何玲平，岳巾英，陳 波

（1.中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033；2.長(zhǎng)春工程學(xué)院 理學(xué)院，吉林，長(zhǎng)春 130021）

引 言

工作于計(jì)數(shù)模式的位置靈敏探測(cè)器在微光成像及粒子探測(cè)領(lǐng)域起著重要作用，已經(jīng)在空間探測(cè)、物理學(xué)、生化學(xué)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用［1－2］。由于工作于計(jì)數(shù)模式，該類探測(cè)器具有超低噪聲的優(yōu)點(diǎn)，具有比一般像增強(qiáng)器更高的靈敏度和更大的動(dòng)態(tài)范圍，能夠通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的曝光獲取足夠的能量，重建極其微弱輻射目標(biāo)的圖像。

位置靈敏探測(cè)器首先通過(guò)微通道板（microchannel plates，MCP）對(duì)光粒子信號(hào)響應(yīng)并放大，經(jīng)過(guò)位置靈敏陽(yáng)極收集MCP輸出信號(hào)，由后續(xù)前端電子系統(tǒng)放大后，再由信號(hào)采集系統(tǒng)采集此信號(hào)，最后經(jīng)圖像生成程序計(jì)算光子位置并大量統(tǒng)計(jì)光子位置生成圖像。由信號(hào)采集硬件平臺(tái)及之后的圖像生成軟件組成的圖像采集系統(tǒng)是整個(gè)光子計(jì)數(shù)成像探測(cè)器中的重要組成部分。美國(guó)NI公司將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件與數(shù)據(jù)處理軟件結(jié)合起來(lái)，方便靈活，不僅降低了傳統(tǒng)儀器的成本，而且提高了用戶的工作效率［3－4］。本文正是使用NI的硬件和軟件完成了光子計(jì)數(shù)位置靈敏探測(cè)器的圖像采集系統(tǒng)的研制。

1 光子計(jì)數(shù)位置靈敏探測(cè)器成像原理

光子計(jì)數(shù)位置靈敏探測(cè)器常采用MAMA陽(yáng)極、Resistive陽(yáng)極、楔條形陽(yáng)極以及延遲線陽(yáng)極等位置靈敏陽(yáng)極對(duì)光子進(jìn)行位置解碼［5－7］，與其他陽(yáng)極相比，楔條形陽(yáng)極具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、位置分辨率高、計(jì)數(shù)率高等優(yōu)點(diǎn)，且其后續(xù)電路較簡(jiǎn)單，廣泛使用于空間成像、實(shí)驗(yàn)室粒子成像等領(lǐng)域。因此，本文設(shè)計(jì)光子計(jì)數(shù)位置靈敏探測(cè)器使用楔條形位置靈敏陽(yáng)極［8］。

圖1是基于楔條形陽(yáng)極的光子計(jì)數(shù)位置靈敏探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖，整個(gè)系統(tǒng)由真空室部分、前端電子系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)三部分組成。其中圖像采集系統(tǒng)包括信號(hào)采集硬件平臺(tái)及圖像生成軟件。微通道板將入射光子轉(zhuǎn)化為電子并加速激發(fā)大量的電子，形成一定大小的電子云由楔條形陽(yáng)極收集。陽(yáng)極收集電子后會(huì)輸出三路電極信號(hào)，這三路信號(hào)通過(guò)楔條形陽(yáng)極的位置解碼算法公式能夠求解出光子入射位置［9］。位置解碼算法公式如下：

前端電路系統(tǒng)將信號(hào)放大、整形并進(jìn)行峰值保持，便于信號(hào)采集平臺(tái)采集。信號(hào)采集硬件需要對(duì)三路電極信號(hào)進(jìn)行同步采集，并盡可能采集所有到達(dá)的信號(hào)。圖像生成軟件實(shí)時(shí)讀取采集系統(tǒng)存儲(chǔ)在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，根據(jù)楔條形陽(yáng)極的位置解碼算法編寫(xiě)程序，計(jì)算光子位置，并在該位置計(jì)數(shù)，通過(guò)大量光子計(jì)數(shù)獲得一幅完整圖像。

