【摘要】：在生命科學(xué)、能源科學(xué)以及化學(xué)等領(lǐng)域,研究快速反應(yīng)過程中超短壽命、極弱光條件下物質(zhì)的產(chǎn)生和變化過程有著非常重大的科學(xué)意義。然而由于其信號弱、壽命短、穩(wěn)定性差、反應(yīng)活性高等特點,需要單光子探測這種具有超高探測靈敏度的技術(shù)才能檢測到其產(chǎn)生、衰減及變化機理過程。但是由于單光子探測器陣列的規(guī)模小并且價格太過于昂貴等缺陷,因此沒有被廣泛使用。而利用單點的單光子探測器,配合壓縮感知采樣算法原理,就能夠同時解決探測靈敏度、陣列規(guī)模和成本問題,能夠?qū)O弱光條件下超短壽命的物質(zhì)進行成像,在生命熒光成像、天文探測成像等領(lǐng)域有非常廣闊的應(yīng)用空間。本課題研究的單光子成像軟件系統(tǒng)是單光子時間分辨成像光譜儀系統(tǒng)的核心部件之一。該系統(tǒng)首次采用時間分辨成像光譜技術(shù),創(chuàng)新性的將單光子時間分辨技術(shù)和壓縮感知原理相結(jié)合,從而可以在一次測量中同時獲取成分、時間、空間和光譜等多個維度的信息,實現(xiàn)超靈敏和高分辨成像。論文工作在分析了單光子成像硬件系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)處理需求的基礎(chǔ)上,確定了軟件架構(gòu)和模塊構(gòu)成�；趩喂庾映上裣到y(tǒng)模塊眾多、外部接口復(fù)雜、數(shù)據(jù)采集量大、工作模式多、數(shù)據(jù)接口耦合性強和部分模塊性能需求高等特點,自主設(shè)計一套支持多接口、易用、高性能、覆蓋整個單光子成像實驗流程的軟件系統(tǒng)并成功地應(yīng)用于“單光子時間分辨成像光譜儀”中。本軟件系統(tǒng)中主要設(shè)計實現(xiàn)了分布式測量矩陣高速生成模塊、DMD驅(qū)動控制模塊、時間測量與數(shù)據(jù)分析模塊、單光子探測計數(shù)模塊和壓縮感知算法包模塊等。在軟件設(shè)計過程中,針對高分辨測量矩陣生成速度慢的問題,引入了分布式計算技術(shù),從而將768P分辨率100%采樣率條件下的測量矩陣的生成時間縮短到45.19分鐘;針對空間高頻調(diào)制對噪聲的敏感問題,首次在軟件上實現(xiàn)了DMD的動態(tài)調(diào)頻,大大提高了單光子成像質(zhì)量;針對壓縮感知實時成像速度問題,設(shè)計了多線程并發(fā)壓縮感知實時成像算法,在64*64分辨率下達(dá)到了4.97Fps的實時成像速度�？傊�,本系統(tǒng)是一套支持單光子探測精度、具備皮秒時間分辨數(shù)據(jù)解析能力、最高768P成像分辨率、高性能、高可用的軟件系統(tǒng)。在實驗室條件下,對軟件系統(tǒng)的功能和性能都進行了全面驗證測試,實驗表明基于壓縮感知的單光子成像軟件系統(tǒng),可用性和易用性俱佳,完成了預(yù)期設(shè)定的功能和性能指標(biāo),取得了非常滿意的單光子成像效果,為單光子時間分辨成像光譜儀設(shè)備的整機研制提供了有力支撐。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TP311.52;O572.212
【圖文】：

其光路和成像原理如下圖2-1 所示，首先光源打在物體上，成像透鏡將圖像以合適的大小投射在 DMD 上，然后通過測量矩陣調(diào)制 DMD 使得其將圖像的某些隨機的部分反射到收集透鏡上，收集透鏡將光聚焦到一個單點探測器中，計數(shù)器或時間測量裝置收集并記錄數(shù)據(jù)[17]。最后通過壓縮感知算法，根據(jù)已知的測量矩陣和單光子探測器的測量值，就可以解出原圖。

圖 2-1 單光子成像原理圖2.1.2 單光子時間分辨成像光譜儀單光子時間分辨成像光譜儀是由中國科學(xué)院、南開大學(xué)等多家單位聯(lián)合研制的新型儀器，首次采用了時間分辨成像光譜技術(shù)，創(chuàng)新性的將單光子時間分辨技術(shù)和壓縮感知原理相結(jié)合，從而可以在一次測量中同時獲取成分、時間、空間和光譜等多個維度的信息[1][3][4]。其整機原理框圖如下圖 2-1 所示。

系統(tǒng)需求分析一組微鏡陣列，是壓縮感知采樣過程中的關(guān)鍵部件。DMD 控制模塊軟件的功能是提供驅(qū)動控制 DMD 硬件單元的參數(shù)配置入口，能夠?qū)y量矩陣數(shù)據(jù)下位機、實時監(jiān)視調(diào)制工作狀態(tài)和進行成像實驗流程控制。所有的 DMD 參置信息通過軟件界面注入，提供參數(shù)回讀和狀態(tài)提示功能，以確保實驗的正行。

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