（电力电子与电力传动专业论文）多通道时延光子相关器研究.pdf

癫农理工人学硬上论文a b s t r a c t 燃燃筻曼皇曼蔓曼曼皇曼曼量曼曼曼量曼曼皇鼍麓鼎嬲燃舞麓邕笪皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼攀i l l l l l l l l l l l l l l l li l l i 曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼璺曼曼鼍篁葛黑嬲嬲燃麓笪曼 a b s t r a c t p h o t o nc o r r e l a t i o nt e c h n o l o g y ，b a s e do np h o t o ns t a t i s t i c s ，i sa ni n t e r d i s c i p l i n a r y s c i e n c e a st h em a i nm e t h o df o rl l a n op a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o nt e s t i n g ，p h o t o nc o r r e l a t i o n t e c h n o l o g yh a sa t t r a c t e dw i d es p r e a da t t e n t i o n p h o t o ne o r r c l a t o r , w h i c hc a r r i e so u tr e a l t i m ec o r r e l a t i o no p e r a t i o n s ，i st h ek e ye q u i p m e n to f p h o t o nc o r r e l a t i o ni n s t r u m e n t s 啊搬 p e r f o r m a n c eo fc o r r e l a t o rd e t e r m i n e st h ep r e c i s i o no fp h o t o nc o r r e l a t i o nm e a s u r e m e n t s u pt on o wt h e r ea r es t i l ln oa v a i l a b l ed o m e s t i cp h o t o nc o r r e l a t o rp r o d u c t sw h i l et h e m a r k e t d e m a n d i n gk e e p si n c r e a s i n g u n d e rs u c hc i r c u m s t a n c e ，t h ep r o m o t i o no f t e c h n o l o g yr e s e a r c ha n dc o m m e r c i a li n d u s t r i a l i z a t i o no fp h o t o nc o r r e l a t o rp r o d u c tw i t h i n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yh a sb e c o m eu r g e n tw h i c hw i l lb r i n g sh u g ee c o n o m y a n ds o c i a lb e n e f i t s b a s e do nt h ep r e l i m i n a r yw o r ko ft h er e s e a r c hg r o u p ，t h es u b j e c t so ft h i sp a p e re x p a n d a r o u n dt h ee x t e n d i n go ft h ec o r r e l a t e rd y n a m i cr a n g ea n d i m p r o v i n go ft h ep r e c i s i o n 飘撼 m a i nw o r ko ft h i sp a p e rc o n s i s t s 托 1 羹搀l i n e a r , e x p o n e n t i a la n dm u l t it a uc o r r e l a t o rs t r u c t u r ew a ss t u d i e d a n dt h e c o n f l i c te n c o u n t e r e di nl i n e a rc o r