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锁相光子计数模式高密度fNIRS成像系统的并行测量实现

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锁相光子计数模式高密度fNIRS成像系统的并行测量实现

作者：潘甜甜天津大学

学位级别：硕士

目前主流的脑功能检测技术包括:功能近红外光谱技术（Functional Near-infrared Spectroscopy,fNIRS）、功能核磁共振成像技术（Functional Magnetic Resonance Imaging,fMRI）和脑电图（Electroencephalograph,EEG）等。其中 fNIRS可在空间分辨率和时间分辨率之间取得相对平衡,具有无创、安全和成本低等优点,同时该技术因其优良的运动鲁棒性,十分适用于自然情境下脑功能活动研究。现如今,绝大多数基于模拟检测模式的fNIRS系统采用锁相检测技术实现并行测量以提高时间分辨,但该模式的测量灵敏度和动态范围都受到一定限制,影响了系统成像质量的提高和扩散光学层析（Diffuse Optical Tomography,DOT）等先进方案的实现。传统的光子计数技术虽可极大地提高系统灵敏度,但其只能采用顺序源激励的非并行测量模式,严重降低了时间分辨率。为解决上述问题,本文基于锁相光子计数技术发展了一套三波长（785 nm、808 nm和830 nm）、240通道（20个源点×12探点）的高灵敏度、高密度（High Density,HD）fNIRS系统。该系统将光子计数技术的高灵敏度、大动态范围与锁相检测的并行优势相结合,能够有效实现DOT脑功能成像方案。面向上述HD-fNIRS系统研制及其DOT测量方案的实现,本文主要完成了以下内容:首先,在系统设计方面基于锁相光子计数技术设计了锁相光子计数模块,用于完成多光源并行点亮下各光源信号的解调分离,同时采用反馈式调节方案实现了光源光强自动调节模块的设计。其次,开发了与系统各功能模块相对应的人机交互平台,实现了 HD-fNIRS系统的自动化控制。为验证所研制的HD-fNIRS系统的可靠性,本文首先对系统线性度、稳定性和通道抗串扰能力进行了全面评估,验证了系统稳定工作的能力。同时,依据多光源通道串扰评估实验结果设计了光源并行扫描方案,并基于该光源扫描方案实现了多种扫描模式,以配合在体实验中不同的激励范式。此外,本文进一步开展了静态和动态仿体成像实验,对系统在DOT并行测量方案下的成像性能进行评估,初步验证了本系统在定位脑功能兴奋区域以及追踪光学参数动态变化过程中的能力,有利于其在未来在体研究以及医疗应用中得到更深层次的发展。

关键词：功能近红外光谱技术锁相光子计数技术高灵敏度高密度扩散光学层析成像自动化控制并行测量

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时间间隔多通道并行测量方法研究

时间间隔多通道并行测量方法研究

作者：尹文芹中国科学院大学(中国科学院国家授时中心)

学位级别：硕士

为了满足对多个时间同步终端同时进行测量的需求,实现时间间隔测量多通道、大量程的要求,研究了时间间隔多通道并行测量方法,对该方法进行了理论分析,设计系统方案,基于FPGA上实现并在该平台进行仿真和验证,并对系统性能进行测试。论文... 详细信息

