一種MCP光子計數(shù)位置靈敏探測器圖像采集系統(tǒng)＊

何玲平，岳巾英，陳 波

（1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033；2.長春工程學院 理學院，吉林，長春 130021）

引 言

工作于計數(shù)模式的位置靈敏探測器在微光成像及粒子探測領(lǐng)域起著重要作用，已經(jīng)在空間探測、物理學、生化學等領(lǐng)域廣泛應用［1－2］。由于工作于計數(shù)模式，該類探測器具有超低噪聲的優(yōu)點，具有比一般像增強器更高的靈敏度和更大的動態(tài)范圍，能夠通過長時間的曝光獲取足夠的能量，重建極其微弱輻射目標的圖像。

位置靈敏探測器首先通過微通道板（microchannel plates，MCP）對光粒子信號響應并放大，經(jīng)過位置靈敏陽極收集MCP輸出信號，由后續(xù)前端電子系統(tǒng)放大后，再由信號采集系統(tǒng)采集此信號，最后經(jīng)圖像生成程序計算光子位置并大量統(tǒng)計光子位置生成圖像。由信號采集硬件平臺及之后的圖像生成軟件組成的圖像采集系統(tǒng)是整個光子計數(shù)成像探測器中的重要組成部分。美國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，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數(shù)位置靈敏探測器的圖像采集系統(tǒng)的研制。

1 光子計數(shù)位置靈敏探測器成像原理

光子計數(shù)位置靈敏探測器常采用MAMA陽極、Resistive陽極、楔條形陽極以及延遲線陽極等位置靈敏陽極對光子進行位置解碼［5－7］，與其他陽極相比，楔條形陽極具有結(jié)構(gòu)簡單、位置分辨率高、計數(shù)率高等優(yōu)點，且其后續(xù)電路較簡單，廣泛使用于空間成像、實驗室粒子成像等領(lǐng)域。因此，本文設計光子計數(shù)位置靈敏探測器使用楔條形位置靈敏陽極［8］。

圖1是基于楔條形陽極的光子計數(shù)位置靈敏探測器結(jié)構(gòu)示意圖，整個系統(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)包括信號采集硬件平臺及圖像生成軟件。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極收集。陽極收集電子后會輸出三路電極信號，這三路信號通過楔條形陽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)將信號放大、整形并進行峰值保持，便于信號采集平臺采集。信號采集硬件需要對三路電極信號進行同步采集，并盡可能采集所有到達的信號。圖像生成軟件實時讀取采集系統(tǒng)存儲在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，根據(jù)楔條形陽極的位置解碼算法編寫程序，計算光子位置，并在該位置計數(shù)，通過大量光子計數(shù)獲得一幅完整圖像。

圖1 楔條形位置靈敏探測器設計圖Fig.1 Design diagram of wedge－strip anode position－sensitive detector

2 信號采集硬件

對于位置靈敏探測器來說，MCP－陽極接收光子并產(chǎn)生電荷信號，是采集信號的來源，前端電路系統(tǒng)作為信號調(diào)理系統(tǒng)使得信號易于采集，而圖像采集系統(tǒng)最終實現(xiàn)信號的采集并按照成像算法對數(shù)據(jù)進行處理生成圖像。本文將在分析位置靈敏探測器輸出信號特點的基礎上，搭建一套基于美國NI公司硬件的信號采集系統(tǒng)。

根據(jù)信號特點，一般采集系統(tǒng)有單差分測量和單端測量兩種測量方式［8］：差分測量系統(tǒng)在兩個通道上分別測量信號正負兩極之間的電位差，具有抑制動態(tài)共模電壓的優(yōu)點；單端測量系統(tǒng)中每個通道只有一個單端輸入，所有通道共用一個系統(tǒng)地，有利于節(jié)省硬件資源［10］。光子計數(shù)探測器三路電極信號都是一端接公共地的電壓信號，且經(jīng)前端電路放大整形后對動態(tài)共模噪聲不敏感，因此，采用單端作為本系統(tǒng)的測量方式。

本文采用NI的數(shù)據(jù)采集卡對信號進行采集，根據(jù)被測信號特點需要確定采集卡的性能要求。首先是對采樣速率的要求，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，采集卡的采樣速率最少應該是被采信號的最高頻率的兩倍以上，而實際上為了準確采樣，采樣率應該不低于被采信號最高頻率的10倍。光子計數(shù)探測器的最高計數(shù)率要求為54kHz。因此，所需的采集卡的采樣率應該高于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。探測器信號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信號范圍。分辨率是采集卡的另外一個重要性能，它與采集電壓范圍共同決定采集卡的測量靈敏度及采樣精度，即ΔV＝Vmax／2N。探測器分辨率要求為200μm，MCP口徑為40mm，因此分辨單元為200，它和測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)達到這個精度，采集卡的分辨率至少應該達到10bit。最后，光子位置解碼要求同時采集陽極的三路信號，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)采集卡為每個通道都配備一個ADC，在同一個時鐘信號驅(qū)動下能夠多通道同步且每通道采樣頻率高達1.25MHz／s。分辨率為14bit，0～5V的測量范圍下，測量精度為0.000 3V。該采集卡各項性能指標都能滿足對信號采集的要求。