r e l a t o rb e t w e e nd y n a m i cr a n g ea n dr e s o l u t i o nw a s a n a l y z e d 2 an e wr e d u c e ds y m m e t r i cn o r m a l i z a t i o nm e t h o dw a sp r e s e n t e di nw h i c has i n g l e m o n i t o rc h a n n e li ss h a r e db ya l lt h ec h a n n e l sw i t ht h es a m es a m p l et i m e s t a t i s t i c a l a c c u r a c yo fs t a n d a r d ，s y m m e t r i ca n dt h ep r o p o s e dr e d u c e ds y m m e t r i cn o r m a l i z a t i o n m e t h o d sw a sa n a l y z e d b o t ht h e o r ya n dm e a s u r e m e n t sr e s u l t ss h o w e dt h a tt h en e w r e d u c e dn o r m a l i z a t i o nm e t h o dc a ne f f e c t i v e l yo f f s e tt h ei n c r e a s i n ge v a l u a t i o nb i a si nt h e u t i l i z a t i o no fm u l t it a uc o r r e l a t o rw i t ha p p a r e n t l yl e s sh a r d w a r er e s o u r c ea d d i t i o n 3 i no r d e rt or e d u c et h eh a r d w a r ec o s t sa n dd e c r e a s et h ei n f e r i o rl i m i to fs a m p l et i m e t h ec l i pc o r r e l a t i o nt e c h n o l o g yw a ss t u d i e d ，强ec a l c u l a t i o ns p e e da n d a c c u r a c yo fb o t h c l i pc o r r e l a t o ra n df u l lc o r r e l a t o rw e r ec o m p a r e di np r a c t i c a lm e a s u r e m e n t s 4 ac o r r e l a t o rd y n a m i cr a n g e sa d a p t i v ea d j u s tm e t h o dw a sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h r o u g ht h es e l e c t i o no fo r i g i n a ls a m p l et i m ea n dr e d i s t r i b u t e o no fc o r r e l a t o rc h a n n e l s a m p l et i m e s ，p h o t o nc o r r e l a t e rd y n a m i cr a n g ec a nb ea d a p t i v e l ya d j u s t e dt om a t c ht h e d e c a yr a n g eo fa u t o c o r r e l a t i o nf u n c t i o ni nm e a s u r e m e n t so fr a n d o mp a r t i c l es y s t e m s 5 b a s e do nf p g at e c h n o l o g y ，a2 5 6c h a n n e lm u l t it a uc l i pc o r r e l a t e ra n da2 5 6 c h a n n e lm u l t it n uf i l l lc o r r e l a t e rw e r ei m p l e m e n t e dr e s p e c t i v e l y 。