專利名稱：光子相關(guān)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光子相關(guān)器，用于測量當(dāng)在流體中的顆粒被諸如激光的同相光所照射時(shí)以脈沖的形式從該顆粒散射的散射光(以下稱為“光子”)。
背景技術(shù)：
為了光子的時(shí)間分布上的定量和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)處理，一個光子相關(guān)器在取樣門打開的時(shí)間(以下稱為“取樣時(shí)間”)中對入射到探測器上的光子的數(shù)目以及在比前一取樣時(shí)間晚τ的一個取樣時(shí)間中入射到探測器上的光子的數(shù)目進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而計(jì)算一個自相關(guān)系數(shù)。
圖5顯示了光子數(shù)目的一種計(jì)數(shù)方法，其中水平軸表示時(shí)間t。一個取樣時(shí)間用ts表示。在時(shí)刻t的取樣時(shí)間中探測的光子數(shù)目用N(t)表示，且在時(shí)間(t+τ)的取樣時(shí)間中探測到的光子數(shù)目用N(t+τ)表示。自相關(guān)系數(shù)G(t)可以通過計(jì)算N(t)與N(t+τ)的積并對時(shí)間t進(jìn)行積分而獲得。一般地，上述的相關(guān)時(shí)間τ是從幾毫秒至幾十毫秒的一個非常寬的范圍。
對于這樣的自相關(guān)系數(shù)計(jì)算，傳統(tǒng)上使用了采用硬件的光子相關(guān)器或采用軟件的光子相關(guān)器。
采用硬件的光子相關(guān)器具有計(jì)數(shù)上述的光子數(shù)目的機(jī)制，以及用于累積倍增的一個乘法器，該乘法器是用一個移位寄存器等實(shí)現(xiàn)的，用于根據(jù)計(jì)數(shù)的光子數(shù)目來進(jìn)行自相關(guān)計(jì)算，且其特征在于它能夠進(jìn)行高速實(shí)時(shí)的相關(guān)計(jì)算。
另一方面，采用軟件的光子相關(guān)器通過把取樣到的光子數(shù)目存儲在存儲器中，并根據(jù)一個程序讀出已經(jīng)被存儲在存儲器中的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)，而進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。因此，取樣時(shí)間和數(shù)據(jù)處理方法可以靈活地設(shè)定和修正。
在上述采用硬件的光子相關(guān)器中，包括取樣時(shí)間ts的自相關(guān)計(jì)算、相關(guān)時(shí)間τ的可取范圍、相關(guān)時(shí)間τ在該范圍內(nèi)延伸的增量、以及歸一方法，都是預(yù)定的。因此，不能進(jìn)行靈活的數(shù)據(jù)處理，諸如在一個具體的范圍中增大一個相關(guān)時(shí)間內(nèi)的分辨率。另外，還不能消除取樣中由于灰塵造成的突變的散射光探測數(shù)據(jù)。
另一方面，采用軟件的光子相關(guān)器所需的處理時(shí)間比采用硬件的光子相關(guān)器長。當(dāng)大量的光子數(shù)據(jù)被裝載以獲得一個長的相關(guān)時(shí)間時(shí)，數(shù)據(jù)的處理需要如此長的時(shí)間以致在該時(shí)期中光子測量被暫停，因而造成了數(shù)據(jù)裝載效率差的問題。
因而本發(fā)明的目的就是提供一種光子相關(guān)器，它既有硬件處理的高速速度又具有軟件處理的靈活性。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一種光子相關(guān)器包括多個取樣門，它們在不同的時(shí)期中打開；多個存儲器，其每一個與所述多個取樣門中的一個相應(yīng)地設(shè)置，用于存儲與光子數(shù)目相應(yīng)的數(shù)據(jù)；以及，一個數(shù)據(jù)處理控制部分，用于與把數(shù)據(jù)存儲到這些存儲器中并行地讀取存儲在這些存儲器中的數(shù)據(jù)，并借助軟件進(jìn)行一種相關(guān)性計(jì)算。取樣門中的相應(yīng)的取樣門的打開不是隨機(jī)的，而是按照同步的時(shí)序的。
