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单光子时间分辨成像光谱仪中光路控制系统的设计

发布时间:2018-08-17 09:52
【摘要】:前沿科学与高新技术产业对短时间寿命、极弱光学信号的关键物质产生、传递过程提出了越来越高的观测需求。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,但是远远无法满足当前科学家的需求。单光子时间分辨成像光谱仪成为当前前沿科学研究领域急需的高端仪器装备。它将压缩感知理论与单光子探测技术相结合,创新性地解决了维度问题和灵敏度问题,是基于全新原理的新一代高性能光学仪器。随着单光子时间分辨成像光谱仪研制计划的提出,各个分系统和零部件的研制需求便应运而生。本文设计的光路控制系统是仪器的核心部件,用于实现仪器核心思想压缩感知理论的测量过程。控制系统利用数字微镜器件(Digital Micromirror Device, DMD)实现二值随机测量矩阵,将光线调制汇聚到单光子探测器。该系统是连接光学和电子学的桥梁,在仪器中起到关键作用。首先,论文设计了基于FPGA的DMD控制系统总体架构。系统由DDR2SDRAM应用接口和DMD控制器组成。DDR2 SDRAM应用接口为DMD显示提供高速数据流,DMD控制器控制DMD实现二值显示。然后,根据系统总体架构,设计了DMD专用的DDR2 SDRAM应用接口。该接口极大地简化了用户的操作,只需一根信号线便可以实现数据的读写操作,而不必了解复杂的操作命令。应用接口会自动实现数据与命令的同步。最后,设计了压缩感知专用的DMD控制器。控制器以DMD接口芯片DDC4100为基础,同样将用户操作降至最简。用户只需向一根信号线发起命令,便可以实现显示操作的所有流程。控制器会自动从DDR2 SDRAM接口读取数据并传输给DMD实现二值矩阵的显示。结果证明,该系统能够实现二值矩阵的显示,完成了光谱仪中压缩感知的测量过程,为理论算法提供了技术平台。
[Abstract]:Frontier science and high technology industry demand more and more observation for the short life, the production of the key matter of the very weak optical signal and the transmission process. Traditional spectral technology and image technology are important means for people to understand the objective world, but they can not meet the needs of current scientists. Single-photon time-resolved imaging spectrometer has become a high-end instrument which is urgently needed in the field of frontier scientific research. It combines compression sensing theory with single photon detection technology and solves the dimension problem and sensitivity problem innovatively. It is a new generation of high performance optical instrument based on new principle. With the development plan of single photon time resolution imaging spectrometer, the development requirements of various subsystems and components have emerged. The optical path control system designed in this paper is the core component of the instrument, which is used to realize the measurement process of the core idea of the instrument. The control system uses the digital micromirror device (Digital Micromirror Device, DMD) to realize the binary random measurement matrix and converges the light modulation into the single photon detector. The system is a bridge between optics and electronics and plays a key role in the instrument. Firstly, the overall architecture of DMD control system based on FPGA is designed. The system is composed of DDR2SDRAM application interface and DMD controller. DDR2 SDRAM application interface provides high speed data stream for DMD display. DMD controller controls DMD to realize binary display. Then, according to the overall architecture of the system, a special DDR2 SDRAM application interface for DMD is designed. The interface greatly simplifies the operation of the user and can read and write the data with only one signal line without having to understand the complex operation commands. The application interface automatically synchronizes data with commands. Finally, a special DMD controller for compression sensing is designed. The controller is based on the DMD interface chip DDC4100, and also reduces the user operation to the simplest. Users can display all the processes by issuing commands to a single signal line. The controller automatically reads data from the DDR2 SDRAM interface and transmits it to DMD to display the binary matrix. The results show that the system can display the binary matrix, complete the measurement process of compression perception in the spectrometer, and provide a technical platform for the theoretical algorithm.
【学位授予单位】:合肥工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TH744.1

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