曩狩i n f e r i o rs a m p l et i m e w a sa b o u t2 8 n sf o rt h ec l i pc o r r e l a t o ra n d3 6 n sf o rt h e 越lc o r r e l a t o r i nr e c e n ty e a r s ，t h em a i nc o r r e l a t e rp r o d u c e r sh a v el a u n c h e ds e r i e so fh i g hp o r m a n c e e o r r e l a t e rp r o d u c t s t oa c c e l e r a t ed o m e s t i cm a n u f a c t u r i n go fc o r r e l a t o r , l o w e rt h ep r i c e i nt h en a t i v em a r k e th a sb e c o m ea ne m e r g e n c yp r o b l e m 1 1 l ew o r ki nt h i sp a p e rw o u l d c o n t r i b u t ef o rt h i sp r o c e d u r e k 吖w o r d s ：p h o t o nc o r r e l a t i o nt e c h n o l o g y , p h o t o nc o r r e l a t o r , m u l t it a uc o r r e l a t o r , e l i p c o r r e l a t o r 珏 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名成栖j时问：如口7 年6 月倍日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同媒体 上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 导师签名： 时间：川了年月修日 时间：勋呷年月莎日 山东理工人学硕上论文绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论弟一早珀t 匕 光子相关技术是相关检测技术在光子信号时间序列的相关性分析上的应用。相 关检测技术是应用信号的相关性和噪声随机性的特点，通过相关运算，去除噪声， 检测出信号的一种技术，它建立在信息论和随机过程理论基础上。光子相关技术是 以光子统计学为基础、多学科交叉的一门技术。光子相关技术广泛应用于流体动力 学、高分子材料、医学及生物化学等领域【l 堋，在相应的测量领域中除用于测量大分 子在溶液中的扩散系数外，还可用于研究大分子在溶液中的转动与绕曲，进而测定 大分子的形状和大小，研究液体的临界乳光现象等。 在纳米颗粒测量领域，光子相关技术作为唯一能够给出粒度分布的测量方法受到 广泛关注。在亚微米及纳米颗粒的悬浮液中，颗粒由于受到周围热运动液体分子的频 繁撞击，做无规则布朗运动，颗粒越小，运动越剧烈。这种运动使得颗粒散射光的频 率相对于入射光产生d o p p l e r 频移，表现为在一定的散射角下，散射光强随时间不断 地涨落，光子相关颗粒测量方法就是通过研究这种波动的时间相关性来获取颗粒的粒 径及其分布信息的。自上个世纪七十年代以来，光子相关颗粒技术以其具有非接触、 速度快、测量精确、操作简便等优点，已经成为亚微米及纳米颗粒测量的重要手段。 在光子相关技术中，光子相关器用于对光子计数数据进行实时自相关运算，以获 取散射光的时间相关性信息。光子相关器作为光子相关技术的核心装置，其精度问题 在纳米颗粒测量领域一直颇受关注。在绝大多数光子相关测量装置中，需要光子相关 器对来自光探测器的信号进行实时处理，因此相关器的对运算速度要求极高。同时， 光子相关测量技术对光子相关器的运算精度也有非常高的要求，光子相关器给出的相 关函数实时运算结果中出现任何微小误差，都极易导致数据反演结果的严重错误 p 1 2 l ，因此就提高光子相关器性能及精度展开深入研究具有重要的意义。 目前，国内在光子相关技术方面的研究相对落后，其瓶颈高性能光子相关 器的研制技术仍处于起步阶段，这与各研究及应用部门对光子相关测量装置的普遍 需求形成鲜明对比。与此同时，美国、英国和德国等几大国外生产厂家在国内光子 相关测量装置市场形成垄断局面。随着纳米颗粒测量仪器市场需求的日趋增加，加 快光子相关技术研究，开发研制具有自主知识产权的光子相关器，具有重要的经济 和社会效益。 山东理t 大学硕卜论文绪论 1 2 光子相关器国内外发展概况 光子相关技术源于光波混频技术，该技术建立在r e i l a y g h 散射理论之上。