范文一：通过阈值方法获得亚瑞利分辨率

通过阈值方法获得亚瑞利分辨率

摘要:在传统光学成像系统之中，入射光通过一有限直径的小孔而发生的衍射会使空间分辨率受到瑞利极限的限制。我们已经证明了通过非结构性的激光束聚集扫面物体表面以及低于最高阈值条件的阈值N的动态应用使空间分辨率突Nmax

破了这个极限。实验结果表明亚瑞利分辨率提高的倍数为

引言

在理想的成像系统之中，成像光波的波长只会限制最小分辨的特征尺寸的大小。然而，当一束光通过一有限的孔径时，会发生波前修正，这个修正会传播到相面上，从而会生成一个畸变图像，这就是衍射。例如，一束激光聚集在物体表面上的形成光强模式在相面上生成的并不是一个点，而是由光束通过物体和相面之间的镜片的有限孔径而形成的散射而生成的瑞利斑。

这样一来物体上两个紧密排列的点的任何限制都回直接转移到限制一个扩展对象的图像的分辨率上。

瑞利极限就是衡量两个物点的像的分辨能力，在1879年，洛德.瑞利提出两个物点所形成的两个爱里斑，其中一个爱里斑的中心与另一个爱丽斑的第一级暗纹重合时，刚好能分辨出这两个物点的像。在相面最小的可区分间隔为

0.61,D0 , , (1) RMRA

,D其中(1)式中的代表照明光的波长，代表物面到导致产生衍射的小孔之间0

的距离， R是小孔的半径，M代表像的放大倍数，对于另外一个比较著名的判据就是斯派罗判据，斯派罗判据认为，当两个爱里斑之间的合光强刚好只出现上凸时为刚可分辨的极限情况。一个光学系统的空间分辨率能够突破这些极限会在诸多的领域具有广泛的应用，例如激光雷达和生物医学显微镜。

前期工作

许多对于获得较高分辨率的提议都是建立在非经典光的基础上，例如福克态或者路径纠缠态，这些态在N光子符合测量中提供亚光波长衍射，相应的，通

过成像的波长使其分辨率突破这些极限，曾证明了通过多光子计数阵列和后期处理使N阶分辨率的增强具有可能性，认为复杂的N光子符合测量并不是获得增强分辨率的必要的因素，虽然在原则上是可以实现的，但是在前面所讲的操作步骤很难实现，因为创造一个必要的光子态是具有挑战性并且这个光子态相当敏感容易丢失。

在几组采用传统照明光源基础上的调查方法采用了不切实际的的量子态产生和操作去提高成像分辨率。在对称替换位置上的结合处的测量时，真热光源的经典关联会产生一种亚波长双缝干涉模式，这个模式类似于由纠缠光源所产生的模式。相干光源(激光)通过波矢关联和多普勒共振探测器进行多光子频率选择性探测可产生亚波长干涉模式。在一个成像系统之中，利用量子增强技术和经典技术去获得亚波长分辨率的图像可以不受衍射极限的限制。

然而，在光学成像系统之中，通过有限元所产生的最小分辨尺寸要远远大于由像的波长所产生的限制。有几种经典的方法被提议可以突破这些衍射极限。这些方法包括多光子探测技术，点对点照明光源，后期处理或者将其结合。Bently和Boyd描述了在N光子吸收材料上利用光刻技术来模拟N阶谐波的产生并被CCD探测器进行光电检测，此种方法在原则上会突破瑞利极限使图像的分辨率得到极大的提升。在生物医学领域，Hell提到利用N光子探测显微技术可以提高荧光分子的成像质量。在近期，通过光子数分辨探测器证明了N光子探测会对一般强度成像的N次幂产生影响，会使它的峰值和谷值更加突出，使其对比度得到提高。然而,这些作者也提到在传统的光源照明全物成像并不能突破斯派罗极限，并不会突出其图像特征。

点对点照明物体采用共焦扫描显微镜是一种普通的生物成像方法，一个生物样本通过激光的聚集扫描可产生有荧光标记的生物标志物，一个小孔被放在相面上可限制到达探测器的光源半径，这种方法通过利用一走非爱里斑中心内的光学信息去提高成像的分辨率，虽然这种方法可以提高图像的分辨率，但是仍然存在一些局限，为了提高图像的分辨率，到达相面上的光由于小孔的作用而大幅度减少，所以为了获得可接受的信噪比的图像则需要入射光的强度足够大，为了获得更好的实验结果，我们需要让小孔的中心与爱里斑的中心精密匹配。因此小孔的

中心要随着光波精确的移动，这种方法在物面和相面之间距离很小的显微技术中是可行的，若物面和相面被很好地隔离开来，会发生散射，那么此种方法是很难达到我们所想要的效果。

通过对物体进行后期处理的先前知识可以提高成像的分辨率，Pertsinidi et

al这篇文章最近证明了相邻的荧光分子会呈现出亚纳米分辨率的图像。通过利用每个分子的高度荧光对称模式以及伺服控制去稳定其成像系统，他们可以由此去确定0.5nm分辨率的质心位置。然而，这个先前知识只能应用于特殊的领域当中。

为了突破斯派罗衍射极限使其物体的任意扩展部分都可以成像，Giovnnetti文章提出通过结合点对点照明光源和N光子探测可以极大提高成像的分辨率。他们技术中最显著的优点便是其扫描可以是完全无组织的扫描，只要扫描可以完全覆盖物体回波，这种方法让我们很好避免所有的先前知识，这个理论最近在文章中得到了实验证明，利用了聚焦激光束和用于图像采集的SPAD阵列探测器。这个实验所采用的是低强度的照明光源，每个像素点每秒所探测到的最大的平均光子数为15，这个实验通过在使在每个像素的探测阵列的阈值N大于Nmax使其成像的分辨率突破了亚斯派罗极限，在低强度入射光条件下，散粒噪声很明显，以至于每个照亮区域的成千上万祯图像必须求平均值。在此实验中图像成像分辨率的提高与理论预测( )取得一致。

2 聚焦照明光源以及阈值法理论

在此文中，我们对Guerrieri文章的结果进行扩展，对他们的实验聚集扫描和阈值法进行了修饰使其兼容于CCD阵列探测器。我们可利用一标准成像装置去带以SPAD阵列探测器，因为我们需要用到高强度的照明光源使其探测器收集到足够强的光强便并使足够强光强聚集在物面上便可以忽略成泊松分布的散粒噪声，因此CCD便可复活照明区域所有有用信息，使图像取多桢平均变得不再重要。

为了定量改善此实验技术，我们将艾丽斑近似为成高斯分布的形式，其峰值为Nmax， ，这是一个一般近似，这个近似允许阈值作用

,为一个闭式表达式，完全是由实验装置所决定的，并且发现了在点照明光源所成的像的中心区域的真实强度分布与高斯分布只存在着很细微的差别。因此，我

们可将近中心区域的区域近似为高斯分布，那么便有

(2)

其中(2)式中的x是点照明光源所成的像波峰的距离，(?)我们从下面的步骤当中选出新的宽度值，一个较小的会提升后期处理图像的分辨率，但是它,,NN

有一个由CCD像素尺寸大小所引起的一个下限，然而，较小的值会导致较长,N的图像采集时间，这是因为需要大量精细的扫描才能生成完整的图像。因此的,选择取决于依据分辨率和采集时间的图像测量的需求，对于一个给定的 ，方程2算出我们所需要的值，因此可以得到比率 ，在电脑的后期处理过N,，，N

程中我们可以通过这个比率得到我们所需要的宽度值，因此，对于一个给定的阈值，我们可以得到一个较小的半宽值，

(3)只要这个值可以突破有CCD探测器像素的大小和在物体上的聚焦照明光源的光束要所引起的分辨率极限，这个过程在图3(a)中，对于灰度物体，在不同相点上光强分布是不同的，对于每一个照明光的点 将阈值N作为Nmax的一个函数(将比率值去代替N的绝对值)，方便的记录这些点的光强的变化值。因此可利用动态阈值方法去保证灰度物体成像。

3 实验

3.1实验装置

图一便是我们上文所描述的亚瑞利成像装置图，照明光源为532nm的激光，聚焦在物体上的激光光束腰为20um。通过调整平面镜的角度对物面上的光斑进行人工的扫描，M等于1的成像系统位于距离物面110cm的位置上，包括一个有着衍射极限的聚焦透镜，一个中继透镜，一个CCD阵列探测器。聚焦透镜的焦距为25cm可覆盖产生严格的衍射极限的半径为1mm的小孔。扫描镜和物之

D间的距离足够远保证在物面上有着亮度均匀的照明光。 m

两个目标靶成像在传播过程中，证明了对于透明与不透明物体成像和灰度物体的成像的分辨率都会得到提高，对于前一个成像我们用的是USAF光学分辨率

检验板第二组的第二部分作为目标靶，这个目标靶包括三个相互交替的111um长555um高的透光与不透光条纹，如图二所示，对于此实验的成像系统M=1，小孔的孔径大小为1mm，通过方程一我们可算出瑞利极限为357um。这个数值为是相面上的特征尺寸大小111um的3.2倍。对于灰度成像，我们所用的是四个区域的ISO-2155动态范围薄膜靶，四个区域分别标注3，5，6，9代表着77.6%，40.4%，20.9%,和1.56%的透射率。

图1利用CCD探测器的亚瑞利成像装置图

图2(a) USAF光学分辨率检验板:红色箭头所指的是第二组第二个元素，条纹宽度是111um。(b)用于灰度成像的ISO-2155动态范围薄膜靶:3，5，6和9四个区域指定透射率分别为77.6%,40.4%,20.9%和1.56%.