3 圖像生成程序設計

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)設置及啟動、采集數(shù)據(jù)存儲讀取、質(zhì)心位置計算、光子計數(shù)、圖像顯示等功能。編程工具采用了美國NI公司的圖形化編程語言LabVIEW［11－12］。

整個程序的難點在于光子信號數(shù)據(jù)量比較大且每個光子都要進行較復雜質(zhì)心解碼計算，數(shù)據(jù)處理時可能出現(xiàn)不能及時讀取存儲區(qū)數(shù)據(jù)的情況，導致存儲區(qū)數(shù)據(jù)溢出，部分光子無法計數(shù)。為了解決這個問題，程序?qū)?shù)據(jù)流采用生產(chǎn)者－消費者狀態(tài)機模式進行處理：生產(chǎn)者循環(huán)持續(xù)讀取硬件所采集的數(shù)據(jù)，消費者循環(huán)通過數(shù)據(jù)隊列讀取數(shù)據(jù)并進行質(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)與消費者循環(huán)各自獨立運行。生產(chǎn)者－消費者設計模式能夠加強不同運行速率的循環(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程序出現(xiàn)的數(shù)據(jù)溢出或者程序效率低下等問題。生產(chǎn)者－消費者模式基本原理如圖2所示，通過調(diào)用LabVIEW內(nèi)建的隊列操作函數(shù)，在兩個循環(huán)間建立一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，用于生產(chǎn)者循環(huán)與消費者循環(huán)之間的數(shù)據(jù)傳遞，將數(shù)據(jù)產(chǎn)生與處理過程剝離分開，降低兩者之間的耦合度，從而實現(xiàn)對數(shù)據(jù)及時的讀取與處理。

圖3是程序功能實現(xiàn)框圖。采集卡首先設置各項參數(shù)包括電壓范圍、采樣速率、采樣模式、時序及觸發(fā)模式等。啟動采集后，生產(chǎn)者循環(huán)按照設定時間周期去內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)，并存入通過數(shù)據(jù)共享隊列；只要隊列中存有數(shù)據(jù)就能激活消費者循環(huán)，讀取數(shù)據(jù)并進行處理。消費者循環(huán)實現(xiàn)的功能包括兩個：光子位置解碼及圖像灰度值計數(shù)。位置靈敏探測器計數(shù)一個光子時，觸發(fā)采集卡同時采集三路電極信號，需對這三個信號進行位置解碼，計算該光子在MCP上位置。建立一個圖像存儲空間，代表探測器接受表面MCP，每個存儲單元對應進行MCP的一個分劃位置。由解碼的光子位置對圖像存儲空間進行尋址，將該位置的灰度值加1，圖4是位置解碼及尋址計數(shù)成像示意圖。光子質(zhì)心位置解碼計算需要進行兩個除法運算和若干乘加運算，其中除法運算比較費時。當每秒都有數(shù)萬個光子位置需要計算時，生產(chǎn)者循環(huán)需要快速讀出數(shù)據(jù)，為避免隊列緩沖區(qū)過大，消費者循環(huán)計算速度要盡量快。因此消費者循環(huán)中的質(zhì)心解碼算法模塊的程序運行效率對整個程序的運行效率影響至關(guān)重要。LabVIEW是圖像化的高級編程語言，在大批量復雜運算方面效率并不高，而C語言在大量復雜運算方面具有優(yōu)勢。LabVIEW通過動態(tài)鏈接等方式能夠與C語言無縫連接。因此，本程序使用C語言實現(xiàn)位置解碼算法，有Visual C＋＋6.0將其編譯成動態(tài)鏈接庫，在LabVIEW中通過調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點（CLF）調(diào)用解碼算法的C語言實現(xiàn)。

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

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

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

4 圖像采集界面及實驗結(jié)果

圖5是編寫的圖像采集軟件界面。整個界面分為三個部分：指令按鈕區(qū)、參數(shù)設置區(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)生的三路電極信號的原始數(shù)據(jù)，并同步進行位置解碼計數(shù)，同時顯示圖像；“圖像生成”按鈕命令系統(tǒng)直接處理三路電極信號生成圖像。除了這幾個主要命令外，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)、電極信號串擾修正系數(shù)、放大器零輸入偏置設置、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，通過調(diào)整灰度值的上限，可以對圖像進行亮度和對比度調(diào)整。

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

本文針對實驗室研制的一套光子計數(shù)位置靈敏探測器的特點，實現(xiàn)了本套圖像采集系統(tǒng)，將兩者連接，進行了成像性能檢測。通過檢測實驗，完成了圖像采集系統(tǒng)功能的測試。檢測結(jié)果表明該圖像采集系統(tǒng)完全實現(xiàn)了預期功能，能夠完成電極信號采集、位置解碼、灰度值計數(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所對應的組號和單元號，可以按下式計算其對應空間頻率：

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

式中：g為組號；c為單元號。

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

5 結(jié) 論

本文在介紹位置靈敏探測器成像原理基礎上，分析了對圖像采集系統(tǒng)需求，構(gòu)建了一套圖像采集系統(tǒng)的軟硬件平臺并通過成像檢測實驗驗證了其功能及其完備性。實驗結(jié)果表明，該套圖像采集系統(tǒng)能夠完全實現(xiàn)位置靈敏探測器成像對其的需求，由其采集的圖像能夠?qū)⒖臻g頻率為7.14lp／mm的目標分開。

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