圖1 楔條形位置靈敏探測(cè)器設(shè)計(jì)圖Fig.1 Design diagram of wedge－strip anode position－sensitive detector

2 信號(hào)采集硬件

對(duì)于位置靈敏探測(cè)器來(lái)說(shuō)，MCP－陽(yáng)極接收光子并產(chǎn)生電荷信號(hào)，是采集信號(hào)的來(lái)源，前端電路系統(tǒng)作為信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)使得信號(hào)易于采集，而圖像采集系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集并按照成像算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理生成圖像。本文將在分析位置靈敏探測(cè)器輸出信號(hào)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，搭建一套基于美國(guó)NI公司硬件的信號(hào)采集系統(tǒng)。

根據(jù)信號(hào)特點(diǎn)，一般采集系統(tǒng)有單差分測(cè)量和單端測(cè)量?jī)煞N測(cè)量方式［8］：差分測(cè)量系統(tǒng)在兩個(gè)通道上分別測(cè)量信號(hào)正負(fù)兩極之間的電位差，具有抑制動(dòng)態(tài)共模電壓的優(yōu)點(diǎn)；單端測(cè)量系統(tǒng)中每個(gè)通道只有一個(gè)單端輸入，所有通道共用一個(gè)系統(tǒng)地，有利于節(jié)省硬件資源［10］。光子計(jì)數(shù)探測(cè)器三路電極信號(hào)都是一端接公共地的電壓信號(hào)，且經(jīng)前端電路放大整形后對(duì)動(dòng)態(tài)共模噪聲不敏感，因此，采用單端作為本系統(tǒng)的測(cè)量方式。

本文采用NI的數(shù)據(jù)采集卡對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，根據(jù)被測(cè)信號(hào)特點(diǎn)需要確定采集卡的性能要求。首先是對(duì)采樣速率的要求，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，采集卡的采樣速率最少應(yīng)該是被采信號(hào)的最高頻率的兩倍以上，而實(shí)際上為了準(zhǔn)確采樣，采樣率應(yīng)該不低于被采信號(hào)最高頻率的10倍。光子計(jì)數(shù)探測(cè)器的最高計(jì)數(shù)率要求為54kHz。因此，所需的采集卡的采樣率應(yīng)該高于540kHz／s。其次需要考慮的是采集卡的電壓范圍。一般采集卡由于供電方式不同，所能采集的電壓范圍也不同。探測(cè)器信號(hào)由前端電路放大整形后幅值一般為0～5V，故采集卡電壓范圍至少要能涵蓋這個(gè)信號(hào)范圍。分辨率是采集卡的另外一個(gè)重要性能，它與采集電壓范圍共同決定采集卡的測(cè)量靈敏度及采樣精度，即ΔV＝Vmax／2N。探測(cè)器分辨率要求為200μm，MCP口徑為40mm，因此分辨單元為200，它和測(cè)量靈敏度存在以下關(guān)系：ΔV＜1／200，即ΔV＜0.005。要在0～5V范圍內(nèi)達(dá)到這個(gè)精度，采集卡的分辨率至少應(yīng)該達(dá)到10bit。最后，光子位置解碼要求同時(shí)采集陽(yáng)極的三路信號(hào)，因此要求采集卡還具備多通道同步采集功能。

基于上述分析，在考慮成本與性能的平衡上，選擇了NI的PCI－6110作為系統(tǒng)的采集卡。PCI－6110數(shù)據(jù)采集卡為每個(gè)通道都配備一個(gè)ADC，在同一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)下能夠多通道同步且每通道采樣頻率高達(dá)1.25MHz／s。分辨率為14bit，0～5V的測(cè)量范圍下，測(cè)量精度為0.000 3V。該采集卡各項(xiàng)性能指標(biāo)都能滿足對(duì)信號(hào)采集的要求。

3 圖像生成程序設(shè)計(jì)

圖像采集系統(tǒng)的圖像生成程序要求具有以下功能：采集卡參數(shù)設(shè)置及啟動(dòng)、采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)讀取、質(zhì)心位置計(jì)算、光子計(jì)數(shù)、圖像顯示等功能。編程工具采用了美國(guó)NI公司的圖形化編程語(yǔ)言LabVIEW［11－12］。