在上述結(jié)構(gòu)中，硬件的裝置包括所述取樣門和保證數(shù)據(jù)在存儲器中的高速寫入和實(shí)時(shí)讀出的存儲器。另外，軟件與上述處理并行地進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算。因此，能夠在不同的條件下高速地獲得包括顆粒大小和流體中的顆粒的散射系數(shù)的數(shù)據(jù)。
進(jìn)一步地，由于相關(guān)性計(jì)算是借助軟件在測量期間并與測量并行地進(jìn)行的，由于取樣中的灰塵而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)異常能夠容易地被探測出來，從而便利了異常數(shù)據(jù)的消除。
為了避免數(shù)據(jù)處理時(shí)間的延長，數(shù)據(jù)處理控制部分優(yōu)選地包括用于相關(guān)性計(jì)算的一個外部存儲器，且該外部存儲器優(yōu)選地存儲光子數(shù)目的數(shù)據(jù)。通過利用該外部存儲器，與光子數(shù)目相應(yīng)的數(shù)目的數(shù)據(jù)可以得到存儲，從而即使在用于相關(guān)性計(jì)算的相關(guān)時(shí)間τ被延長的情況下也能夠進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算。上述“相應(yīng)的數(shù)目”是是當(dāng)取入光子時(shí)在一個時(shí)間中能夠探測到的光子數(shù)目。例如，當(dāng)每秒被散射的光子數(shù)目是10000個時(shí)，在2秒內(nèi)探測到的光子數(shù)目是20000個。
以下結(jié)合附圖描述本發(fā)明的一個最佳實(shí)施例。


圖1顯示了包括根據(jù)本發(fā)明的光子相關(guān)器8的一個測量系統(tǒng)的總體配置。
圖2顯示了包括門和存儲器的硬件結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了光子數(shù)目計(jì)數(shù)功能部分10。
圖3是框圖，顯示了進(jìn)行自相關(guān)計(jì)算的DSP的功能部分20。
圖4是流程圖，顯示了在相關(guān)性計(jì)算部分21a-21e處進(jìn)行的相關(guān)性計(jì)算的過程。
圖5顯示了一種光子數(shù)目計(jì)數(shù)方法。
具體實(shí)施例方式
圖1顯示了包括一個光子相關(guān)器8的測量系統(tǒng)的總體配置。從一個激光設(shè)備1發(fā)出的相干光被一個透鏡2所會聚并進(jìn)入一個光輸入光纖4。該光輸入光纖4的一端與用于測量光散射的一個探頭3相連。用于測量光散射的探頭3被插入到一個小室5中，該小室5中充有一種樣品流體h，從而使樣品流體h被從探頭3的該端所發(fā)出的激光束所照射，從而測量光散射。
從樣品中的一個散射體積V散射的光進(jìn)入設(shè)置在探頭3中的一個用于測量光散射的散射光測量光纖6并被一個諸如光電倍增器的光電探測器7所接收，在光電探測器7光子的時(shí)間序列數(shù)據(jù)得到測量。該數(shù)據(jù)的自相關(guān)系數(shù)在光子相關(guān)器8得到計(jì)算。用于計(jì)算流體中的顆粒的顆粒大小和散射系數(shù)等的一個主計(jì)算機(jī)用標(biāo)號9表示。主計(jì)算機(jī)9對該測量系統(tǒng)進(jìn)行總體控制。
另外，考慮到相干光的保持，光輸入光纖4和散射光測量光纖6優(yōu)選地是單模光纖。
光子相關(guān)器8具有用于計(jì)數(shù)光子數(shù)目的功能部分10和用于進(jìn)行自相關(guān)計(jì)算的功能部分20。用于計(jì)數(shù)光子數(shù)目的功能部分10是由包括門電路和存儲器的硬件實(shí)現(xiàn)的。用于進(jìn)行自相關(guān)計(jì)算的功能部分20是當(dāng)一個內(nèi)裝計(jì)算機(jī)(以下把該計(jì)算機(jī)稱為“DSP”(數(shù)字信號處理器))執(zhí)行記錄在諸如程序ROM的記錄介質(zhì)中的一個程序時(shí)借助該內(nèi)裝計(jì)算機(jī)而實(shí)現(xiàn)的。