我们所用的是12位输出的就CCD阵列探测器(型号)，起像素的面积为7.4*7.4小于物的特征尺寸和物上照明光束腰，CCD探测器的散粒噪声为每50us的曝光时间就有2次的暗计数，我们确信在我们实验中是用的制造商的13位转换效率规格。，所有的程序用C+进行编写，并且建立在有Basler建立的数据库上，像的行成经过以下几个步骤，最初的图像会被记录并使其匹配与高斯分布，记录

,,其标准差，然后是设置我们所需要的宽度值，在之前测量的物体所有零度N

值图像的区域都会被记录，当有一阵图像需要一单一的在特定照明区域的曝光

时， ，大于或等于阈值的的像素保持他们的计数而其他像素设置成0值。然后储存的图像通过结合生成的桢中高于阈值条件像素的进行更新，这个过程会被是扫描所覆盖所有的点进行重复，每次都会生成最后图像的某一点。

3.2 实验测量方法和结果

图3(a)描述的是物面上一个半径为20um的光斑的衍射极限像上的阈值作用，在这个装置中，并没有安置靶。黑色曲线描述的是通过衍射极限图像中心横

1截面的像素计数，其最大值为1050，注意到为类高斯分布的爱里斑的半,2e

宽长。大约为20个像素数，我们应用两个阈值，N=800(红虚线)和1000(蓝虚线)所有像素低于阈值N需设置为0(每个像素的最初值)。联系图3a的每个阈值，两个垂线表示的是修饰过的点光源图像的全宽2 ，这个全宽由公式(3),N

可算出，如图3(B)所示随着阈值增加到接近最大值使Nmax，我们可以看到点光源尺寸大小会急剧减小，另外，由于最初的点光源图像的峰是高度对称的，与原始图像相关的后期处理图像的中心值不会发生明显的转变。

图3(a)通过点光源衍射极限中心区域的横截面(黑色曲线)，两个阈值代表

,的两个阈值，N=800(红)，和N=1000(蓝)。(b)半宽作为图像(a)中阈N

值N的函数图。

我们在3.1节所介绍的USAF光学分辨率检验板第一次成像如图2(a)所示，首先，图4(a)是利用经典，完全照射物体的照明光源，但是在图一的光学成像系统之中并没有一个半径为1mm的小孔，4(b)是在图一的实验装置中有着一个半径为1mm的小孔。照明光波发散出半径为3mm的光面,覆盖整个物面。,

没有这个小孔，所成的像具有较好的分辨率，三个条纹的宽度为111um(15个像素)，有这个小孔，相面上的瑞利极限为357um(48个像素)，这个结果可通过方程一求出，这个值远远大于条纹的宽度，因此他们是不可分辨的。

随后我们利用在3.1节所描述的聚焦扫描和阈值应用对USAF光学分辨率检验板进行第二次成像，图4(c)和图4(d)分别为在低强度照明光和高强度照

1明光源的情况下利用聚焦扫描和阈值技术所获取的图像.我们的成像系统的2e半宽值值为20个像素大小，我们选取为5个像素大小的值， ,,N

为了使得到为5个像素大小的值(37um)，利用方程三我们计算出需设置阈,N

值N=0939Nmax,在高强度的照明光源情况下，Nmax为在一个曝光时间50us内每个像素计数1000次。随着照明光波扫描其图像其最重图像会被逐点建立起来， 在高强度的照明光源情况下得到的最终图像如图(c)所示 ，利用我们的技术USAF光学分辨率检验板的三个条纹拥有较好的分辨率。

为了提高成像的分辨率，我们检测了不投光部分与投光部分的边界光的衍射在物面上和成像系统中。两个相邻的照明点的爱里斑会重合，在边界部分，两个点的最大值是不一样的，这是因为就像在3.1节所描述的非零值得像素点会取代像素点旧值将原先储存的图像进行了更新，两个爱里斑重叠的区域的最终强度取决于扫描的顺序，若透明部分的像首先建立，其重叠部分更加明亮，相反，其重叠部分会变得暗淡，这也导致了条纹边界部分的轻微的粗糙以及强度分布的不均，这也不可避免的，因为光波在物面上有限尺寸的大小，于是衍射会发生尖锐的边缘，然而，凹凸不平的边缘可以减小通过减小光束腰或者增加阈值条件获得

,更小的值，光滑的边缘可采用两种方法中的任何一种，但是都需要精确的扫N

描，所以会增加图像的采集时间。

图4，利用不同的方法(包括入射功率)对USAF光学分辨率检验板所称的像。(a)传统的全物照明，不含小孔成像(30uw)(b)含半径为1mm的小孔传统衍射极限成像(150uw)(c)在强光情况下通过聚焦扫描和阈值方法的亚瑞利成像(30uw)(d)在弱光情况下通过聚焦扫描和阈值方法的亚瑞利成像(3.5uw)

我们在探讨低强度的照明光情况下亚瑞利图像的形成过程，我们将小照明光的强度，并在实验室亮灯的情况下进行试验，没有照明光的北京计数在50us的曝光内为每像素20计数， 在有照明光的情况下Nmax为每像素60计数，信噪比仅仅为2，虽然如此，利用照明光源聚焦扫描和阈值方法仍然使三个条纹清晰可见，尽管条纹的强度远远微弱与在低照明光情况下条纹所成的像，通过利用我们的扫描模式，图4(d)的饱和部分覆盖程度更强，从这，我们可推测到在地强度照明光的情况下增加图像的采集时间会会提高最终图像的对比度和信噪比。在低强度光的情况下就如同gurrieri文章中所描述的泊松散粒噪声变得有关联的以使SPAD阵列探测器在高分辨率图像是必要的，(,)

迄今为止，我们已经证明在方程(3)中通过结合聚焦照明光，阈值方法，CCD探测器可以在传播过程中提高透光部分和非透光部分图像的分辨率，我们

的方法主要有两个优点:1对于每一点只有一个图像是完全必要的，2另外阈值的设置是独立的并是动态的可是单一照明点的成像完全依靠与最大的阈值。利用我们实验技术，动态阈值可应用在灰度物体成像的系统中，并且具有潜在应用前景。

作为试验技术的性能的初步证明，我们做了一个额外的成像实验，利用图2(b)所描述得的我们所用的是四个区域的ISO-2155动态范围薄膜靶，图5(a)是不含有小孔的动态范围薄膜靶的传统的，全物照明成像，是因为灰度成像实验的测量的目的是复制其强度的分布并不是获取不同区域边界的高分辨率图像，、我们减小阈值因此增加了在相面上的光斑和减小了全物扫描的时间。这导致了5(b)中的光斑模式和不清晰的边界，5(b)图像表明了拥有小孔的聚焦扫描图像清晰度要胜于5(a)传统的，无小孔的成像。

\

图5灰度靶成像(a)不含小孔的传统的全物照明成像(b)含有半径为1mm小孔的通过聚焦扫描和阈值方法成像

从5(b)图灰度物体的亚瑞利成像,我们可推断图2(b)中动态范围薄膜靶的四个标注区域的相对透射率，动态范围薄膜靶的说明书详述如下;区域3和区域5之间的比率为1.9,区域5和区域6之间的比率为1.9,区域6和区域9之间的比率为13.4，相比之下，从我们的图像，可推测到相对应的值为2.5,2.2.和22。刚开始的两个比率(区域3和区域5之间，区域5和区域6之间)很好符合说明书所描述的，区域6和9之间的比率要大于说明书中的规格60%左右，这主要是因为少部分光通过区域9，背景计数决定着区域9的测量。另外，小孔的中心并没有严格对英语薄膜靶，所以会导致一部分从其他区域过来的传播光并不能通过