激光 器的发明使得基于r e i l a y g h 散射以及其它散射理论的光散射研究得以真正展开，解 决了以往光散射研究中遇到的最大困难微弱散射光信号以及微小散射光频移的 检测。而光子相关技术基于散射频移的时域统计特征展开研究，这为光子相关技术 的发展奠定了基础。1 9 6 4 年美国s t a n d f o r d 大学化学系的r p e c o m 证明了由大分子 溶液的r a y l e i g h 散射光的频移特性可以获得大分子溶液的平移扩散系数和重取向系 数i l 引，进而可求得大分子的尺寸、形状和分子量。之后，c u m m i n s ，k n a b l e ，y e h 成功地用光波混频法研究了聚苯乙烯颗粒悬浮液的散射光剖1 4 1 ，该技术被很快推广 应用于化学，物理，生物等领域。光波混频检测法为频域分析法，实质上利用了光 子信号的数字统计特征。尽管频域谱分析法与时间域分析法具有特定映射关系，但 限于当时的电子技术水平，研究者通常采用谱分析仪作为信号分析器件。随着现代 电子学的进步，借助大规模高速电子制造技术，数字式光子相关器问世，由此以光 子相关法为代表的时域相关分析法在光散射实验中被普遍采用。 1 9 7 0 年，r f o o d 等人首次采用光子相关方法进行动态光散射颗粒测量研究i l 引。 同年，英国m a l v e m 公司生产了由p i k e 和j a k e m a n 等人研制成功的马尔文数字相关 器，这是一种光子互相关数字信号处理系统。随后他们又进一步开发了基于动态光 散射技术的光子相关法亚微米测量系统。两年以后，l e e 等人应用光子相关技术， 对标签直径为9 1 r i m 的乳胶颗粒进行测量，得到8 5 2 r i m 的结果【2 】。这一结果与另 外两台电子显微镜的测量结果完全吻合，而该方法无论在试样准备、测量时间及数 据处理等方面都比电子显微镜快得多，操作上也简便得多。1 9 7 3 年和1 9 7 6 年，北 大西洋公约组织的科学事务委员会在意大利组织了两次高等研究班，这两次研究班 主要由p j l k e ，j a k e m a n 和o l i v e r 等人介绍光子相关技术及其应用。此后，世界上很 多重要的实验室开始装备相关器，光子相关技术迅速发展，在物理学、化学、生物 学、医学、流体力学以及工程技术的许多领域开始得到应用。 1 9 8 4 年德国s c h , 蜀t z e l ，k 首次提出m u l t it a u 相关技术( 即多通道时延光子相关技术) 1 1 6 ，多通道时延光子相关器是不同采样时间下多个线性相关器的组合，多个线性相关 器分别由不同的采样时钟控制，从而解决了相关器动态范围与时间分辨率之间的矛 盾。1 9 9 8 年美国b r i a nv o nh e r z e n 研制了高性能的光子相关系统【r 7 1 。本系统是基于高 性能f p g a 技术设计的数据采集与处理系统，主要应用于射电天文学中微弱天文信号 的探测。1 9 9 9 ：年m e n g e l s ，b h o p p e 等人研制了基于f p g a 的数字相关系统【埽】。该系统 的工作频率达到2 0 0 m h z ，具有5 1 2 个相关通道。2 0 0 1 年b h o p p e ，h m e u t h 等人用a s i c 和d s p 研制了多通道时延光子相关器【1 9 1 。该系统具有时间分辨率高、动态范围大、功 山东理工大学硕十论文绪论 耗低等特点。2 0 0 6 年c j a k o b ，a t h s e h w a r z b a c h e r 等人采用多通道时延相关结构实现 多通道数字相关系统，并将该系统应用于动态光散射实验中【2 0 l 。该系统将信号处理流 程分为两个阶段：首先是预处理阶段，主要将输入信号延时并缓存；然后是信号的处 理阶段，主要包括数据的相乘、累加。近年来马尔文、布鲁克海文、贝克曼库尔特等 几大著名制造商相继推出了一批性能优良的商用光子相关器，马尔文公司已将动态光 散射的测量范围扩展到亚纳米级。 国内光子相关技术研究起步较晚，发展速度相对较慢。在2 0 世纪九十年代初，中 国科学技术大学彭虎提出了用计算机软件、硬件实现光子相关器的方法，并基于c l i p 相关原理，采用8 0 3 1 单片机和微机研制光子相关器【2 1 1 。1 9 9 1 年，青岛海洋大学的亓夫 军提出用基于软件相关方法的数字相关仪来测量光场二级相干度。9 0 年代中期，清华 大学余加莉提出用光子计数器与p c 机制结合的光子相关仪测量光子时间相关度及进 行光子统计分析等数据处理田j 。国内光子相关器研究仍处于初级阶段，迄今为止，尚 不能实现l p , s 采样时间内的硬件相关运算。目前，高性能光子相关器的研究仍是制约 国内光子相关测量技术发展的瓶颈。 