检测到开始测量信号上升沿，存重复测量次数值到寄存器a，然后进入状态一；

2.3.2)进入状态一后，检测到采样频率脉冲信号a上升沿后，寄存器a减一，进入状态二；

2.3.3)进入状态二后，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脉冲信号a周期内高电平持续时间且小于一个采样频率脉冲信号a周期，延时结束进入状态三；

2.3.4)进入状态三后，门控方波信号a变为高电平，对采样频率脉冲信号a从0开始进行上升沿计数，当计数值等于m+1后，进入状态四；

2.3.5)进入状态四后，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脉冲信号a周期内高电平持续时间且小于一个采样频率脉冲信号a周期，延时结束进入状态五；

2.3.6)进入状态五后，门控方波信号a变为低电平，对高频时钟计数的方法延迟t3，t3应设置为大于一个采样频率脉冲信号a周期内高电平持续时间且小于一个采样频率脉冲信号a周期，延时结束进入状态六；

2.3.7)进入状态六后，如果寄存器a不为0，则回到状态一，否则回到初始状态0；

2.4)产生门控方波信号b，每个门控方波信号b内对应的同步控制脉冲信号b的脉冲个数等于n+1；

2.4.1)当系统复位时，进入初始状态0，检测到门控方波信号a的上升沿，存dmda测量次数m到寄存器b，然后进入状态一；

2.4.2)进入状态一后，检测到同步控制脉冲信号a上升沿时，寄存器b减一，进入状态二；

2.4.3)进入状态二后，采用对高频时钟脉冲进行计数的方法实现延时s1，s1应设置为大于一个采样频率脉冲信号b周期内高电平持续时间且小于一个采样频率脉冲信号b周期，延时结束进入状态三；

2.4.4)进入状态三后，门控方波信号b变为高电平，对采样频率脉冲信号b从0开始进行上升沿计数，当计数值等于n+1后，进入状态四；

2.4.5)进入状态四后，采用对高频时钟脉冲进行计数的方法实现延时s2，s2应设置为大于一个采样频率脉冲信号b周期内高电平持续时间且小于一个采样频率脉冲信号b周期，延时结束，门控方波信号b变为低电平，进入状态五；

2.4.6)进入状态五后，如果寄存器b不为0，则回到状态一，否则回到初始状态0。

2.5)门控方波信号a与采样频率脉冲信号a相与得到同步控制脉冲信号a；

2.6)门控方波信号b与采样频率脉冲信号b相与得到同步控制脉冲信号b；

3)同步控制脉冲信号a输入至第一随机测量矩阵加载模块3，同步控制脉冲信号b输入至第二随机测量矩阵加载模块与门控光子计数模块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b的控制下进行光子计数，其工作时序如图3所示，门控光子计数模块2在检测到同步控制脉冲产生模块a产生的同步控制脉冲信号b的上升沿时，判断是否为一组同步控制脉冲信号b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)第一随机测量矩阵加载模块3在检测到同步控制脉冲信号a的上升沿时，判断是否为一组同步控制脉冲信号a中的最后一个同步控制脉冲，如果不是，从sdrama中读取一个随机测量矩阵发送到dmda控制器，控制dmda翻转；

7)第二随机测量矩阵加载模块8在检测到同步控制脉冲信号b的上升沿时，判断是否为一组同步控制脉冲信号b中的最后一个同步控制脉冲，如果不是，从sdramb中读取一个随机测量矩阵发送到dmdb控制器，控制dmdb翻转。

图4所示为利用本发明搭建的超灵敏单光子压缩光谱成像的控制装置系统框图。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(dmd1)上。本系统数字微镜采用ti公司(texasinstrumentsdlp4100)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。实验中以led作为光源，发出的光照射在物体上，通过成像透镜l1在dmda上成清晰完整的像，在dmda微镜的+12°反射方向上设置透镜，然后通过透镜l2聚焦于小孔上，再利用透镜l3准直平行，照射在闪耀光栅上，在透镜l4的焦平面形成光谱线，成像在dmdb上，最后用透镜l5将光谱线经调制后的总光强全部收集进光电倍增管pmt中。每次测量时，超灵敏单光子压缩光谱成像的控制装置将随机测量矩阵生成模块7生成的随机测量矩阵a通过随机测量矩阵加载模块3加载到dmda控制器上，将随机测量矩阵生成模块7生成的随机测量矩阵b通过随机测量矩阵加载模块8加载到dmdb控制器上，其中dmda控制器加载的随机测量矩阵a可以对成像物体空间二维像的光强进行随机调制，而dmdb控制器加载的随机测量矩阵b可以对光谱线进行随机光强调制，并同步对门控光子计数模块2在同步控制脉冲信号b控制下，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a与随机测量矩阵b被发送至pc，pc将接收到的测量值及这两个随机测量矩阵输入压缩感知重建算法进行图像恢复。

随机测量矩阵加载模块3的m个随机测量矩阵加载在dmda上，对物体的空间分布信息进行光强调制，其中i＝1,2,...,m，而dmda中的每个调制间隔，都将有随机测量矩阵加载模块8的n个随机测量矩阵加载在dmdb上，对物体的光谱信息进行光强调制,其中j＝1,2,...,n。光子计数器由dmdb的时序上升沿触发进行相关的计数，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，记录下光强值y。将与分别拉伸为行向量。分别作为随机测量矩阵a^η和a^μ中的第i和第j行。首先根据dmdb的随机测量矩阵和相应的m×n个计数y恢复出m组对应于dmda的光谱线，再将对应每个波长的光谱线上强度摘出来，组成y^λ，其次根据dmda的随机测量矩阵a^η和λ所相应的测量值y^λ，重建出波长为λ的二维图像。这里需要用透镜将dmdb调制的光全部收集进光子计数器。

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。