聚焦透镜，我们需要注意到图5(b)聚焦照明光源成像6和9之间的比率为22接近于如图5(a)所示全物照明光成像中的比率26，因此，在灰度物体成像中阈值方法具有明显的优势。

4结论

我们已经证明了在高强度的照明光和低强度照明光的情况下利用聚焦扫描加上每个照明点的阈值应用可以突破瑞利极限和斯派罗极限。实际上，实际上聚焦扫描对于低于斯派罗极限的图像去提高其分辨率是非常有必要的。，因为若低于斯派罗极限并不到后期处理的全物照明的数据，我们在文中所提到的提高图像分辨率的技术只会束缚与CCD相机像积的大小和物面上照明光波光束腰的值。阈值的动态性质有利于在没有改进的装置或后期处理方法中去获得亚瑞利成像。并且，相面上的点最终尺寸大小意被调节用分辨率去转换成我们所需要成像速率。若利用多个激光器在同时间去照明多个点便可大大减小图像的建立时间。只要两个照明点的距离足够大使他们爱里斑的偏离值低于所加的阈值。每个照明点之间的分辨率的提高都会保存。

在本文所描述的实验中，物是在光在传播过程中成的像。然而，我们相信这种实验技术在光的反射过程中仍具有很好的效果，这也就说明这种实验技术在彩色成像系统中应用具有一定的可能性。为了完成亚瑞利彩色成像，单频激光器被宽频光源所代替，探测器的选择应该具备探测反射信号中红光，绿光和蓝光，这也是CCD探测器的标准功能。探测器对于任意点的反应都是三个爱里斑(红绿蓝)对于不同的振幅对应于不同的阈值，因此，彩色成像是相似于我们文中所描述的灰度成像。我相信我们的亚瑞利成像是基于聚焦照明光，阈值方法和CCD探测技术。我相信这些技术会被应用于于更广泛的成像领域。

范文二：瑞利衰落信道多分辨率64QAM的性能研究

?3 瑞利衰落信道多分辨率 64QAM 的性能研究

3 3 李光球 许强

( ) 杭州电子工业学院 杭州 310037

( ) ( ) 【摘要】 研究了用于数字 HD TV 地面广播的一种分辨率 M R64QAM 正交幅度调制方案 。推

导出在瑞利衰落和加性噪音干扰下 M R - 64QAM 的误比特性能 ,并对其进行计算机模拟 ,结果表明理论

分析和计算机模拟相吻合。为改善瑞利衰落下 MR - 64AQM 的误码性能 ,必须采用级连编码调制方案。

关 键 词 数字 HD TV ; 多分辨率调制 ; 瑞利衰落 ; 正交幅度调制

中图分类号 TN949 . 17

1 数字 HD TV 的地面广播存在着峭壁效应 ,克服峭壁效应的一种选择是采用多分辨率调制。HD TV 采用多分辨率广播可以充分地利用现有的频率资源 ,也有利于从现有电视向数字 HD TV 的 过渡 ,比较适合我国的国情 。为了在现有的 V HF/ U HF 频段传播 40 Mb/ s 左右的数据速率 ,M R -

1 ,3 64QAM 是理想的选择 。对多分辨率调制在数字 HD TV 的应用 K. Fazel 等已进行了研究。本 文解决的主要问题是分析 M R - 64QAM 在瑞利衰落和加性噪音干扰下的误比特性能 。 1 加性噪音下 M R - 64 QAM

为实现数字 HD TV 的三种分辨率广播 ,本文考虑采用三种分辨率的 M R - 64QAM ,其信号星

αα座图如图 1 所示 ,其中有 d> d > d, 且 d= d, d= d。对 64 个信号点分三个层次进行调 1 2 3 1 1 2 2 2 3

( 制处理 , 其星座结构中心分别以“ 、×、?”符号表示 , 第一次分解为以“ ”为中心的 4 个云团 即四 ''

) 个象限, 由最重要比特 i q来分别表示 4 个云团; 然后 , 每个云团又分解为以“ ×”为中心的 4 个 1 1

) ( 子云团 如第一象限的云团分解为 T 、T 、T 、T 四个子云团, 由次重要比特 i q来分别表示每 1 2 3 4 2 2 个子 云 团 ; 而 每 个 子 云 团 又 是 由 4 个 信 号 点“?”组 成 , 由 最 不 重 要 比 特 i q来 分 别 表 示 , 3 3

( ) i qi qi q到 64 个信号点的映射按表 1 进行 , 正交分量 Q 由 x x x 即 i i i 决定 , 同相分量 1 1 2 2 3 3 1 2 3 1 2 3

( I 由 x x x 决定 , 其中 x + i ? q, n = 1 , 2 , 3 。接收端按表 2 最重要比特以 I 、Q 轴为判决边界 , 1 2 3 n n n

) 次重要比特解调以第一象限为例 , 最不重要比特解调以 T 为例进行判决解调 , 在所有的信号点 4

上求平均 , 于是可得在加性白高斯噪音下最重要比特 、次重要比特 、最不重要比特的误比特率如图 1 所示 。

d + 2 d d + 2 d + 2 d d 1 1 31 2 31 erfc + erfc P=+ erf位c 。+ 1 `= 8 N N N 000

缹 d + 4 d + 2 d 1 3 2 强erfc a C N 0

迅

电 子 科 技 大 学 学 报 第 27 卷238

表 2 三种分辨率 64 - QAM 解调的判决边界

i q ( )( )( )n n 最重要比特 n = 1次重要比特 n = 2最不重要比特 n = 3

I > d+ 2 d+ 3 dI > d+ 2 d+ 3 d I > 0 1 2 31 2 3 00 Q > 0 Q < d+="" d+="" 2="" dq=""> d+ d+ 2 d 1 2 31 2 3 I < d+="" d+="" 2="" di="">< d+="" 2="" d+="" 3="" d="" 1="" 2="" 31="" 2="" 3i="">< 0="" 01="" q=""> 0 Q < d+="" d+="" 2="" dq=""> d+ 2 d+ 3 d 1 2 31 2 3 I < d+="" d+="" 2="" di="">< d+="" 2="" d+="" 3="" d="" 1="" 2="" 31="" 2="" 3i="">< 0="" 10="" q="">< 0="" q=""> d+ d+ 2 dQ < d+="" 2="" d+="" 3="" d="" 1="" 2="" 31="" 2="" 3="" i=""> d+ d+ 2 dI > d+ 2 d+ 3 d I > 0 1 2 31 2 311 Q < 0="" q=""> d+ d+ 2 dQ < d+="" 2="" d+="" 3="" d="" 1="" 2="" 31="" 2="" 3(="" )="" (="" )="" 由式="" 1,="" 3可知="" :每一种分辨率的调制性能取决于="" d="" 、d="" 和="" d,="" 选取不同的="" d="" 、d="" 和="" d,="" 1="" 2="" 3="" 1="" 2="" 3="">

αα可获得三种分辨率的数字 HD TV 广播 。作为特例 , 图 2 给出了= 1 . 19 ,= 1 . 21 时加性高斯噪 1 2

音下 M R - 64QAM 的误比特性能 , 由图 2 可以看出 , 理论分析和计算机模拟相吻合 。

2 瑞利衰落下 M R - 64 QAM 的性能

地面广播信道存在多径衰落 , 接收信号为散射分量或/ 和直射分量之和 , 当无直射分量时接收

4 ( ) 信号幅度包络服从瑞利分布 , 有直射分量时服从莱斯 Rician分布。在进行系统设计时 , 我们总

是考虑最恶劣的情况 , 因此本文考虑信道为瑞

利衰落 。根据信道的相干带宽与信号带宽的关

系可将信道分为频率选择性信道和频率非选择

性信道 。频率非选择性衰落将产生难以降低的

误比特率 , 但总可以采取一些措施降低失真使

之性 能 达 到 衰 落 为 频 率 非 选 择 衰 落 时 的 性

[ 5 ] 能, 因此本文仅考虑频率非选择衰落 。为此 ,

我们假定地面广播信道为频率非选择性瑞利衰

落信道 , 其传递函数为

图 2 加性高斯噪音下 M R - 64QAM 的误比特性能)( ( ) α( ) Φ( ) )( 6 c t = t exp - jt ( ) Φ( ) ππα 式中 t 表示瑞利衰落包络 ,t 为信道的相位 , 在[ - , - ]上均匀分布 。若同时假定衰落