圖2顯示了包括實(shí)現(xiàn)用于計(jì)數(shù)光子數(shù)目的功能部分10的門電路和存儲器的硬件。從光電探測器7輸出的光子數(shù)據(jù)(它們可以由例如與光子數(shù)目相應(yīng)的脈沖電壓所表示)被輸入到多個門電路11a-11e。門電路11a-11e對于不同的時(shí)期彼此同步地打開它們的門。在圖2中，有五個門電路11a、11b、11c、11d和11e，它們的門分別打開1微秒、2微秒、4微秒、8微秒和16微秒。
來自門電路11a-11e的輸出被提供到存儲器12a-12e，這些存儲器是諸 SRAM的高速存儲器并存儲光子數(shù)目。存儲器12a與1微秒門電路11a對應(yīng)并具有用于存儲光子數(shù)目的數(shù)據(jù)的四個區(qū)。存儲器12a依次在這四個區(qū)中存儲光子數(shù)目的數(shù)據(jù)。如以下將要描述的，在這四個區(qū)變滿之前，數(shù)據(jù)被依次讀出。因此，存儲器12a能夠保持存儲光子數(shù)目的一系列的數(shù)據(jù)。
存儲器12b與2微秒門電路11b相應(yīng)，并具有用于存儲光子數(shù)目的數(shù)據(jù)的兩個區(qū)。存儲器12b在這兩個區(qū)中依次地存儲光子數(shù)目的數(shù)據(jù)。如將要在后面描述的，數(shù)據(jù)在該兩個區(qū)變滿之前被依次讀出。因此，存儲器12b能夠保持存儲一系列的光子數(shù)目數(shù)據(jù)。
存儲器12c與4微秒門電路11c相應(yīng)，并具有用于存儲光子數(shù)目數(shù)據(jù)的兩個區(qū)。存儲器12d與8微秒門電路11d相應(yīng)，并具有用于存儲光子數(shù)目的數(shù)據(jù)的兩個區(qū)。存儲器12e與16微秒門電路11e相應(yīng)并具有用于存儲光子數(shù)目數(shù)據(jù)的兩個區(qū)。這些區(qū)以與存儲器12b的使用方式相同的方式得到使用。
在從1微秒至16微秒的不同時(shí)間范圍的時(shí)期中收集時(shí)間系列數(shù)據(jù)的理由，是希望根據(jù)用于相關(guān)性計(jì)算的相關(guān)時(shí)間τ而選擇優(yōu)化的時(shí)期中的時(shí)間系列數(shù)據(jù)。
例如，當(dāng)試圖以1微秒時(shí)期中的數(shù)據(jù)進(jìn)行所有計(jì)算時(shí)，相關(guān)時(shí)間τ越長，數(shù)據(jù)數(shù)目變得越大，從而造成了數(shù)據(jù)處理時(shí)間的延長。通過有選擇地地使用在不同的時(shí)期中的時(shí)間系列數(shù)據(jù)，可以避免數(shù)據(jù)處理時(shí)間的這種延長。
例如，對于相關(guān)時(shí)間τ為1-20微秒的相關(guān)性計(jì)算，1微秒時(shí)期中的時(shí)間系列數(shù)據(jù)是優(yōu)化的。對于20-80微秒的相關(guān)時(shí)間τ的相關(guān)性計(jì)算，2微秒時(shí)期中的時(shí)間系列數(shù)據(jù)得到采用。對于480-960微秒或更長的相關(guān)時(shí)間τ的相關(guān)性計(jì)算，采用16微秒時(shí)期中的時(shí)間系列數(shù)據(jù)。對于比這些還長的相關(guān)時(shí)間τ，16微秒時(shí)期中的時(shí)間系列數(shù)據(jù)被稀釋以得到采用。然而，上述的數(shù)目只是例子，且在實(shí)際中，優(yōu)化的數(shù)目的結(jié)合是根據(jù)散射光的量和樣品而確定的。