1 3 本文研究的主要内容 本文的研究内容是淄博市2 0 0 6 年科技攻关项目“光子相关法纳米颗粒测量关键 技术研究 ( 无编号) 的主要内容，也是国家自然科学基金“基于散射光信号频率分 解的亚微米及纳米颗粒测量技术研究 ( 6 0 8 7 7 0 5 0 ) 的部分内容。本文的主要研究工 作如下： 1 、针对线性相关结构中存在的光子相关器动态范围与分辨率之间的矛盾问题， 以及指数相关结构中大量延时单元的设计问题研究了多通道时延( m u l t it a u ) 光子 相关结构。多通道时延光子相关结构基于多采样原理，使得光子相关器动态范围得 到有效扩展而无需追加大量硬件资源，而相比于指数相关法节省了大量延时单元的 设计，并且通过分组线性结构避免了相关函数曲线输出随延时时间增加精度降低过 快的问题。 2 、由于测量时间的有限性，光子相关器使用中存在自相关函数曲线估计误差， 针对该问题研究了标准及对称归一化方法，并提出了简化对称归一化法，使相关器 硬件资源需求进一步降低。采用多种标准颗粒样品对标准归一化，对称归一化及所 提出的简化对称归一化法对降低自相关函数估计误差的有效性进行了的实验对比。 3 、就如何降低光子相关器高昂的硬件成本，简化相关器结构，减少硬件运算耗 时以进一步降低光子相关器采样时间下限，提高相关函数曲线输出分辨率，研究了 c l i p 相关原理及其实现，研究了c l i pl e v e l 对c l i p 相关器精度的影响，对c l i pl e v e l 取 平均光子计数的情况下对c l i p 相关器及f u l l 相关器精度进行了实验对比。 山东理工大学硕f ：论文绪论 4 、基于f p g a 技术，实现了2 5 6 通道多通道时延c l i p 相关器，以及2 5 6 通道 多通道时延f u l l 相关器。本文实现多通道时延c l i p 相关器采样下限2 8 n s ，在保证无 溢出的情况下，可实现对光子脉冲密度不超过5 3 6 m c p s 光强信号的实时自相关运算。 实现多通道时延f u l l 相关器采样时间下限3 6 n s ，在保证无溢出的情况下，可实现对 光子脉冲密度不超过4 1 7 m c p s 的光强信号的实时自相关运算。美国布鲁克海文公司 b 1 9 0 1 0 a t 及t u r b o c o r r 相关器采样时间下限为2 5 n s ，无溢出最大光子脉冲密度为 4 0 m c p s ；德国a l v 公司a i 肛7 0 0 4 相关器采样时间下限为2 5 n s ，无溢出最大光子 脉冲密度为1 6 0 m o p s 。本文所实现的多通道时延c l i p 相关器性能上接近上述光子相 关器产品。 5 、就提高光子相关器的应用灵活性，提出了光子相关器动态范围的自适应调节 方法，通过选择初始采样时间及通道采样时间动态分配机制的结合，实现光子相关 器通道延时时间域与待测曲线衰减特征的自适应动态匹配，根据测量对象的不同满 足多种相关函数的输出要求。 1 4 本章小结 光子相关技术是以光子统计学为基础、多学科交叉的一门技术，广泛应用于流体 动力学、高分子材料、医学及生物化学等领域。在纳米颗粒测量领域，光子相关技术 作为唯一能够给出粒度分布的测量方法受到广泛关注。在光子相关技术中，光子相关 器用于对光子计数数据进行实时自相关运算，以获取散射光的时间相关性信息。光子 相关器作为光子相关技术的核心装置，其精度问题在纳米颗粒测量领域受到广泛关 注。国外光子相关器产品性能不断提高，而国内相关研究仍处于初级阶段，迄今为止， 仍不能实现1 胆采样时间内的硬件相关运算。 目前，高性能光子相关器的研制仍是制约国内光子相关测量技术发展应用的瓶 颈，本文工作围绕扩大相关器动态范围及提高光子相关运算精度展开，有助于推动 高精度低成本光子相关器的研究及商品化进程。 瘗零瑗下大学硬l ：论文光了捆关器蘩构 第二章光子相关器结构 2 1 光子相关颗粒测量装置 光子耀关颗粒测量装置魏图2 1 所示豳 争葛。 小氯 图2 1 光子相关颗粒测量装置 装置主要由光源、入射光路、散射光路、光电探测器、光子相关器和微机组成。 入射光路壶偏振片和聚焦透镜组成。入射透镜的作用是褥到尽可麓小的敖 l | 体积。 散射光路包括滤光片和两个微孔。滤光片用于滤除杂散光以提高信嗓比。微孔的大 小决定了光电探测器实际受光面积的大小。探测器的实际受光面积是受相干面积决 定的，而相干面积大小取决于散射体积、探测点到散射体的距离和光的波长。探测 器的受光面积应尽量接近相干面积。由于空间各点散射光波动并非同步，探测器探 测面积过大会导致不同点散射光信号在探测器中的平均，影响信号的起伏效果。通 常，在光子计数技术中，采用的光电探测器绝大多数是麓快速响应，具有高增益、 低嗓声的光电倍增管。