( ) αΦ( ) Φα是慢变化的 , 即在一个信号传输间隔内有t = ,t = , 则信道输出的接收信号为

( ) α( Φ) ( ) ( )r t = exp - m t + n t ( )7 ( ) ( ) αm t 为调制信号 , n t 为加性白高斯噪音 ,为瑞利分布随机变量 , 其概率密度函数为 式中

2 α α ) ( )(α) ( 8 C = xp - e2 2 α0 α2 0

第 3 期李光球 等 : 瑞利衰落信道多分辨率 64QAM 的性能研究239

( ) γ 接收信号的信噪比 SN R为

2 а E γ ( )= 9 N 0

[ 4 , 6 ]γγ(γ) 显然 ,是随瑞利包络而变化 ,的概率密度函数 C 为

γ 1 ) ( )γ) ( (10 C = exp - Γ Γ

式中

2 α2E 0 ( )Γ 11 = N 0

γ由于信噪比是随瑞利包络而变化 , 因此平均误比特率 P应该是对所有的 SN R 求平均 , 即be1 ?γ γ γ ( )( ) ( ) P12 = P C d be ?0

瑞利衰落不影响最重要比特的解调 , 故瑞利衰落和加性白高斯噪音下最重要比特的 B ER 为

? α( )αα( )d + 2 dd d + 2 d + 2 d 11 2 3 1 3 1 0 缹 > Perfc + erfc + erfc + = 1 , R1 Γ8? 0NN N 0 0 0

( )γ13 d

由于瑞利衰落的影响 , 次最重要比特 、最不重要比特的解调要在一个衰减的星座图上进行 , 为

απα此 , 要对判决边界进行修正 , 即将原来的判决边界乘以修正系数? = / 2 , 瑞利衰落和加性白 0

2 高斯噪音下次最重要比特的 B ER 为

? A B C 1 P= erfc + erfc + erfc +性高 下2 , R d 辨率D ,选的 Γ ?80N N N 0 0 0

下 收信 接 D P 1 , R( )( erfc )1 - 14 P+ 1 , R 。2 N 0

式中

) + 2 d-dα( A = ?d + 2 3 1

α( ) ( )d + 2 d + 2 d B 15 1 2 3

α( ) = ?d+ d+ 2 d- 1 2 3

α( ) d+ 2 d + 4 d C ( )1 2 3 16

α( ) = ?d+ d+ 2 d- 1 2 3

α( )d+ 2 d ( )17 1 3 α( )D = ?d + d+ 2 d α- d ( ) 1 2 3 18 1

最不重要比特的 B ER 为

? ( G F 1 Perfc + erfc = 3 , R0 Γ?40N N 0 0 P 2 , R )( ( )P1 - 19 + 2 , R 加性高斯噪音和瑞利衰落下 图 32 M R - 64QAM 的误比特性能 式中

α( ) α( )( )G = ?d+ d - d+ d 20 2 3 2 3 α( ) αF = d+ 2 d- d ? ( )21 2 3 2

电 子 科 技 大 学 学 报 第 27 卷240

αα作为特例 , 图 3 给出了= 1 . 19 ,= 1 . 21 时加性高斯噪音和瑞利衰落下 M R - 64QAM 的误 1 2

比特性能 , 由图 3 可以看出 , 理论分析和计算机模拟相吻合 。

3 讨论

计算机模拟和理论分析均表明 , 瑞利衰落严重地恶化 M R - 64QAM 的 B ER 性能 , 并且次最重

- 2 - 3 要比特 、最不重要比特的 B ER 不能降至 10 ,10 。改善 B ER 的一种有效办法是采用差错纠正

- 2 编码 , RS 码在数字 HD TV 获得极为广泛的应用 , 但它能发挥差错纠正功能的输入 B ER 为 10 , - 3 [ 7 ] 10 。因此 , M R - 64QAM 要在数字 HD TV 中获得应用 , 必须采用级连编码调制 , 如采用 RS 码 、数据交织 、增信删除卷积码和 M R - 64QAM 组成级连编码调制来实现数字 HD TV 的多分辨率 广播 。

参 考 文 献

Ramchandran K , Ortega A , Metin Uz K et al . Multiresolutio n broadcasting for digital HD TV using jio nt 1

() source/ channel coding. I EEE J SAC ,1993 ,11 1?6,22

Fazel K , Ruf M J . Co mbined multievel coding and multiresolutio n modulatio n. In Proc of I EEE ICC ,1993?2 1 081,1 085

Pap ke L , Fazel K. Different iterative decoding algorit hm for co mbined coding and multiresolutio n modula2 3 tio n. I EEE ICC ,1994?1 249,1 254

Proakis J G. Digital co mmunicatio n. New Yor k?Mc Graw - Hill ,1983 4 Sklar B . Rayleigh fading channel in mobile digital co mmunicatio n systems part ??mitigatio n. I EEE Co m2

5 () mun Mag ,1997 ,35 7?102,109

Hanzo L , Steele R , Fort une P R. A subband coding ,BCH coding , and 162QAM system for mobile radio

() speech co mmunicatio n. I EEE Trans V T ,1990 ,394?327,339 6

() 仇佩亮 ,姚庆栋 ,李光球. Reed2Solo mo n 码. 广播与电视技术 ,1995 ,22 9?43,49

7

Perf ormance of Mult iresol ut ion 642QAM in Rayleigh2fa ding Channel

Li Guangqiu Xu Qiang

( )Hangzho u Instit ute of Elect ro nics Eng Hangzho u 310037

() Abstract A multiresolutio n 64 - level QAM quadrat ure amplit ude mo dulatio nfo r applicatio n of

() terrest rial digital HD TV broadcating is investigated in t his paper . The bit erro r rate B ERperfo r2 mance of M R264QAM in t he p resence of additive Gaussian noise and Rayleigh f ading is derived and simulated wit h co mp uter . The result s indicate t he evaluated B ER perfo r mace coincide wit h t he simula2 tio n result s. In o rder to imp rove t he B ER perfo r mance of M R264QAM in t he p resence of Rayleigh f ad2 ing ,a co ncatenated co ded mo dulatio n must be required.

Key words digital HD TV ; multiresolutio n mo dulatio n ; Rayleigh f ading ; quadrat ure ampli2 t ude mo dulatio n

编辑 叶 红

范文三：24位高分辨率本安型瑞利波探测仪的研究

() 煤炭科学研究总院西安分院710054王有杰

摘要 利用 2 - ? 24 位 A D C、嵌入式 PC ?104 工控机和 C PL D 技术, 开发了一种具有实时数字

化采集系统的 24 位高分辨率本安型瑞利波探测仪, 本文介绍了型瑞利波探测仪的用途、 - ? M RD

特点、系统组成、软硬件设计方法和应用效果等。

数字滤波 关键词 瑞利波 2 - ?调制器 过采样

中国图书资料分类法分类号 143631P

作者简介 王有杰 男 44 岁 工程师物探仪器

( )( 量 大 3 000, 5 000 炮、体积小、重量轻 是? 型仪 1 引言 )器的 1?2、携带方便和操作简单, 完全适应煤矿井

如何提高矿用物探仪器的探测精度, 改善矿井 下巷道狭窄的条件, 目前已取得陕西省电子产品监

督检验所《定型试验合格证》书、煤炭工业上海电气 地质预测预报的准确率, 是煤矿安全生产迫切需要

解决的课题。 瑞利波探测法是矿井地质普遍采用的 防爆检验站《防爆检验合格证》书, 完成了仪器工业 重要勘探方法之一, 探测原理主要利用瑞利波的两 性试验项目。 该项技术无疑是解决煤矿井下地质构 个特性: 一是波在分层介质中传播时的频散特性; 二 造探测和地面工程勘探问题, 特别是在独头巷道和

隧道掘进超前探测方面十分有效的方法之一, 将在 是波的传播速度与介质物理力学特性的密切相关

性。正是利用这些特性, 把瑞利波法用于煤矿井下地 防治水、预防瓦斯突出、预测掘进工作面前方地质构 质小构造探测。现已批量生产的 24 位高分辨率本安 造、探测剩余煤层厚度等方面发挥着越来越大的作 型—? 型瑞利波探测仪是 型仪器已推广销 用。 ?M RD

售了近 70 套的基础上研制开发的产品, 它是利用瞬 2 系统简介 态瑞利波技术对地质小构造进行单分量或多分量勘

探的一种新型物探仪器, 可探测地表以下或水平前 M RD — 型瑞利波探测系统是由“井下”和“室 ?