還設(shè)置了讀出電路13a-13e。在光子數(shù)目被寫入到存儲器12a中之后，讀出電路13a以一定延遲時(shí)期依次或交替地讀出存儲在存儲器12a中的光子數(shù)目數(shù)據(jù)，該延遲時(shí)期是一個非常短的時(shí)間(例如是1微秒的幾分之一)。以同樣的方式，讀出電路13b-13e的每一個，在數(shù)據(jù)被寫入之后，以一個一定的延遲時(shí)期(例如1微秒的幾分之一)，交替地讀出數(shù)據(jù)。
在上述的硬件結(jié)構(gòu)中，每個1微秒期間的光子數(shù)目的數(shù)據(jù)都幾乎實(shí)時(shí)地從讀出電路13a被輸出。每個2微秒時(shí)期的光子數(shù)目數(shù)據(jù)都幾乎實(shí)時(shí)地從讀出電路13b被輸出，且每個4微秒的光子數(shù)目數(shù)據(jù)都幾乎實(shí)時(shí)地從讀出電路13c被輸出。每個8微秒的光子數(shù)目數(shù)據(jù)都幾乎實(shí)時(shí)地從讀出電路13d被輸出，且每個16微秒的光子數(shù)目數(shù)據(jù)都幾乎實(shí)時(shí)地從讀出電路13e被輸出。
圖3是框圖，顯示了進(jìn)行自相關(guān)計(jì)算的DSP的功能部分20。來自讀出電路13a-13e的光子數(shù)目數(shù)據(jù)分別被提供給相關(guān)性計(jì)算部分21a-21e，其中光子數(shù)目數(shù)據(jù)被存儲在外部存儲器22a-22e中-這些外部存儲器的每一個都包括諸如DRAM、SRAM等的高速存儲器，且相關(guān)性計(jì)算利用存儲在外部存儲器22a-22e中的數(shù)據(jù)而得到進(jìn)行。結(jié)果被提供給一個歸一部分23，在其中進(jìn)行歸一計(jì)算。
圖4是流程圖，顯示了在相關(guān)性計(jì)算部分21a-21e進(jìn)行的相關(guān)性計(jì)算的過程。以下說明沿著該流程圖的每一步驟；首先，DSP從外部存儲器22a-22e中選擇所要讀取的一個外部存儲器，從而識別數(shù)據(jù)的種類(數(shù)據(jù)是通過哪一個微秒門電路而被收集的)，并確定算法-包括采用什么相關(guān)時(shí)間τ和使用什么范圍作為積分范圍(數(shù)據(jù)的數(shù)目)(步驟S1)。DSP根據(jù)來自主計(jì)算機(jī)9的命令進(jìn)行這些選擇和確定。
隨后，判定該外部存儲器(22a-22e)是否已經(jīng)準(zhǔn)備好被讀取(即，是否已經(jīng)存儲了所需數(shù)目的數(shù)據(jù))(步驟S2)。當(dāng)它準(zhǔn)備好被讀取時(shí)，數(shù)據(jù)被讀取且一個相關(guān)性計(jì)算得到進(jìn)行(步驟S3)。
現(xiàn)在，描述該相關(guān)性計(jì)算的算法。為了進(jìn)行表示，在以下的描述中，符號、下標(biāo)、上標(biāo)等都與到此為止所用的有所不同。數(shù)據(jù)的數(shù)目用M表示，取樣時(shí)間點(diǎn)用j(j＝1，2，……M)表示，且相關(guān)時(shí)間用k表示。在取樣時(shí)間點(diǎn)j的光子數(shù)目用nj表示。
一個自相關(guān)函數(shù)Gk用下式計(jì)算Gk＝(1/M)∑njnj-k(j從1至M) (1)在相關(guān)性計(jì)算完成時(shí)，計(jì)數(shù)器加1(步驟S4)，且判定該計(jì)數(shù)器是否達(dá)到了一個設(shè)定值(步驟S5)。該設(shè)定值對應(yīng)于所希望的相關(guān)性計(jì)算的進(jìn)行次數(shù)-其中每次時(shí)序都被延遲。
當(dāng)已經(jīng)達(dá)到該設(shè)定值時(shí)，該自相關(guān)函數(shù)被歸一化(步驟S6)。歸一的自相關(guān)函數(shù)用gk表示。gk由以下公式表示gk＝Gk/S02(標(biāo)準(zhǔn)歸一化) (2)或gk＝Gk/S0Sk(對稱歸一化) (2)其中Sk＝∑nj(j從1-k至M-k)，它是平均光量。
通過上述處理獲得的自相關(guān)函數(shù)被送到主計(jì)算機(jī)9，在那里根據(jù)已知的程序計(jì)算顆粒大小分布、顆粒的散射系數(shù)等等。