光电傣增管的输出信号，经放大、甄别和整形之后，成为期限 电平形式的脉冲串，光强的大小以单位时闻内的脉冲数的多少来表示。光子相关器 对颗粒散射光信号做实时相关算法处理，或者说实现光强自相关函数的实时运算。 运算结果输入微机，经反演后提取出颗粒粒径信息。 2 2 光子相关器通道结构 如前所述，光子相关器是颗粒散射光信号的实时相荧处理单元，是整个光予相 山东理t 人学硕l ：论文光子相麓器结构 詈曼曼曼! ! ! 曼皇i i ii i i i j l l l l , l l l11111,i,111,11,i,11 i i i i i i ii ii i i i i , ! ! , 1 , , , !i i i i i i i 寰鼍鼍! 曼曼巴 关颗粒测量装置的关键部分，其往驻的好坏决定了颗粒散射光信号的穗关性是否缝 够准确提取。光子相关器给出的相关黼数实时运算结票孛出现饪何微小误差，都极 易导致数据反演结果的严重错误。 颗粒散射光强自相关函数定义为 g 辑( f ) i ( t ) i ( t + 砖 ，誓( 2 1 ) 鬲l i r a i i ( t ) i ( t + r ) d t i _ 。占 式串f 莠延时对闻，j ) 及j 囊砖先时粼t 器时刻+ f 酶敖射巍强。 颗粒散射光信号经光电探测器件接收后被转换为等幅脉冲信号，单位时间内到 达相关器的脉冲数的变化即反映了光强信号的起伏涨落。因此，实际得到的光强自 相关函数其有以下离散能形式 6 c 五，一j 旨薹，c ，撑c 十。 ( 2 2 ) 岔表示采样时闻，嚣力表示第歹次采榉褥到酶光子脉冲计数，或者说第歹个采棒时 间内到达光子相关器的光予脉冲数量，n ( j + f ) 表示第，+ f 次采样得到的光予脉冲 数。膨力总的采样次数，实验时阆总长必艇越。由于测量时闻的有限性，式( 2 之) 实际是有限时闻内，毅绺为周鬻对散射毙售号采样蔫对光强自相关函数酶话诗，实 验时间及采样频率的有限性处理均会造成光强自相获函数的估计误差。如何减小该 误差将在第三章中讨论研究。式( 2 2 ) 对应相关函数曲线延时时间轴上f = 础一点 处麓摇关函数值。壶式( 2 - 2 ) 霹班看蹴，失褥到完整的穗关丞数藏线，光子褶关器 对脉冲信号进行周期采样，并将信号延时，对应不阍延时对闻点将当前采样信号与 延时信号相乘，并将结果累加。对应某个延时时间的信号延时、相乘累加及缓存输 避在提关器中懿实现称之必一今遥道，通道结构如图2 。2 所示。 图2 2 相关器通道结构示意图 山东理工人学硕士论文光子相关器结构 相关器以一定采样时间对光子脉冲信号计数，脉冲计数信号一方面送入延时单 元( 一般采用移位寄存器实现) 形成延时信号，另一方面送入乘法器，当前信号与 通道延时信号完成乘法运算，乘积送入累加器，累加结果经缓存后送入微机。颗粒 散射光强自相关函数曲线的获得就是通过在相关器内部多个通道中不断进行信号延 时、相乘、累加得到曲线采样。相关器内部通道数量的多少，通道采样时间的大小， 延时的疏密程度决定了相关函数曲线的精度。通道延时时间分布规律不同，相关器 具有不同的结构。如何合理选择相关器结构，扩大相关器动态范围并提高输出精度 是光子相关器性能优劣的关键。 2 3 线性相关结构及其局限性 早期光子相关器采用线性相关结构，该结构如图2 3 所示。 n 图2 3 线性相关结构图 线性相关结构中，相关器各通道统一采用同一采样时间，通道延时单元对光子 计数信号延时相同。延时单元由移位寄存器实现。其工作过程可视为如下两个阶段 的循环往复：在第一阶段，光子计数信号到达后送各通道内部乘法器，并同时送入 移位寄存器第一个存储单元( 第通道延时信号存储单元) ，第一移位寄存单元内存 储的计数值送入第二寄存单元( 第二通道的延时信号存储单元) ，原第二个移位寄存 单元内存储的计数值送入第三寄存单元( 第三通道的延时信号存储单元) ，依此类推。 移位完成后进入第二阶段，该阶段相关器各通道内延时单元所存计数值送入乘法器 与当前光子脉冲计数值相乘，并将乘积送入各通道累加器累加。两个过程交替循环， 最终完成相关函数曲线的采样。 幽袈理下大学硕士论文光 寿爨关器缭构 相关器所能实现的最大信号延时时闻与最小采样时闻之比称力相关器动态范圈。 对予线性相关结构，当采样时间一定时，相关器动态范围的大小决定于通道数量。通 道数量越多，相关器动态范围越大，相关器输出相关函数曲线越完整。而由于硬件资 源的有限性在通道数量有限的情况下，要想保证相关器有足够大的动态范围只能通过 增大采样时间，而这又降低了相关函数曲线的分辨率。因此，在线性相关结构中，相 关器动态范围与相关函数曲线分辨率是相互矛盾的。而实际应用中既要求相关器有足 够大的动态范围以保证在足够大的延时时闻域上给出曲线采样，又要求相关爱数麓线 有足够高的分辨率。显然，线性相关结构在硬件资源有限的条件下缀难满足这掰方面 的要求。 