方 0, 30 地质构造。? 型仪器采用了高保真模块 m 内”两部分组成。 井下部分是由数据采集系统仪器

最新技术, 由此达到实测动态范 箱、电源单元仪器箱和多个加速度传感器组成, 井下 S igm a D e lta A D C

设备均为本质安全型设计。室内部分由微型计算机、 围 114 , 并且简化了系统设计, 不需要外加前置dB

抗混叠滤波器, 确保了各信号道的相位一致性, 提高打印机、电源专用充电机、数据分析处理软件和成图 了探测精度。根据矿用物探仪器的特殊性, 采用嵌入 软件组成。式 104 工控机和 等先进技术, 使仪器设 ?PC C PL D 211 仪器结构计和电路实验易于达到《11、14 爆炸 38363836GB GB 仪器结构见图 1, 是一个完整的数据采集与信 性环境用防爆电气设备》的要求。 与 型仪器比较, ?

号分析处理系统, 其任务是把勘探数据采集后以数 其突出特点是: 探测精度高、多功能、可现场实时叠

加处理和探测结果预览、全中文操作菜单、数据存储 字形式进行计算、显示、存贮、通信、处理分析和打印

成图。

图 1 仪器结构方框图

道 2, 6 道, 用户购买选择; 逻辑与内联逻辑延迟并具有很强的布线能力。 在该

单元中, 利用可编程逻辑器件完成 数据流串 A D C 最大输入电压 Φ - 415 , + 415 ; VV 并转换、数据地址分配、数据中断控制以及接受主控 信号输入频率 0, 1 500 H z; 单元的指令并对模拟单元实时控制。整个时序、组合 采样频率 七档采样频率可供选择 逻辑电路设计都是在 公 司 提 供 的 + A lte ra M A X

模数转换器 24 位串行码输出; 程?? 开发系统软件上进行的, 设计者无需精通 PL U S 0 2 4 6 器件内部复杂结构, 只需运用原理图或高级 C PL D 控增益 2, 2, 2, 2共四档;

行为语言等熟悉的输入工具来完成逻辑电路设计工 叠加方式 算术平均、加权平均、均方根平均;作。 串音 Ε 90 ;dB 主控单元包括硬件和软件两大部分, 硬件采用

控制软件 人机接口功能具有参数设置, 记录 近几年来发展十分迅速的嵌入式 ?104 工控机作 PC

为仪器系统控制, 其型号为 ?848666长度设置, 触发设置, 叠加方式选择, 实时采集, 频谱 H XL D X M A ll 分析, 数据文件存储、移动、删除、通讯, 变面积波形

显示, 时域波形或频域波形显示, 反色显示等功能;

防爆形式 - , 防爆标志为 ib I in - o n e 的 机 型。 存 储 设 备 采 用 以 色 列 M - 矿用本质安全型

() () 公司生产的 2000 80 150?; 工作Sy stem s DO C D isk O n C h ip

温度 存贮0, + 40?; M 电子盘, 主要用于安装 W in dow s 3. 2 系统平台、

- 20, + 55?。存放施工勘探数据及数据采集控制等程序。 显示器 温度

公 司 生 产 的 712 彩 色 K YO C ERA 是 日 本 仪器 的 功 能 及 技 术 指 标 均 满 足《M T T 679— in STN ?

1997 矿用瑞利波探测仪通用技术条件》和《?L CD , 背光显示方式完全满足了煤矿井下的特殊要 Q M XB

037—1999 — 型瑞利波探测仪技术条件》中 求。?M RD

电源单元由镍氢可再充电电池组、—隔 D C D C 的规定。 离电源、电子开关、极低压差稳压电路、测控电路和

电池能量显示电路组成。全部电路为本安型设计, 具 3 设计方法

有最大电流限制、热保护和短路保护等功能。与其配 311 硬件设计 套还有全自动专用充电机。 装置在模拟 单 元 数 据 采 集 板 上 的 - 2 ? 24 位 312 软件设计

A D 转 换 器 C S5321C S5322, 是 美 国 CR Y STA L ??仪器控制软件设计是实现整个系统目标极其重

半导体公司生产的新一代集成电路。是 -5321 C S2 要的环节。软件编程选用 语+ + M ic ro so f t V isu a l C 四阶调制器, 对模拟输入信号进行调制, 以远大于 ? 言。 利用 提供的实用工具及基本类库 + + V isu a l C () 奈奎斯特 率的速度对模拟信号进行“过采 N yqu ist和函数, 分别对数据采集控制、仪器与施工参数设 样 ”, 在 产 生 1 位 - 码 的 同 时, 作 频 谱 成 形。2 ? 置、系统校验、叠加处理、曲线显示、数据管理及通讯

是可编程多级 线性相位数字抽取滤波 5322 C SF IR 等模块结构和众多子程序进行编程设计。 仪器工作 器, 对 输出的高速码流进行多级抽取和滤 5321 C S设 计流程如图 3 所示。 控制软件的风格为全中文 波, 通过对每输出 个数据抽取 1 个的数字重采M 用户界面, 人机接口友好, 实现无键盘操 W in dow s 样, 最终输出字长为 24 位的 2 补码格式的串行数字作, 通过仪器面板上的鼠标, 即可完成各项操作任 信号。图 2 是 C S5321C S53222 - ? 24 位 A D C 在输? 务。

入信号为- 20 dB、频率为 100 H z 的 F F T 曲线。

采集接口单元的设计选用了目前世界上流行的 4 应用效果

在此举一个应用实例。 试验地点平顶山矿务局

十矿, 戊21150 风巷 5037 前 39 处, 在距断层9—10 m

14 的位置进行断煤交面走向追踪探测, 测点布置 m

为和每个测点安置了多个传感器, 道间距 1 2, M M

() 为 1 , 图 4从图中可以看出, 探测断煤交面是按m 接近 45夹角方向延?伸。 我们利用计算机成像技术图 2 1024 个点的 曲线 F F T

图 4 平顶山十矿戊21150 断煤交面探测 9—10

结果示意图

图 5 探测断煤交面剖面图

( ) 绘制瑞利波速等值线剖面图 图 5, 从图中能够清

晰地反映出断煤面所处位置。经十矿地测队证实, 其

探测结果与实际情况完全吻合。 由于断煤面延伸方

向确定, 对布置采煤工作面有了地质条件的保障。

参考文献

1 刘益成等 1 信号处理与过抽样转换器 1 北京: 电子工业出版社,

1997 2 杨成林等 1 瑞雷波勘探 1 北京: 地质出版社, 1993 图 3 仪器工作设计流程图

24 RESEA RCH O F THE B IT H IGH RESOL UT IO N ESSENT IAL SA FE TY PSE

RAYL E IGH W A VE SE ISM O GRA PH

()′W an g Yo u jie X ian B ran ch CCR I

24 , A bstrac t T h e b it h igh re so lu t io n e ssen t ia l safe typ e ray le igh w ave se ism o g rap h is a rea l t im e da ta acqu isit io n sy stem it ′104 2, 24 . ??h a s been deve lop ed by u sing C PL D sem bedded PC com p u te r and S igm aD e lta b it A D co nve r te r tech n iqueT h is p ap e r

, , 2? , in t ro duce s th e p u rpo sech a rac te r ist icsy stem com po nen t o f M RD R ay le igh w ave se ism o g rap hth e de sign m e tho d o f so f tw a re

.& h a rdw a re and it s app lica t io n eff ic iency e tc

; 2; ; .Keywords R ay le igh w aveS igm aD e lta m o du la to ro ve r sam p lingd ig ita l f ilte r

范文四：24位高分辨率本安型瑞利波探测仪的研究

24位高分辨率本安型瑞利波探测仪的研究

一

第28卷第6期

2000年12月

煤田地质与勘探

COALGE0LOGY&EXPLoRATI()N?57?

