光子计数三维成像激光雷达反转误差的校正

实施光子飞行时间测量法时,光子飞行时间测量值受激光回波信号能量的影响会出现测量反转误差,从而影响系统三维成像的精度.本文描述了一种光子计数三维成像激光雷达系统反转误差的校正方法及其实验.提出的反转误差校正方法包含先验模型标定和反转误差校正两个步骤.首先,通过标定法得到系统反转误差相对于激光脉冲响应率的函数关系,建立系统的反转误差预测函数.然后,由系统反转误差函数预测出原始三维图像的反转误差图像并实现原始三维图像的反转误差校正.实验搭建了光子计数三维成像激光雷达系统,采用盖格-雪崩光电二极管(Gm-APD)作为光子探测器,由高速扫描振镜二维扫描获取三维图像.通过时间相关记录仪获取光子到达时间分布,分别得到原始三维图像和激光脉冲响应率.在反转误差校正的测试实验中,系统的测量均方差由校正前的33.2 mm提高至8.1 mm.实验结果表明,该反转误差校正方法可以有效降低光子计数三维成像激光雷达的反转误差.     

基于贝叶斯自适应估计的光子计数集成成像

针对光子数极少环境下三维目标的重构问题,基于光子计数集成成像系统提出了一种贝叶斯自适应估计方法,来提高三维目标深度切片的重构质量。首先,通过光子计数集成成像系统获得一系列光子计数元素图像。接着,从光子计数过程的泊松分布出发,利用集成成像系统中对于同一个目标像素的多次采样特性,引入了局部自适应均值因子,从而建立起元素图像像素光子数估计的单参数后验概率模型。最后,通过后验概率模型的均值计算获得更新后的光子计数元素图像,并基于光束可逆原理重构出深度切片图像。实验结果表明:采用该方法在场景的两个深度处重构的切片图像相比传统贝叶斯重构图像的峰值信噪比提高了7.4dB和8.5dB,极大地提升了微弱光三维目标的重构质量。     

基于盖格-雪崩光电二极管的光子计数成像

考虑用传统的成像技术检测光生电荷信号时易受模数转换噪声干扰,本文提出了一种基于单光子灵敏雪崩光电二极管(GM-APD)的光子计数成像方法。该方法以单光子灵敏GM-APD作为探测单元,以全数字化方式实现微弱光学信号的有效检测。建立了GM-APD光子流响应模型,利用马尔科夫更新过程分析了光子探测盲区对GM-APD瞬态响应的影响,得到了GM-APD输出的数字脉冲频率与光子流密度之间的关联表达式。搭建了二维扫描成像实验验证装置,通过实验得到了不同密度光子流条件下的光子计数图像。采用标准化互信息量分析得到,在光子流密度为3.0×104count/s的条件下,该实验装置仍然可以实现可视成像;当光子流密度达到2.7×105 count/s时,标准化互信息量大于0.5;实现了在低光子流密度时采用光子计数方式对目标物体的有效成像。     

Ge薄膜性能及其在光子计数成像探测器中的应用

为改善光子计数成像探测器电荷感应层的性能,提高光子计数成像系统的成像质量,分别用直流磁控溅射法(DC)与射频磁控溅射法(RF)制备了不同厚度的Ge薄膜。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、表面轮廓仪、四探针表面电阻测试仪对两种方法所制备的薄膜进行了结构特征与电学性能的表征。结果表明:两种方法所制备的薄膜均为非晶态结构,DC制备的Ge薄膜比RF制备的Ge薄膜稀疏,其不同膜厚下的电阻率均大于RF所制备的薄膜。实验显示,薄膜越厚其电学性能受氧化影响越小,电学性能越稳定。实验对比了不同方阻下Ge薄膜应用于探测器的成像性能,结果表明:方阻在百兆级范围内时成像效果较好,且方阻变化时成像效果变化不大,但方阻大到2GΩ/□时会导致系统分辨率下降。     

