一种超灵敏单光子压缩光谱成像的控制装置及控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种超灵敏单光子压缩光谱成像的控制装置及控制方法。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。本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种超灵敏单光子压缩光谱成像的控制装置及控制方法
本专利技术涉及光谱成像领域，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。为了实现本专利技术的目的，本专利技术采用的技术手段为：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的产生采用如本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超灵敏单光子压缩光谱成像的控制装置，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)、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，其中一路输出至第一随机测量矩阵加载模块(3)，另一路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；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)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。...

【技术特征摘要】
1.一种超灵敏单光子压缩光谱成像的控制装置，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)、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，其中一路输出至第一随机测量矩阵加载模块(3)，另一路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；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)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。2.根据权利要求1所述的一种超灵敏单光子压缩光谱成像的控制装置，其特征在于：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。3.根据权利要求1所述的一种超灵敏单光子压缩光谱成像的控制装置，其特征在于：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DMDa控制器；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。4.一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)、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。5.一种基于权利要求1所述的超灵敏单光子压缩光谱成像的控制装置的控制方法，其特征在于，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：鄢秋荣，袁成龙，王慧，李冰，王玉皞，
申请(专利权)人：南昌大学，
类型：发明
国别省市：江西,36