24位高分辨率本安型瑞利波探测仪的研究 王有杰(煤炭科学研究总院西安分院710054) 摘要利用E--A24位ADC,嵌入式PC/104I控机和CPLD技术,开发了一种具有实

时数字

化采集系统的24位高分辨率本安型瑞利波探剖仪,本文介绍了MRD一?型瑞利

波探测仪的用途,

特点,系统组成,软硬件设计方法和应用效果等. 数字滤波

作者简介王有杰男44岁工程师物探仪器

1引盲

如何提高矿用物探仪器的探测精度,改善矿井 地质预测预报的准确率,是煤矿安全生产迫切需要 解决的课题.瑞利渡探测法是矿井地质普遍采用的 重要勘探方法之一,探测原理主要利用瑞利波的两 个特性:一是波在分层介质中传播时的频散特性;二 是渡的传播速度与介质物理力学特性的密切相关 性.正是利用这些特性,把瑞利渡法用于煤矿井下地 质小构造探测.现已批量生产的24位高分辨率本安 型MRD一?型瑞利渡探测仪是?型仪器已推广销 售了近7O套的基础上研制开发的产品,它是利用瞬

态瑞利波技术对地质小构造进行单分量或多分量勘 探的一种新型物探仪器,可探测地表以下或水平前 方O,30m地质构造.I型仪器采用了高保真模块 SigmaDeltaADC最新技术,由此达到实测动态范 围114dB,井且简化了系统设计,不需要外加前置 抗混叠滤波器,确保了各信号道的相位一致性,提高 了探测精度.根据矿用物探仪器的特殊性,采用嵌人 式PC/104工控机和CPLD等先进技术,使仪器设 计和电路实验易于达到《GB3836.1,GB3836.4爆炸 性环境用防爆电气设备》的要求.与I型仪器比较, 其突出特点是:探测精度高,多功能,可现场实时叠 限

德

量大(300O,5000炮),体积小,重量轻(是?型仪 器的1/Z),携带方便和操作简单,完全适应煤矿井 下巷道狭窄的条件,目前已取得陕西省电子产品监 督检验所《定型试验合格证》书,煤炭工业上海电气 防爆检验站《防爆检验合格证》书,完成了仪器工业 性试验项目.该项技术无疑是解决煤矿井下地质构 造探测和地面工程勘探问题,特别是在独头巷道和 隧道掘进超前探测方面十分有效的方法之一,将在 防治水,预防瓦斯突出,预测掘进工作面前方地质构 造,探测剩余煤层厚度等方面发挥着越来趣大的作 用.

2系统简介

MRD一?型瑞利波探测系统是由"井下"和"室 内"两部分组成井下部分是由数据采集系统仪器 箱,电源单元仪器箱和多个加速度传感器组成.井下 设备均为本质安全型设计.室内部分由微型计算机,

打印机,电源专用充电机,数据分析处理软件和成图 软件组成.

2.1仪器结构

仪器结构见图1,是一个完整的数据采集与信 号分析处理系统,其任务是把勘探数据采集后以数 字形式进行计算,显示,存贮,通信,处理分析和打印 加处理和探测结果预览,全中文操作菜单,数据存储成图. }{.鳖~lill}?I::P嚣llI,3)IlIC/ 1

ill

母0盛}(模块扩展}c=刽采集接口单元IC=4总嚣lII,3jI)II1娃磊面函

图1仪器结构方框图

?

58?煤田地质与勘探第28卷

2.2主要技术指标

输入信号道采用模块扩展组合方式,输入通 道2,6道,用户购买选择i

最大输入电压?一4.5V,+4.5V; 信号输入频率0,1500Hz;

采样频率七档采样额率可供选择

模/数转换器24位串行码输出;

程拉增益2.,2,2',2共四档;

叠加方式算术平均,加权平均,均方根平均} 串音?90dB;

控制软件人机接口功能具有参数设置,记录 长度设置,触发设置,叠加方式选择,实时采集,频谱 分析,数据文件存储,移动,删除,通讯,变面积波形 显示,时域波形或频域波形显示,反色显示等功能}

防爆形式矿用本质安全型,防爆标志为ibl (150?);

工作温度0,+40?;

存贮温度一20,+55?.

仪器的功能及技术指标均满足《MT/T679— 1997矿用瑞利波探测仪通用技术条件》和《Q/MXB 037—1999MRD一?型瑞利波探测仪技术条件》中 的规定.

3设计方法

3.1硬件设计

装置在模拟单元数据采集板上的三一424位 A/D转换器CS5321/CS5322,是美国CRYSTAL 半导体公司生产的新一代集成电路.CS5321是三一 ?四阶诃制器,对模拟输入信号进行谓制,以远大于 奈奎斯特(Nyquist)率的速度对模拟信号进行"过采 样",在产生1位三一?码的同时,作频谱成形. CS5322是可编程多级FIR线性相位数字抽取滤波 器,对CS5321输出的高速码流进行多级抽取和滤 波,通过对每输出M个数据抽取1个的数字重采 样,最终输出字长为24位的2补码格式的串行数字 信号.图2是CS5321/CS5322三一?24位ADC在输 入信号为一2OdB,频率为100Hz的FFT曲线. 采集接口单元的设计选用了目前世界上流行的 三Oy~mi~:122.(I~19……1…R|n:. .一上……………一…一

$

图21024个点的FFT曲线

AlteraCPLDMAX7000系列的可编程逻辑器件, 该器件具有单片结构可擦除重复编程功能,可璜测

逻辑与内联逻辑延迟并具有很强的布线能力.在该 单元中,利用可编程逻辑器件完成ADC数据流串 并转换,数据地址分配,数据中断控制以及接受主控 单元的指令并对模拟单元实时控制.整个时序,组合 逻辑电路设计都是在Ahera公司提供的MAX+ PLUSI开发系统软件上进行的,设计者无需精通 CPLD器件内部复杂结构,只需运用原理图或高级 行为语言等熟悉的输人工具来完成逻辑电路设计工 作.

主控单元包括硬件和软件两大部分,硬件采用 近几年来发展十分迅速的嵌入式PC/104工控机作 为仪器系统控制,其型号为HXL486DX66/8MAll

—

in—one的机型.存储设备采用以色列M— Systems公司生产的DOC(DiskOnChip)200080

M电子盘,主要用于安装Windows3.2系统平台, 存放施工勘探数据及数据采集控制等程序.显示器 是日本KYOCERA公司生产的7.2inSTN彩色 LCD,背光显示方式完全满足了煤矿井下的特殊要 求.

电源单元由镍氢可再充电电池组,DC--DC隔 离电源,电子开关,极低压差稳压电路,测控电路和 屯池能量显示电路组成.全部电路为本安型设计,具 有最大电流限制,热保护和短路保护等功能.与其配 套还有全自动专用充电机.

3.2软件设计

仪器控制软件设计是实现整个系统目标概其重 要的环节.软件编程选用MierosoftVisualC++语 言.利用VisualC++提供的实用工具及基本类库

和函数,分别对数据采集控制,仪器与施工参数设 置,系统校验,叠加处理,曲线显示,数据管理及通讯 等模块结构和众多子程序进行编程设计.仪器工作 设计流程如图3所示.控制软件的风格为全中文 Windows用户界面,人机接口友好,实现无键盘操 作,通过仪器面板上的鼠标,即可完成各项操作任 务.

4应用效果

在此举一个应用实例.试验地点平顶山矿务局 十矿,戊.一,.21150风巷5037前39tn处,在距断层 14m的位置进行断煤交面走向追踪探测,测点布置 为M1和M2,每个测点安置了多个传感器,道间距 为1m,(图4)从图中可以看出,探测断煤交面是按 接近45.夹角方向延伸.我们利用计算机成像技术

第6期王有杰:24位高分辨率本安型瑞利波探测仪的研究?59?

图3仪器工作设计藏程圉

图4平顶山十矿戊H.2115o断煤交面探测 结果示意图

图5探测断煤交面剖面图

绘制瑞利波速等值线剖面图(图5),从图中能够清 晰地反映出断煤面所处位置.经十矿地测队证实,其 探浏结果与实际情况完全吻合.由于断煤面延伸方 向确定,对布置采煤工作面有了地质条件的保障. 参考文献

1刘益戚等

1?g7

2杨成林等

信号趾理与过抽样转按器北京电子工业出版杜

瑞雷波勘探.北京:地质出版杜,1993

RESEARCHoFTHE24BITHIGHRESOLUTIONESSENTIALSAFETYPSE RAYLEIGHWAVESEISMoGRAPH

WanzYoujie(?anBranchCCRI)

AbstractThe24bithighresolutionessentialsafetyperayleighwaveseismographisarealtime

da伯acqui呲旧n_5y.

stem"

hasbeendevelopedbyusingCPLDs,embeddedPC/104computerandSigma—

Delta24bitA/Dco"hni

.

q'.pp

[ntrodu删thepurpose,cheracteristic.systemcomponentofMRD—

IRayleighwaveseismograph,thedesig眦thod.iottw|e

&hardwareanditsapplicationefficiencyel:C- Keyword~.Ray1ehwave}Sigma—Deltamodulator~oversamplingtdigitalfilter

范文五：【doc】利用光束偏移技术使显微镜分辨率超出瑞利分辨极限

利用光束偏移技术使显微镜分辨率超出瑞

利分辨极限

《云光技术}t999Vo1.31?6

击角度小,加工精度高,缺点是加工效率 低.加工实例见图4.