为了满足对多个时间同步终端同时进行测量的需求,实现时间间隔测量多通道、大量程的要求,研究了时间间隔多通道并行测量方法,对该方法进行了理论分析,设计系统方案,基于FPGA上实现并在该平台进行仿真和验证,并对系统性能进行测试。论文首先讲述了研究背景、研究现状以及介绍了设计基础内容,还对论文内容做了大致的规划并说明了本论文研究的创新点。给出了评定时间间隔多通道并行测量的具体技术指标,并对影响测量的因素进行了说明。其次在分析常见时间间隔测量方法的基础上,先以实现双通道时间间隔测量为设计基础,详细说明工作原理,明确设计方案。进而根据上述研究理论,实现时间间隔多通道并行测量,在说明工作原理、设计方案的同时,分别对两大实现难点进行分析并解决,使时间间隔多通道并行测量得以实现。其中第一个实现难点是解决在不区分开关门信号的前提下,对何时开始计数、何时结束计数进行判断的方法;第二个实现难点是合理分配并行输出的管脚数,确保可以实现大量程的时间间隔测量。根据设计方案表明,选择基准参考时钟为250MHz,最终可实现测量分辨率为4ns、量程为8s的时间间隔多通道并行测量。然后通过FPGA仿真平台对设计方案中各功能模块进行功能仿真和验证,并分别对双通道时间间隔测量和时间间隔多通道并行测量方法进行功能仿真和验证,给出了仿真结果。仿真结果表明,论文设计的测量方法可以实现时间间隔的多通道并行测量。最后设计测试方法和测试平台方案,规划测试内容,完成了稳定性测试、准确性测试以及比对测试,得到并详细分析了测试结果。测试结果表明,该方法可实现12通道时间间隔并行测量,测量分辨率为4ns,测量时间间隔结果标准偏差可以达到1.9ns。

关键词：直接计数法 FPGA 并行测量时间间隔

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集成光纤束并行共焦测量

中国激光 2005年第1期32卷 105-109页

作者：王昭朱升成谭玉山弥宁西安交通大学机械工程学院激光与红外应用研究所陕西西安710049

为了克服单点扫描共焦测量中速度慢、机构复杂的不足,基于并行共焦测量的思想,利用集成光纤束器件实现光束分割,同时起到共焦测量中针孔的作用。在此基础上设计了基于该器件的一套并行共焦测量系统。系统中还采用了专门设计的棱... 详细信息

为了克服单点扫描共焦测量中速度慢、机构复杂的不足,基于并行共焦测量的思想,利用集成光纤束器件实现光束分割,同时起到共焦测量中针孔的作用。在此基础上设计了基于该器件的一套并行共焦测量系统。系统中还采用了专门设计的棱镜将光源与信号光分离。给出了系统的测量原理,说明系统具有结构简单,信噪比高等特点。初步实验表明了该系统的可行性。

关键词：集成光学集成光纤束共焦并行测量

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使用组合检偏器的椭圆偏振态并行测量方法研究

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使用组合检偏器的椭圆偏振态并行测量方法研究

上海市激光学会2009年学术年会

作者：毛鹏辉郑玉祥陈岳瑞蔡清元张荣君陈良尧复旦大学先进光子学材料和器件重点实验室光科学与工程系

旋转偏振器的光度式椭偏仪具有较高的测量精度,但由于存在旋转部件,将难以缩短椭偏参数的测量时间。基于旋转检偏器的椭偏测量原理,在本工作中采用多个微型检偏品体,按不同偏振方位角排列,制成组合式检偏器,替代了传统可旋转的单一检偏... 详细信息

旋转偏振器的光度式椭偏仪具有较高的测量精度,但由于存在旋转部件,将难以缩短椭偏参数的测量时间。基于旋转检偏器的椭偏测量原理,在本工作中采用多个微型检偏品体,按不同偏振方位角排列,制成组合式检偏器,替代了传统可旋转的单一检偏晶体,使整个椭偏测量过程无任何机械位移部件,在满足测量精度的同时显著提高了测量速度,将可应用于薄膜生长过程等实时光学监控场合。在研制的实验系统中,起偏器的方位角被固定在45°,12个微型检偏晶体的尺寸为1.5mm×1.5mm×4mm,以相隔约15°的方位角被置放于专门设计和加工好的金属工件中,形成了组合式的检偏晶体。入射光被样品反射后,其偏振态发生了改变,再通过12个组合检偏器入射到二维CCD探测面上,可以在同一数据采集时间内获取由单一检偏器旋转一周才能获得的各偏振态的光强信号,经由计算机对信号进行光强权重的数值归一化以及数值拟合分析后,可快速获得椭偏参数。在实验中,选取波长546.1nm的探测光,在60°入射角条件下对单晶硅片进行了测量,获得Ψ=24.013°,△=-177.600°;然后在硅片上生长了金膜,获得Ψ=41.805°,△=-121.796°,与旋转偏振器的光度式椭偏仪的测量结果相符合。

