[发明专利]一种椭圆弯晶谱仪数据采集与处理系统

说明书

本发明公开了一种椭圆弯晶谱仪数据采集与处理系统，包括CCD光电转换模块、模拟前端的AD应用模块、FPGA驱动及控制模块、USB接口传输模块和系统电源模块；通过系统获取激光等离子体X射线的光谱图像，经过USB接口传输模块实现与PC机的数据通讯，并将传输的数据显示到PC机上；系统能够实时、高速采集不同帧频，不同分辨率的图像数据，并将采集的数据实时传输与显示，系统通过使用小波变换和中值滤波算法，光谱图像获得了较高的信噪比和很好的视觉效果；利用去噪后的光谱图像获取X射线的谱线图，经过波长的标定将像素与光强的关系转化为波长与强度的关系，进而得到椭圆弯晶谱仪的空间分辨率，得到等离子体的温度和旋转速度。

技术领域

本发明涉及图像数据的采集与处理领域，具体地，涉及一种椭圆弯晶谱仪数据采集与处理系统。

背景技术

在高温等离子体中，由于异常的高温及其复杂的电磁场产生各种复杂的磁流体过程，并产生各种形式的辐射，而且等离子体内各成分间经历着十分复杂的粒子和能量输运过程及各种相互作用过程。要真实的了解高温等离子体的内部状态及变化过程，就必须通过一定的实验手段对等离子体中电子温度、密度、电离分布、电流和电磁场的时空分布以及输运、波动和不稳定性等状态参数进行实验测量，即等离子体诊断。为了对等离子体进行诊断，使用椭圆弯晶谱仪来探测等离子体辐射的X射线。一般采用X射线CCD相机作为椭圆型晶体谱仪的记录介质，获得等离子体的丰富信息和特征。伴随科学技术的不断发展，数据采集系统越来越广泛，各个应用领域的各界人士对数据采集传输系统的各项指标都提出了更高的要求，包括采样速度、分辨率、检测精度以及抵抗测试环境干扰的能力等方面。然而，传统的数据采集与处理系统远远达不到这个要求。因此，为了使数据采集系统能更好的满足实际工业和科研的需求，设计一种传输速率快，能够实时处理数据的系统是非常必要的。

发明内容

本发明提供了一种椭圆弯晶谱仪数据采集与处理系统，解决了现有的数据采集传输系统在采样速度、分辨率、检测精度以及抵抗测试环境干扰的能力不足的技术问题，实现了本系统在采样速度、分辨率、检测精度以及抵抗测试环境干扰方面的能力提高的技术效果。

为实现上述发明目的，本申请提供了一种椭圆弯晶谱仪数据采集与处理系统，所述系统包括：

CCD光电转换模块、模拟前端的AD应用模块、FPGA驱动及控制模块、USB接口传输模块、系统电源模块；系统电源模块用于对系统进行供电，系统上电之后，上位机通过USB接口传输模块向FPGA驱动及控制模块发送控制命令，USB接口传输模块基于该控制命令完成对FPGA驱动及控制模块的数据采集参数进行初始化设置；FPGA驱动及控制模块根据初始的采集参数产生与之对应的CCD驱动时序，使CCD光电转换模块在该驱动时序的控制下工作；CCD光电转换模块将采集到的光信号转换成电信号输出，经过模拟前端的AD应用模块完成模拟前端处理和A/D数据转换；系统使用小波变换算法来处理硬件部分工作过程中产生的噪声。

其中，本申请中的系统包括硬件和软件两个部分。硬件部分包括CCD光电转换模块、模拟前端的AD应用模块、FPGA驱动及控制模块、USB接口传输模块和系统电源模块。软件部分包括固件程序、USB驱动程序和应用程序的设计。通过系统获取激光等离子体X射线的光谱图像，经过USB3.0接口电路实现与PC机间的数据通讯，并将传输的数据显示到PC机上。数据在获取、传输过程中，由于CCD的本身缺陷，如暗电流、光敏单元不均匀、该装置工作过程中产生大量的热导致高斯白噪声的出现进而影响光谱图像的清晰度，因此在应用程序的设计过程中，包含了对光谱图像的去噪处理，该系统使用小波变换算法来处理硬件部分工作过程中产生的噪声。然后利用去噪后的光谱图像获取X射线的谱线图，经过波长的标定将像素与光强的关系转化为波长与强度的关系，进而得到椭圆弯晶谱仪的空间分辨率，最后利用相应的公式可以得到等离子体的温度和旋转速度。

优选的，系统配置FPGA驱动及控制模块上FIFO存储空间实现数据缓存和时钟域转换，再通过USB接口传输模块将数据读出到上位机以进行后期数据分析和处理。