整個(gè)程序的難點(diǎn)在于光子信號(hào)數(shù)據(jù)量比較大且每個(gè)光子都要進(jìn)行較復(fù)雜質(zhì)心解碼計(jì)算，數(shù)據(jù)處理時(shí)可能出現(xiàn)不能及時(shí)讀取存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)的情況，導(dǎo)致存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)溢出，部分光子無(wú)法計(jì)數(shù)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，程序?qū)?shù)據(jù)流采用生產(chǎn)者－消費(fèi)者狀態(tài)機(jī)模式進(jìn)行處理：生產(chǎn)者循環(huán)持續(xù)讀取硬件所采集的數(shù)據(jù)，消費(fèi)者循環(huán)通過(guò)數(shù)據(jù)隊(duì)列讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行質(zhì)心解碼、數(shù)據(jù)保存及圖像顯示等工作；生產(chǎn)者循環(huán)與消費(fèi)者循環(huán)各自獨(dú)立運(yùn)行。生產(chǎn)者－消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式能夠加強(qiáng)不同運(yùn)行速率的循環(huán)之間的數(shù)據(jù)共享效率，解決了數(shù)據(jù)采集與處理速率不匹配時(shí)程序出現(xiàn)的數(shù)據(jù)溢出或者程序效率低下等問(wèn)題。生產(chǎn)者－消費(fèi)者模式基本原理如圖2所示，通過(guò)調(diào)用LabVIEW內(nèi)建的隊(duì)列操作函數(shù)，在兩個(gè)循環(huán)間建立一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，用于生產(chǎn)者循環(huán)與消費(fèi)者循環(huán)之間的數(shù)據(jù)傳遞，將數(shù)據(jù)產(chǎn)生與處理過(guò)程剝離分開(kāi)，降低兩者之間的耦合度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)及時(shí)的讀取與處理。

圖3是程序功能實(shí)現(xiàn)框圖。采集卡首先設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)包括電壓范圍、采樣速率、采樣模式、時(shí)序及觸發(fā)模式等。啟動(dòng)采集后，生產(chǎn)者循環(huán)按照設(shè)定時(shí)間周期去內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)，并存入通過(guò)數(shù)據(jù)共享隊(duì)列；只要隊(duì)列中存有數(shù)據(jù)就能激活消費(fèi)者循環(huán)，讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。消費(fèi)者循環(huán)實(shí)現(xiàn)的功能包括兩個(gè)：光子位置解碼及圖像灰度值計(jì)數(shù)。位置靈敏探測(cè)器計(jì)數(shù)一個(gè)光子時(shí)，觸發(fā)采集卡同時(shí)采集三路電極信號(hào)，需對(duì)這三個(gè)信號(hào)進(jìn)行位置解碼，計(jì)算該光子在MCP上位置。建立一個(gè)圖像存儲(chǔ)空間，代表探測(cè)器接受表面MCP，每個(gè)存儲(chǔ)單元對(duì)應(yīng)進(jìn)行MCP的一個(gè)分劃位置。由解碼的光子位置對(duì)圖像存儲(chǔ)空間進(jìn)行尋址，將該位置的灰度值加1，圖4是位置解碼及尋址計(jì)數(shù)成像示意圖。光子質(zhì)心位置解碼計(jì)算需要進(jìn)行兩個(gè)除法運(yùn)算和若干乘加運(yùn)算，其中除法運(yùn)算比較費(fèi)時(shí)。當(dāng)每秒都有數(shù)萬(wàn)個(gè)光子位置需要計(jì)算時(shí)，生產(chǎn)者循環(huán)需要快速讀出數(shù)據(jù)，為避免隊(duì)列緩沖區(qū)過(guò)大，消費(fèi)者循環(huán)計(jì)算速度要盡量快。因此消費(fèi)者循環(huán)中的質(zhì)心解碼算法模塊的程序運(yùn)行效率對(duì)整個(gè)程序的運(yùn)行效率影響至關(guān)重要。LabVIEW是圖像化的高級(jí)編程語(yǔ)言，在大批量復(fù)雜運(yùn)算方面效率并不高，而C語(yǔ)言在大量復(fù)雜運(yùn)算方面具有優(yōu)勢(shì)。LabVIEW通過(guò)動(dòng)態(tài)鏈接等方式能夠與C語(yǔ)言無(wú)縫連接。因此，本程序使用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)位置解碼算法，有Visual C＋＋6.0將其編譯成動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，在LabVIEW中通過(guò)調(diào)用庫(kù)函數(shù)節(jié)點(diǎn)（CLF）調(diào)用解碼算法的C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。