以上描述了本發(fā)明的最佳實(shí)施例。然而，應(yīng)該理解的是，本發(fā)明不限于這種具體的模式。例如，雖然在圖2所示的實(shí)施例中存儲器12a包括了四個存儲器且存儲器12b-12e每一個都包括兩個存儲器，但存儲器的數(shù)目不限于以上數(shù)目。另外，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，可以進(jìn)行各種其他的修正。
權(quán)利要求書(按照條約第19條的修改)1.一種光子相關(guān)器，包括多個取樣門，這些取樣門在不同的時(shí)期中打開；多個存儲器，這些存儲器中的每一個都與所述多個取樣門中的各個取樣門相應(yīng)地設(shè)置，用于存儲與光子數(shù)目相應(yīng)的數(shù)據(jù)；一個數(shù)據(jù)處理控制部分，用于根據(jù)一個相關(guān)時(shí)間τ而從所述多個存儲器中選擇被讀出數(shù)據(jù)的一個存儲器、從該選定的存儲器中讀出存儲的數(shù)據(jù)、并借助軟件進(jìn)行一種相關(guān)性計(jì)算；以及與所述多個存儲器分離地設(shè)置的一個外部存儲器，該外部存儲器存儲光子數(shù)目的數(shù)據(jù)，其中從所述多個存儲器的數(shù)據(jù)讀出是與數(shù)據(jù)至這些存儲器中的存儲并行地進(jìn)行的，且所述數(shù)據(jù)處理控制部分利用所述外部存儲器來進(jìn)行借助軟件的一種相關(guān)性計(jì)算。
權(quán)利要求
1.一種光子相關(guān)器，包括多個取樣門，這些取樣門在不同的時(shí)期中打開；多個存儲器，其每一個都與所述多個取樣門中的各個取樣門相應(yīng)地設(shè)置，用于存儲與光子數(shù)目相應(yīng)的數(shù)據(jù)；以及一個數(shù)據(jù)處理控制部分，用于與數(shù)據(jù)在所述存儲器中的存儲并行地讀取存儲在所述存儲器中的數(shù)據(jù)，并借助軟件進(jìn)行一種相關(guān)性計(jì)算。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的光子相關(guān)器，其中所述數(shù)據(jù)處理控制部分根據(jù)一個相關(guān)時(shí)間τ而從所述多個存儲器中選擇被讀取數(shù)據(jù)的一個存儲器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的光子相關(guān)器，其中所述數(shù)據(jù)處理控制部分包括將要被用于一個相關(guān)性計(jì)算的一個外部存儲器，且該外部存儲器存儲了光子數(shù)目數(shù)據(jù)。
全文摘要
一種光子相關(guān)器，它包括多個取樣門11a－11e，這些取樣門在不同的時(shí)期中打開；多個存儲器12a－12e，這些存儲器每一個都是與多個取樣門11a－11e中的各個取樣門相應(yīng)地設(shè)置的，用于存儲與光子數(shù)目相應(yīng)的數(shù)據(jù)；以及，數(shù)據(jù)處理控制部分，用于讀取存儲在存儲器12a－12e中的數(shù)據(jù)，并借助軟件進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算。包括取樣門11a－11e和存儲器12a－12e的硬件裝置使得能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)在存儲器中的高速寫入和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)讀出。另外，軟件與上述處理并行地進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算。因此，能夠在各種條件下以高速獲得在一種流體中的顆粒的顆粒大小和散射系數(shù)。
文檔編號G01J11/00GK1460176SQ02800929
公開日2003年12月3日 申請日期2002年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月30日
發(fā)明者筒井和典, 赤木基信, 座主靖, 森澤且廣 申請人:大塚電子株式會社