楔条形阳极光子计数探测器成像性能的检测

基于楔条形位置灵敏阳极的光子计数成像探测器能够记录入射的单光子或带电粒子两维位置图像。它们在生化科学、空间探测科学、分析仪器等领域有着应用广泛。本文首先详细描述了我们研制的一套WSA光子计数成像探测器样机的设计结构及工作原理;分析了这类探测器的图像畸变产生的原因,提出了校正图象畸变的方法,并得了无畸变的图像;然后我们以美国空军标准分辨率检测板(USAF1951)为目标进行了检测,采集的检测图像显示人的裸眼能分辨出检测板的第2组第6单元条纹。最后,为了消除人眼观测的主观性,我们通过计算探测器对该单元条纹的成像调制度来确保检测结果的准确性。计算结果为：探测器对该单元条纹的水平、垂直方向成像调制度分别为57%、37%。这一结果表明我们的探测器完全能够分辨该单元条纹,对应的分辨率为7.13linepair/mm,即探测器空间分辨率达到了0.14mm。     

使用感应电荷位敏阳极的极紫外单光子计数成像系统

研制了用于月基极紫外成像相机的二维极紫外位敏阳极光子计数成像探测器原型样机,该探测器系统主要由工作在脉冲计数模式下的微通道板堆、楔条形感应位敏阳极及相关的模拟和数据处理电路组成。设计和制备了周期为1.5mm,有效直径为47 mm的三电极楔条形位敏阳极,研制了最高计数率为200 kHz的前端模拟和数字电路。测量了探测器的暗计数率、脉冲高度分布、增益、线性及空间分辨率等工作特性。测量结果表明,探测器的空间分辨率为7.13 lp/mm(即0.14 mm),满足月基极紫外相机对空间分辨率的要求。     

Shape measurement of long microbores applying photon counting method

New technology, especially in the field of microelectronics and mechatronics, created the need for making, positioning and inspection techniques of long microbore-holes and gaps (defined by length/width to diameter ratio l/d > 10 for d < 200 μm). The technological aspect is, in principle, subdued but the metrological one is still unsolved.In Zosel et al. [Zosel J, Guth U, Thies A, Reents B. Flow measurements in micro holes with electrochemical and optical methods. Electrochim Acta 2003;48:3299–305] the properties (power loss and phase distortion) of focused laser microbeam penetrating extremely long through microbores is described; it was proved that the measurement information is distorted depending on the microbore geometry. The samples were prepared of glass–resin laminate with microbore diameter ranging from 35 to 200 μm.In present research an adjustable 100 μm microbore is used as a master. It is formed of mutually accurately adjusted 20 metal plates 100 μm thick set of coaxially in pile. Precise positioning of each plate enables creating free-shaped microbore.The photon batching device emitting 2.5 million photons per second is used as a generator of incident photon beam. The measured transmission efficiency is understood as a relation between outgoing and incoming light energy. The outgoing energy, for particular microbore, was determined by scanning linearly and angularly the bore with photon beam and integrating the results. Experiments were performed in dark room with background 2/5 photons per second (including dark current of photomultiplier).These changes describe the relationship between the shape of the microbore and the transmission energy and can be considered as a measure of microbore cylindricity deviation.     

光子计数探测器感应位敏阳极的电子云扩散

针对基于感应位敏阳极的光子计数成像探测器中非晶态Ge(α-Ge)膜的方块电阻对探测器成像性能的影响,研究了方块电阻的选配范围和方法。由于方块电阻的大小会影响Ge膜上的电子云的扩散特性从而影响探测器的计数率和分辨率,故本文根据菲克(Fick)扩散定律分析了吸收边界条件下非晶态薄膜上电子云的扩散特性。确定了电子云扩散时间与Ge膜方块电阻之间的数学关系,推导获得了探测器高质量成像时非晶态Ge膜方块电阻的阻值为30～2 700MΩ/□。采用具有不同方块电阻的感应位敏阳极进行了实际成像实验,结果表明:当Ge膜方块电阻在上述范围时,光子计数探测器在计数率为53kc/s时分辨率可以达到0.5mm。实验结果证明了推导得出的方块电阻选配范围的正确性。     