圖2 生產(chǎn)者－消費(fèi)者循環(huán)Fig.2 Producer－consumer cycle

圖3 程序功能實(shí)現(xiàn)框圖Fig.3 Block diagram of the implementation of software function

圖4 計(jì)數(shù)成像示意圖Fig.4 Schematic diagram of counting imaging

4 圖像采集界面及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5是編寫(xiě)的圖像采集軟件界面。整個(gè)界面分為三個(gè)部分：指令按鈕區(qū)、參數(shù)設(shè)置區(qū)和圖像顯示區(qū)。指令按鈕區(qū)主要包括一些程序的常用操作指令，其中“光子采集”按鈕啟動(dòng)光子數(shù)據(jù)的采集，并同步將數(shù)據(jù)保存在電腦的制定位置；“讀取光子數(shù)據(jù)”按鈕用于讀取保持于電腦上的光子產(chǎn)生的三路電極信號(hào)的原始數(shù)據(jù)，并同步進(jìn)行位置解碼計(jì)數(shù)，同時(shí)顯示圖像；“圖像生成”按鈕命令系統(tǒng)直接處理三路電極信號(hào)生成圖像。除了這幾個(gè)主要命令外，還包括“圖像保存”、“圖像讀取”等指令按鈕。參數(shù)設(shè)置區(qū)主要輸入一些重要的圖像生成參數(shù)，包括采集光子數(shù)量、圖像虛擬像元數(shù)、圖像放大系數(shù)、電極信號(hào)串?dāng)_修正系數(shù)、放大器零輸入偏置設(shè)置、圖像中心化偏移以及圖像旋轉(zhuǎn)角度等。圖像顯示區(qū)用于顯示生成的圖像，通過(guò)調(diào)整灰度值的上限，可以對(duì)圖像進(jìn)行亮度和對(duì)比度調(diào)整。

圖5 圖像采集軟件界面Fig.5 Diagram of the image acquisition software interface

本文針對(duì)實(shí)驗(yàn)室研制的一套光子計(jì)數(shù)位置靈敏探測(cè)器的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了本套圖像采集系統(tǒng)，將兩者連接，進(jìn)行了成像性能檢測(cè)。通過(guò)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，完成了圖像采集系統(tǒng)功能的測(cè)試。檢測(cè)結(jié)果表明該圖像采集系統(tǒng)完全實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能，能夠完成電極信號(hào)采集、位置解碼、灰度值計(jì)數(shù)及圖像顯示等功能。圖6是使用該圖像采集系統(tǒng)采集的一幅USAF1951分辨率板圖像，根據(jù)所能分辨的最小線對(duì)所對(duì)應(yīng)的組號(hào)和單元號(hào)，可以按下式計(jì)算其對(duì)應(yīng)空間頻率：

圖6 采集USAF 1951圖像Fig.6 Acquired image of USAF 1951

式中：g為組號(hào)；c為單元號(hào)。

從圖6中可以看出這套位置靈敏探測(cè)器能夠?qū)?組6單元的線對(duì)，因此，該圖像采集系統(tǒng)能夠?qū)⒖臻g頻率為7.14lp／mm的目標(biāo)分辨出來(lái)。

5 結(jié) 論

本文在介紹位置靈敏探測(cè)器成像原理基礎(chǔ)上，分析了對(duì)圖像采集系統(tǒng)需求，構(gòu)建了一套圖像采集系統(tǒng)的軟硬件平臺(tái)并通過(guò)成像檢測(cè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其功能及其完備性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該套圖像采集系統(tǒng)能夠完全實(shí)現(xiàn)位置靈敏探測(cè)器成像對(duì)其的需求，由其采集的圖像能夠?qū)⒖臻g頻率為7.14lp／mm的目標(biāo)分開(kāi)。

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