关键词：椭圆偏振并行测量组合式检偏器

来源： cnki会议评论

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相控阵天线多波位并行测量效率与精度探讨

相控阵天线多波位并行测量效率与精度探讨

基于regionprops函数的并行彩色共聚焦测量系统的三维重构

2015年全国天线年会

作者：李海良姜华北京空间飞行器总体设计部北京市电磁兼容与天线测试工程技术研究中心

本文介绍了相控阵天线平面近场脉冲多波位并行测试方法,并以某波纹喇叭为例开展了多波位并行试验。试验结果表明,多波位并行试验能够大幅提升天线方向图测试效率,但由于多任务采样引入的位置偏差,其相位方向图和相位中心测试结果需要进... 详细信息

本文介绍了相控阵天线平面近场脉冲多波位并行测试方法,并以某波纹喇叭为例开展了多波位并行试验。试验结果表明,多波位并行试验能够大幅提升天线方向图测试效率,但由于多任务采样引入的位置偏差,其相位方向图和相位中心测试结果需要进一步修正。

关键词：相控阵天线多波位并行测量平面近场

来源： cnki会议评论

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光学精密工程 2022年第1期30卷 45-55页

作者：张雅丽余卿程方王翀王寅华侨大学机电及自动化学院福建厦门361021

针对并行彩色共聚焦测量系统在进行三维重构时质心识别效果差,处理效率低等问题,提出一种高效率、高精度的三维重构方法。该方法首先对三维重构实验得到的所有图像进行目标提取和图像拼接,得到待处理的拼接图像,通过MATLAB的regionprop... 详细信息

针对并行彩色共聚焦测量系统在进行三维重构时质心识别效果差,处理效率低等问题,提出一种高效率、高精度的三维重构方法。该方法首先对三维重构实验得到的所有图像进行目标提取和图像拼接,得到待处理的拼接图像,通过MATLAB的regionprops函数和形态学处理提取拼接后各个被测点的质心及质心连通区域,并利用颜色转换算法进行相应的“H值-高度”转换,最后,比较并结合插值拟合算法实现了物体表面三维形貌的重构。为了验证该算法的可行性,针对一元硬币的“N”字和“E”字进行处理。实验结果表明,该系统的轴向测量范围为80μm,测量精度可达到微米级别。该算法可以快速有效地实现物体表面三维形貌的还原,相较于传统方法,处理效率提高5~6倍。

关键词：三维形貌测量彩色共聚焦并行测量图像处理

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光纤束并行彩色共聚焦测量系统及实验研究

仪器仪表学报 2020年第12期41卷 23-31页

作者：张雅丽余卿程方王寅王翀华侨大学机电及自动化学院厦门361021

彩色共聚焦技术无需轴向扫描,测量速度快、测量精度高,具有良好的轴向层析能力和轴向分辨能力,在智能制造、生物医学等领域应用广泛。但目前的彩色共聚焦技术多为单点测量,所需横向扫描耗时长,不能满足快速测量的应用需求。本文在单点... 详细信息

彩色共聚焦技术无需轴向扫描,测量速度快、测量精度高,具有良好的轴向层析能力和轴向分辨能力,在智能制造、生物医学等领域应用广泛。但目前的彩色共聚焦技术多为单点测量,所需横向扫描耗时长,不能满足快速测量的应用需求。本文在单点彩色共聚焦实验平台的基础上,利用光纤束作为光分束器件实现并行色散。同时,利用面阵彩色相机作为光电接收器件,结合颜色转换算法实现"H值-高度"转换。先以自制台阶作为测量对象,确定测量装置的测量范围及精度;再以硬币表面"E"字为测量对象,通过线扫描的方式还原了硬币表面的三维形貌。实验结果表明,该系统的轴向测量范围约80μm,轴向测量精度可达到微米级,系统具有良好的三维重构能力。