基于机器视觉的平板式数粒机检测方法

以现代药品包装为应用背景,以新型平板式数粒机为研究平台,以机器视觉技术为研究重点,提出了一种基于机器视觉的平板式数粒机的检测方法。该检测方法可用于药品颗粒的缺陷检测和计数算法的研究。实验结果表明,基于机器视觉的平板式数粒机检测方法可达到用户的要求,实现高速度、高效率、高精度的在线检测计数。     

压缩传感用于极弱光计数成像

为解决灵敏度达到单光子水平的面阵探测器件其单位像素上灵敏度有限和测量数多等问题,研制了具有极高灵敏度的成像系统来实现欠采样的极弱光成像探测。该成像系统基于光子计数成像技术和压缩感知理论,利用数字微镜器件(DMD)完成随机空间光调制,通过单光子点探测器收集光子,以计数形式记录下光强值。然后,利用算法重建出极弱光照明下的图像。文中设计了相关实验,研究了测量数、光强极弱程度和测量时间对成像质量的影响。最后,引入了图像质量评价标准和系统信噪比,分析对比了实验数据。结果表明,当测量数高于信号总维度的19.5%时,系统能完美成像,信噪比可低至2.843 8dB,DMD单位像素上的平均光子数可低于1.106count/s,成像的关键在于信号的波动大于噪声的波动。该成像系统基本满足了极弱光成像探测在光强、灵敏度和采样数等方面的要求。     

基于FFT的动态散射光谱密度测量技术研究

为了研究动态光散射纳米颗粒测量技术,提出了基于FFT的动态散射光AR模型功率谱密度测量法。首先采用FFT建立信号的AR功率谱密度模型,然后通过计算信号自相关矩阵的秩得到AR模型的阶数P,由于任何信号的自相关与其频域的功率谱密度是一个傅里叶变换对,因此,信号功率谱密度的衰减宽度等价于其自相关函数的衰减宽度,这样通过计算动态光散射信号的功率谱密度衰减宽度,进而得到待测颗粒的粒径,最后将此方法的实验结果与传统的光子相关光谱法实验所测得的数据进行了比较。结果表明：该技术具有误差小、重复性好的优势,有着很大的实用价值。     

Application of similar source method for noise source identification

Similar source method (SSM) has been developed to describe interior and exterior sound field by Too et al. [G.-P.J. Too, TK Su, Estimation of scattered sound field via nearfield measurement by source methods, Appl. Acoust. 58 (1999) 261–281]. The application can be used for arbitrary boundary conditions in terms of acoustic impedance. In the present study, a modified version of SSM is developed to describe the sound pressure distribution in a planar surface. In addition, a signal processing procedure is developed to identify noise source locations. This procedure contains a power spectrum analysis and acoustic holographic analysis to identify different source locations. Several test examples are shown to verify this approach.     

基于蒙特卡罗方法的LED灯光子运动研究

以光子运动为研究对象,首先构造其模型,分析运动的形式,粒子的飞行方向由随机数发生器函数生成,根据菲涅尔透镜公式得出反射率,给出了面元上的能量度。使用随机数判断光子运动最终结果,并且给出了碰幢后的相对光子分布。在用蒙特卡罗方法对光子运动进行模拟时,记录运动的形式利用了焦散光子图和全局光子图。通过实验仿真,直观地反映了光子特性,为进一步研究复杂的LED灯提供了理论依据。     

高精度硬币数量统计系统设计与实现

为快速统计同一种硬币的数量,介绍了一种高精度硬币数量统计系统。采用高精度电阻应变式压力传感器和16位高精度模数转换器ADS1110,并经过低功耗单片机数据采集和最小二乘法处理,消除测量系统的非线性。对1角、5角及1元的硬币测量结果显示,在满量程下,该系统的数量统计误差为0。