电

H工作台

图4删加工

浊液

试车+台

7.5离子束加工法

所滑离子束加工法,就是在真空中通过 高频或高压将不易与玻璃发生反应的惰性气 体(氩,氙等)离子化,再用高压电场加速 后射向玻璃,以此来去除玻璃表面原子的加 工方法.

其原理就是离子与玻璃表面原子发生碰 撞—些原子因此而脱离玻璃表面.这是一种 非加热加工,有望获得高精度表面.但是, 在实际加工中,离子并不只与玻璃表面原子 碰撞,有的进入内部,与深层原子发生了碰 撞,这样离子的能量就转变成了热量,使玻 璃产生高温.离子束加工虽然是不同于电子 束,激光等那样的热加工,但也不是在常温 下进行的,是否一定适台高精度加工尚需实 验.

离子束加工是用电气来控制的,因

此,在控制方面没问题.但是,1)加工 是在真空情况下进行的,装置庞大,操 作复杂.2)加工效率低.

8.结束语

约始于2o年前的光学元件的高速化 加工为其实现批量生产奠定了基础,如 今为实现其自动化生产,又开始了各种 尝试.以往的多件加工正向单件加工转 变,这一转变一要归功于新工具的产生, 二要归功于控制技术的进步.

另外,压延技术,塑料加工技术的

进步也是令人瞠目的.这些技术的进步, 使得光学零件的使用范围不再局限于光 学机械,其它领域也不断用到异型及特 殊规格的光学元件.

今后光学零件加工技术的进步将更 快,并将向批量加工技术和特种加工技 术这两方面发展.

王眷英译自《光学》第11卷

第5号(1994年lO月)

r.(1/;

利用光束偏移技术使显微镜分辨率超出瑞利分辨极限

关键词型垒蕴焦壁

[英]M-G?SOMEKIt,s?LIU 扫描光学显微镜超rlt~-辩率传递函数 [摘要】新近问世的两个荧光显微系统声称其所达到的分辨率已突破瑞利分辨极

限.

.

f耙々{』束侪聿;{''

,)

.

兹

二

《云光技术》lVo1.31NO637?

这两个系统工作时运用两束聚焦于样品上的偏移光束,并成像于光重叠区域本文介绍一个

与之相麦似的系统,其工作方式也相近,但不用荧光,对这些系统的成像性能进行分析后,

作者发现尽管它们的分辨率都有所改进,但关键的是光波带宽并未得到增加.尽管i砉些系统

应用效果良好,并且其工作方式与光瞳面滤光器相机,但这些系统仅只衰减了空间频率,值

得鉴赏的是,与以前的论文内容相反.这两系统都未提及真正的超限分辨率这一点很重要.

概述

提高扫描光学显微镜的分辨率并使之

超出由衍射确定的传统极限,这是个很有兴

趣的课题这项技术可以扩展显微镜的空问

带宽,也可以在透镜有效孔径范围内更好地

利用现有的带宽.可提高空间带宽的技术在

应用上的样例是近场显微镜和非线性显微

镜,它们用光辐射方式形成一个附属装置.

与以往的技术相比仅只提高光波带宽应用范

围,而朱增加整个光波带宽的技术,很明显

在分辨率的提高上更受到潜在限制,不过对

于改善成像质量却非常有用.威尔松和谢泼

德(19s4)介绍的超限分辨技术可提供扩展

的光波带宽,而那些改变空间频率相对加权

而不改变整个带宽的技术则被当作超高分辨 技术给以介绍.超限分辨技术可以当作用以 改进阿贝准则设计的系统的性能,因为这种 技术意味着额外高序衍射可被该系统探测. 相比之下,根据瑞利或斯派罗分辨率准则而 不是根据阿贝分辨率准则,通过减缩点散布 函数而不增加光波带宽的措施也可以改进系 统的性能.

本文对使用偏移射束的两种相类似的 分辨方法进行评审.这两种由瓦兹一艾拉瓦 尼和凯瓦耶夫(1995)(Vaez—lravani&

Kavaldjiev)以及米勒和布拉克夫(1996) (Muller&Brakenhoff)最近各自独立提出的 方法均可改进扫描光学显微镜的分辨率.海 尔和魏茨曼(1994)(Hell&Wiehman)早期 的一篇文章也介绍过偏移射束的用法,它其 实就是非线性方法,不属于本文所讨论的技 术方式的范围.

瓦兹一艾拉瓦尼和凯瓦耶夫(1995)蹦 及米勒尔和布拉克夫(1996)的文章介绍了 由部分光斑直径引起的两束偏移光线照射在 试样表面.然后使用一些装置以保证来自试 样的信号出现在两束偏移光重叠部分之间. 这种方法的基本原理是由于重叠区域的直径 比爱里衍射的直径小,所以横向分辨率得到 提高.这两种方法都以重叠区域内荧光信号 的激发状况为基础.我们还介绍过一种方 法,它能使惯用的无荧光显微镜发挥出相似 的功能.此外,我们还证实所有这些方法都

能使对比度增大并确实使横向分辨率提高. 尽管提高光波带宽很有用,但光波带宽只能 保持不变,想提高却受到限制.虽然我们已 得出结论,光束偏移技术是有用的,但应该 指出的是,在对该系统作正确分析之前,很 难消除这项技术不可靠这个潜在印象. 光束偏移技术和外差式扫描剪切

干涉仪简述

这两种以荧光为基础的具有超分辨系 统的仪器在成像性能方面基本相同,因此我 们只介绍瓦兹一艾拉瓦尼和凯瓦耶夫 (1995)的系统,因为对此系统的评价同样 适用米勒尔和布拉克夫(1996)设计的系 统.瓦兹一艾拉瓦尼和凯瓦耶夫的系统使用

38?《云光技术)19~9Vo1.31No6 —

个对入射光线偏振状况较为敏感的荧光 团,荧光产出额与一个沿图lx轴方向这样 的特殊方向分解的电场的平方成正比.在这 个系统中,试样被两束正交偏振光照射,这 两束光之间相对偏移情况为图1所示由于 两束光之间存在微小的频率偏移,因而沿x 轴方向分解的电场的平方呈正弦波状变化, 因此由该系统{宣出的荧光除直流形式外.还 包含一个按两束照射光之间的频率偏移进行 变化的形式.该系统的关键是按偏移频率变 化的荧光输出只能在两个照射光斑重叠的区 域产生.光束偏移方法可使分辨率提高的原

因是如图1阴影部分所示的重叠区域缩小 了,这样就给出更小尺寸的有效光斑.瓦兹 一

艾拉瓦尼和凯瓦耶夫的系统对共焦和非共 焦检测方法都作了介绍.

圣里衍射l垂里衍射2

t里衍射中的箭

击袁示稿振方向

图1带感偏振荧光团的偏移光束

工作原理

图2(b)表示对试样进行非荧光照明, 并且能有效地执行光束偏移显微功能的外差 式扫描剪切显微镜结构图.这个系统通常与 差分相位系统的工作方式相同,其中的输出 是作为来自重叠区域的相位输出而被利用 的.用这个系统可以很容易地说明用光束偏 移技术提高空问分辨率的原理.这个系统的 原理是让爱里衍射斑成像于检测平面上,就 此而言,该系统与图2(a)所示的普通共 焦显微镜相类似.关键的改进是用图2(b) 所示的附属系统替换图2(a)虚线框中的 光学系统这样就使光束分开,于是爱里衍 射斑的两个剪切图像投影在检测平面上(见 图2c).我们是用声光变换元件来进行试验 的,因而爱里衍射斑的偏移量与两个频率差 成正比,以驱动声光变换元件.差频产生于 两个爱里衍射斑的重叠区域.检测板中的针 孔可放置在检测平面上,以使系统共焦并限 制重叠区域.

带光束偏移的荧光系统与外差式剪切 干涉仪非常相似,除了前者要求使用荧光 灯,后者是反射系统.光束重叠的简图可以 清楚地说明横向分辨率提高的原因,尽管从 光学系统可以看出不能通过光束位移使整个 光波带宽增加.

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幡利板和其盏什孔

图2(a)共焦显微镜结构简图

(b)剪切波干涉仪运行的有关改进

(c)检测平面上重叠的爱里衍射斑简图. 实验

《云光技术~1999vnl31/'b639?

