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多路DDS光源调制及基于单光子计数的数字锁相检测系统

作　者: 郭卉
导　师: 赵会娟
学　校: 天津大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 稳态DOT成像直接数字频率合成技术光源调制单光子计数技术数字锁相检测
分类号: TH843
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

扩散光学层析成像（Diffuse Optical Tomography，DOT）作为一种新型的成像模式，因其具有无创性、无辐射、高灵敏度和可连续监测等优点，在医学光学诊断技术中发挥着重要的作用。稳态DOT成像系统中当光源数目较多时，采用时分复用技术对光源进行编码会导致测量时间增长，从而使得成像实时性较差。针对这一问题，本文采用频分复用方式，基于直接数字频率合成技术（DDS）原理，以FPGA为平台设计了一种多路光源调制模块，用于产生四路不同频率的低频模拟正弦信号对光源进行调制。同时，在光源调制模块中增加了数字参考信号输出，从而保证了数字锁相参考信号与调制信号同源产生。频分复用技术对于探测器动态范围要求比较高，且测量信号信噪比较差，因此本文设计了基于单光子计数技术的数字锁相模块。PMT具有很高的动态范围，而数字锁相方法可以检测出深埋在噪声中的交流信号。为了验证数字锁相的准确性，本文分别进行了单波长光源和双波长光源下的调制解调实验。结果表明，当调制信号幅值增加时，解调结果成比例增加。为了进一步验证系统的有效性，本文将其应用于稳态DOT成像系统中。首先，在均匀固体仿体上，将不同源-探距离下单波长及双波长的调制解调结果与单光子计数的测量结果进行对比。结果表明，单波长测量时，解调结果相对误差小于5.36%，双波长测量时，解调结果相对误差小于8.01%。其次，在带异质体的固体仿体上，分别将单波长和双波长的调制解调结果用于异质体的吸收系数重建。结果表明，采用本系统的测量数据可以对异质体的吸收系数进行很好的重建，并且在双波长实验中可以将不同调制频率的光源响应区分开。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-6
目录  6-9
第一章绪论  9-12
  1.1 引言  9
  1.2 研究背景  9-11
    1.2.1 生物组织体光学参数的测量技术  9-10
    1.2.2 扩散光学层析成像中的编码技术  10-11
  1.3 本文主要研究内容  11-12
第二章系统关键技术研究  12-21
  2.1 直接数字频率合成技术  12-15
    2.1.1 DDS 原理  12-13
    2.1.2 DDS 的结构和特点  13-15
  2.2 光电检测中的单光子计数技术  15-17
  2.3 基于单光子计数的数字锁相技术  17-20
    2.3.1 正交锁相检测技术  17-19
    2.3.2 基于单光子计数的数字锁相检测技术  19-20
  2.4 本章小结  20-21
第三章多路 DDS 光源调制模块研制  21-39
  3.1 设计思路  21-22
  3.2 数字调制信号及参考信号输出设计  22-26
    3.2.1 USB 读写控制模块设计  22-23
    3.2.2 参数配置控制模块设计  23-24
    3.2.3 四通道并行 DDS 模块设计  24
    3.2.4 DA 转换驱动模块设计  24-26
    3.2.5 四路选通模块设计  26
  3.3 模拟调制信号输出设计  26-35
    3.3.1 硬件电路整体设计  26-27
    3.3.2 电源电路设计  27-28
    3.3.3 数模转换电路设计  28-30
    3.3.4 IU 转换电路及放大电路设计  30-31
    3.3.5 低通滤波电路设计  31-33
    3.3.6 USB 通讯硬件电路设计  33-35
  3.4 模拟及实验结果验证  35-38
    3.4.1 多路 DDS 数字信号输出  35-36
    3.4.2 多路 DDS 模拟信号输出  36-38
  3.5 本章小结  38-39
第四章基于单光子计数技术的数字锁相模块设计及实验研究  39-49
  4.1 设计思路  39-40
  4.2 基于单光子计数技术的数字锁相模块设计  40-44
    4.2.1 顶层控制模块设计  40-41
    4.2.2 异步参考信号接收模块设计  41
    4.2.3 PMT 脉冲抓取及数字锁相模块设计  41-43
    4.2.4 读写 FIFO 模块设计  43-44
  4.3 验证实验结果及分析  44-48
    4.3.1 数据接收结果验证  44-45
    4.3.2 单波长线性实验  45-46
    4.3.3 双波长线性实验  46-48
  4.4 本章小结  48-49
第五章成像系统的实验验证及结果分析  49-59
  5.1 成像系统介绍  49-52
    5.1.1 稳态 DOT 成像系统  49-51
    5.1.2 实验条件控制  51-52
  5.2 在固体均匀仿体上的调制解调实验验证  52-55
    5.2.1 固体仿体介绍  53
    5.2.2 单波长多探测点实验  53-54
    5.2.3 双波长多探测点实验  54-55
  5.3 单异质体仿体的 DOT 成像实验验证  55-57
    5.3.1 固体仿体介绍  55
    5.3.2 单波长光源调制下单异质体 DOT 成像实验  55-56
    5.3.3 双波长光源调制下单异质体 DOT 成像实验  56-57
  5.4 本章小结  57-59
第六章总结与展望  59-61
  6.1 总结  59-60
  6.2 展望  60-61
参考文献  61-65
发表论文和参加科研情况说明  65-66
致谢  66

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