关键词：彩色共聚焦光纤束彩色相机并行测量三维重构

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差动点阵式共聚焦在横向跨尺度测量中的应用

差动点阵式共聚焦在横向跨尺度测量中的应用

作者：陈思远华侨大学

学位级别：硕士

随着社会科学技术的进步,微纳米科技已成为多国提升核心竞争力的战略选择,世界各国都在加强对微纳米科技的研究。无论采用何种加工工艺,含微纳结构产品的质量控制及加工工艺研究都急需微纳表征与测量方法。已有的超精密三维测量方法如... 详细信息

随着社会科学技术的进步,微纳米科技已成为多国提升核心竞争力的战略选择,世界各国都在加强对微纳米科技的研究。无论采用何种加工工艺,含微纳结构产品的质量控制及加工工艺研究都急需微纳表征与测量方法。已有的超精密三维测量方法如差动点阵式共聚焦三维测量方法,在亚微米高横向分辨成像时单次测量视场不足1毫米,这就造成了高横向分辨率与大横向尺寸之间的矛盾。为了解决这个问题,本文利用高精度高效率差动点阵式共聚焦三维成像方法,采用子孔径扫描图像拼接技术,通过该技术建立横向跨尺度差动点阵式共聚焦三维测量方法,为横向跨尺度样本的形貌测量提供了一个兼具效率与精度的测量方案。首先,分析了差动点阵式共聚焦能够实现高精度和高效率成像的机理。然后分析了不同参数的物镜对差动点阵式共聚焦轴向测量的影响机理,并通过实验得到了不同物镜下,将差动信号转换为轴向位置的转换关系。其次,分析了随机噪音、光照不均以及样本表面反射率不均等因素对差动点阵式共聚焦轴向测量的影响。然后分别建立了与之对应的数学模型,并提出误差补偿方法。并且在4倍物镜的大视场下,分别验证了光照不均误差补偿模型和反射率不均误差补偿模型的正确性。第三,建立了基于ORB(Oriented FAST and Rotated BRIEF)特征检测算法的子孔径扫描图像拼接算法。提出使用汉明距离代替传统的欧氏距离来加速ORB描述子匹配过程以及使用PROSAC(Progressive Sampling Consensus)算法来解决ORB描述子粗匹配中存在错误匹配问题的解决方案。并使用差动点阵式共聚焦获取的图像对上述拼接方案进行了检验。最后,运用本文提出的跨尺度差动点阵式共聚焦三维测量技术方案,实现了横向跨尺度样本整体三维形貌的测量。和白光干涉仪测量结果相比,整体拼接误差为2.3%,表面微观形貌的高度测量误差为4.43%。本文提出了适用于横向跨尺度样本亚微米分辨3D形貌测量的跨尺度差动点阵式共聚焦三维测量技术方案,将差动点阵式共聚焦3D测量方法向实际工业产线应用推进了一步,为新兴的微纳科技产业产品表征和测量提供了一个新的自动化技术方案。

关键词：差动共聚焦并行测量 3D形貌测量图像拼接跨尺度

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并行超声波测距系统在移动机器人上的应用

传感器与微系统 2008年第9期27卷 115-117页

作者：王洪青褚金奎李荣华李庆瀛大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室辽宁省微纳米技术及系统重点实验室辽宁大连116023

超声波传感器被广泛应用于机器人避障系统中。基于超声波的测距原理,设计了一种并行测距系统。介绍了系统的硬件组成和软件实现方法。针对多路传感器并行测距容易产生干扰的现象,分析了干扰产生的原因,提出一种有效的解决办法。将系统... 详细信息

超声波传感器被广泛应用于机器人避障系统中。基于超声波的测距原理,设计了一种并行测距系统。介绍了系统的硬件组成和软件实现方法。针对多路传感器并行测距容易产生干扰的现象,分析了干扰产生的原因,提出一种有效的解决办法。将系统用于移动机器人避障实验,给出了系统测量范围的实验标定结果。

关键词：超声波传感器并行测量多机通信干扰

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