在瓦兹一艾拉瓦尼和凯瓦耶夫(1995) 的文章里,当光束相互问产生偏移时,成 像的分辩率看起来得到提高.在下一节里 我们将论证这种分辨率的提高是由"超高 分辨"形式出现的而不是"超限分辨",这 种提高起因于现用空间带宽的不同加权, 而不是起因于光波带宽的扩展.

图3,图4的画面是用图2所示的剪切 式干涉仪获得的.如果干扰信号的幅度已 被分离,系统将产生一个与两个重叠的剪

切爱里衍射斑范围成正比的输出量.图3 表示从一块试样玻片上获取的图像,其中 铬参考标线沉积在玻璃基片上.图象中所 示的爱晨衍射单位AUs表示标线宽应为 25rml;因此20个AUs表示标线宽度为 0.5wn.成像是用一个0.63NA的物镜进行

d) 的,而激光源工作在5.32rml.图3(a—

表示当驱动布喇格元件的频差增加时的20 个hUs的标线图象.改变这种频差时,剪 切量和爱里衍射斑的偏移将会增加.光束 偏移单位规定为k/NA.图3表示光束偏移 从0.13单位变化到0.58单位(见图例). 这一组图象清楚地表明随着剪切的增大, 标线的对比度也提高.图4(a),(b)为

同一个试样上更大面积的图象,所用剪切 值分别与图3(a)和(b)的剪切值相对

应,可以清楚地看到,随着剪切的增加, 分辨率也得到提高,并且当剪切与标线平 行时,分辨率提高幅度虽小,但也明显可 见在最大的剪切值时,表示轨迹宽度的 数字的图象似乎象艺术制品.

(a)剪切频率为1.3Ml-/z(表示总剪切量0.J3X/NA);(b)剪切频率为3MHz

40?《云光技术)1999Vo131No6 0.29L/NA;(c)剪切频率为4MHz,0.38L/NA;(d)剪切频率为6MHz,0.58L/NA,剪切

方向为垂直方向.每帧全宽为30~,n 囤

(a)剪切频率为I.3MHz;(b)剪切频率为4MHz.每帧全宽为52tnn.

带荧光和不带荧光系统中光束

偏移方法分析

本节将检验光束偏移技术的成像响应 情况并指出带荧光和不带荧光系统的成像 效果相同.

剪切干涉仪系统

我们首先讨论检测平面上放有一个针 孔的共焦无荧光系统.这个系统的输出用 下式可以很容易地表示:

i(置):JC(m,?)T(m)

exp一2z?嘁drnLC(m,一龇)T (m)exp一2iTrm_~,dm(1) 其中i(置)是在干涉频率下测量的密 线奈

度,这作为扫描坐标和T(m)的函

数,代表物体的空问频谱,c(m,,5x) 是显微镜的相干传递函数,当作空问频率 的函数;m和?y是每条光束的标准剪切 值,单位为/NA.由于第二条光线在反 方向被等距离剪切,因而第二个积分的传 递函数在自变量中出现一?y项.因为c (m,?)=C(m,一?),因而两

个积分的传递函数都相同.我们立即看到 若没有剪切,灵敏度就变得与普通共焦显 微镜一样.

简单的一维几何图形的针孔检测传递 函数可按公式(2)所示的形式表达: C(m,?)=expirrm~

《云光技术}1999Vol31No64】?

告(2)…

)00.{0.81.21.62 标堆空同频率

标准空间囊率

图5剪切干涉杈传递函数的绝r'l'f (n)剪切方向垂直于物体结构;(b) 剪切方向平行于物体结构.实线表示标准光 束偏移凸为0,虚线表示标准光束偏移为 0.2,短划线表示标准光束偏移为0.4,点划 线表示标准光束偏移为0.6.

圆形几何形状的传递函数的表达式更为复 杂,但可以容易地用数字形式进行判别.当 剪切与物体结构垂直时,圆形几何形状传递 函数的绝对值如图5(a)所示.我们看到 整个光波带宽不受光束偏移的影响,并且高 频响应不变.主要影响是低频响应降低,因 此相对于低频响应来说,高频响应就增加. 高频响应的绝对值并不随光束偏移而改变. 图5(b)表示剪切方向与标线平行时的效 应,在这里增大剪切也会降低低频响应,不 过降低的幅度不大.传递函数的变化说明图 3,4所示的物体结构可见度得到明显改进, 以及当轨迹与剪切方向平行时,对比度得到 适当提高的原因.从图5(a)(b)中可以看 出,当?Y=O.6趋于零时,零位空问频率的 响应增大,因为在这种情况下,针孔位置离 爱里衍射斑最低点很近.

荧光系统

荧光显微术是非相干成像技术,因此

它的空问带宽的性能在本质上与相干共焦显 微镜不同.为简化起见,我们的讨论仅限定 于一维物体,这样就可以看到试样的照度 ()由以下公式计算:

()=Ihl(一?)l+Iht(

+?)l+2R{hl(一?)hI(+

?)J(3)

其中比例常数已忽略.h,()表示照明光 学系统的振幅点散布函数;前两项分别表示 偏移量为??的两个斑点的发光强度.考 虑到专门应用于瓦兹一艾拉瓦尼和凯瓦耶夫 系统,我们必须把单个h.项看作是表示光 照场沿轴方向的分量而不代表实际发光 强度.还应假设公式(3)的前边两项为相 同的数量级,这样可以简化计算并且不影响 后续的自变量.公式(3)的最后一项较为 重要,因为它表示振荡分量和两光束之问的 重叠区域.重叠区域的共焦荧光输出由下式 计算(省略余弦项):

()=hl(?)ht(一?)I^2

l6(4)

其中?表示照明光束的偏移,h.表示检 测光学系统的振幅点散布函数,考虑了照明 光和荧光波长之问的一些差异,,表示荧光 的空问分布,表示卷积分运算子.因此, 脉冲响应的傅里叶变换产生荧光共焦光束偏

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移显微镜的传递函数.我们注意到与普通荧

光共焦显微镜的响应不同,脉冲响应是反向 的.由公式(3)的第三项衍生的响应已包 含叉项.因此尽管它表示"负发光强度", 但由公式(3)计算得出的总发光强度不会 是负值.

假设照明光和荧光波长相等.囤6表示 不同光束偏移?的传递函数.我们看到最 大空间频率达到4个A/NA单位.这个结果 起因于荧光成像为非干涉成像,以及目标物 体的结构变化取决于荧光强度而不是场域. 除了这些明显的差异外,我们还看到光束偏 移增大时,高频响应保持不变,低频响应则 衰减.这种性能与前边介绍过的干涉仪性能 非常相似.图7表示两个点目标物体的响应 计算值.我们观察到随着光束分开距离的增 大,两个点目标物体的下凹也变深(正好解 释瓦兹一艾拉瓦尼和凯瓦耶夫论文中提到的 图象质量为什么改善)从图7可知,当光 束分开距离更大时,点目标的钟形分布数目 增加到难以接受的程度.但是毫无疑问,这 种方法可以提高成像质量

图6照明光线和荧光波长相等的情况 下,光束偏移荧光显微镜的发光强度传递函 数的响应曲线.实线表示光束偏移为零,虚 线表示光束偏移?=0.1.短划线表示光束 偏移?=O.2,点划线表示光束偏移?= 0.3.

图7照明光线和荧光波长相等的情况 下.被0.66个2/NA标准单位分开的两

个.董物体的两个点目标曲线.实线表示光 束偏移为零.虚线表示光束偏移?= 0.1.短划线表示光束偏移?=0.2,点 划线表示光束偏移?=0.3

结束语

我们分析了荧光显微镜的成像性能, 即采用光束偏穆法提高显微镜的横向分辨 率的方法.介绍了一个以干涉方法为基础 的类似系统.并且还按这样的结构展示出 图象,不用光束偏移法这种结构就不能分 辨.光束偏移技术很有用.但是对于以干 涉技术为基础和以荧光为基础的两个系 统.这种技术不会使光波带宽增大并且使 较高的光谱成份保持不变.这种技术是靠 降低低频成份来提高图象质量的.这项技 术显然是有价值的,它的结果很明显,但 不能夸大它的效用,因为它并未提供一个 达到超限分辩率的规范程序.光束偏移为 实施系统的改进提供了方便灵活的方法, 这种改进与光瞳面滤光器相似.顺便提一

《云光技术》1999Vol31N06 下,光瞳滤光器通常被认为具有超限分辨 能力,但根据以上术语界定,它具有的是 超高分辨能力.

用超高分辨和超限分辨系统提高成像 质量应考虑到不应使信噪比降低.信号损 耗对荧光显微镜的影响比反射式显微镜要 明显得多.

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