2 4 指数相关器 相关函数反映的是过程的时间相关性，对于平稳随机过程，该相关性随延迟时阉 的增加丽减小。布甥运动颗粒散射光信号的涨落一般认为是平稳的随机过程。其时间 相关性特征如图2 4 新示。 量 虿 g 蔓 篓 8 吕 4 一- 童 g 乏 名 菪 q 图2 4 颗粒散射光信号及其时间相关性 从图2 4 中可看出，颗粒散射光强自相关函数随延时时间增大逐渐衰减，颗粒粒 度信息包含在相关函数曲线的衰减特征中。颗粒越小，其布朗运动越活跃，相关滋数 釜是童l每l暑鑫- 山东理1 = 大学硕士论文光予相关器结构 曲线衰减越快。相关函数曲线衰减部分集中了主要有用信息，曲线的平坦部分，主要 用于基线校准，这部分曲线过长，还可能因其包含噪声造成颗粒反演的失真。基于上 述特点，指数相关结构想对于线性相关结构作了改进，其结构如图2 5 所示。 b c r t2，4，67 “i f , l 2，9” 图2 5 指数相关结构 与线性相关器相比，指数相关结构通道延时时间并非是间隔分布，尽管在相关 器动态范围内每隔一个采样周期都有相应的延时单元刚。或者说，相当一部分延时 单元并没有为之分配通道，这些单元仅仅起到构成完整延时链的作用。这种结构下 通道延时时间按指数规律分布，如式( 2 3 ) 所示。 ，k、 吒= l 2 叫卜4 l 2 卜1k ，k = l ，2 ，3 ( 2 - 3 ) i = l 其中l ，为唯一的采样周期。从图2 5 可看出，通道资源分配在延时时间较短时较密 集，随着延时时间的增加，分配逐渐稀疏。相比于线性相关器，指数相关器以相对 固定的通道资源，有效增大了相关器动态范围，而又相对保证了曲线衰减部分分辨 率。由此，缓解了光子相关器动态范围与相关函数曲线分辨率之间的矛盾。然而， 指数相关器在非曲线采样点处仍需设计实现大量的硬件延时，并且曲线分辨率随延 时时间增加降低过快，易造成信息的丢失。 2 5 多通道时延( m u l t it a u ) 相关器 1 9 8 4 年德国人s c n i t z c lk 提出多通道时延光子相关技术，基于多采样原理，在 不增加硬件资源的情况下，扩大了相关器动态范围，同时又保证了相关函数曲线在 衰减部分有足够高的分辨率，使光子相关器以有限硬件资源获得高分辨率的相关函 数曲线成为可能。 多通道时延光子相关结构在实现时，通常将相关器通道分组。每组通道采用同 一个采样时间，或者说每组通道是一个线性相关模块，不同的线性相关模块采用不 同的采样时间，而整个相关器可视为多个线性相关模块的有机连接【2 5 之羽，其结构如 图2 6 所示。 山东理r t 大学硕十论文光了相关器结构 m o d u l el l 氇 - m o d u l e 2 f 一 1 i ，l 2 - 图2 6 多通道时延光子相关结构原理图 图2 6 所给出多通道时延光子相关结构将每8 个通道划分为一个线性相关模块，图 中仅画出了两个模块m o d u l el 和m o d u l e2 。模块内部工作流程即为前述线性相关结构 相关器工作流程。所不同的是，不同的模块采用了不同的采样时钟。m o d u l e1 采样时 钟为光子脉冲采样时钟，而m o d u l e2 采样时钟为m o d u l e1 采样时钟的2 分频。另外， 除第一模块光子脉冲计数信号来自于直接计数，其它模块计数信号的形成并非是在相 应采样时间内对脉冲计数，而是将上一模块延时单元移位溢出信号的周期累加作为延 时单元信号输入，将当前计数信号周期累加作为该模块的即时信号。例如图2 2 中， m o d u l e1 延时单元溢出值每两个累加后作为m o d u l e2 的延时信号输入，而当前信号每 两个累加作为m o d u l e2 的即时信号。随着采样时间的增长，计数信号输入位数增多， 通道延时单元，乘法器、累加器及缓存空间规模相应增大。 2 6 本章小结 本章介绍了光子相关颗粒测量装置及光子相关器在整个测量装置中的作用，阐述 了光子相关器基本结构，光强自相关函数在相关器中的算法实现原理。由于自相关函 数采样点输出与相关器通道是一一对应关系，线性结构相关器必然存在动态范围与相 关函数分辨率之间的矛盾。为保证相关器动态范围同时提高相关函数输出分辨率，指 数相关结构通过改变延时单元与通道间对应关系，相对增大了相关器动态范围，但仍 需大量的硬件延时设计，并且相关函数分辨率随延时时间增加很快降低。相比较于指 数相关器，多通道时延相关结构基于多采样原理减少了延时单元的设计，同时又使得 指数相关结构下相关函数随延时时间增加分辨率降低过快的情况得到改善。 基东瑾丁大学瑗+ l ：渣文稳美灏羧| 嫠一 乏方注研究及其在鞠关器巾静交魏 第三章相关函数归一化方法研究及其在相关器中的实现 相关函数数据的归一化处理是动态光散射颗粒测量中必不可少的一部分。合理 的归一化有助于提高归一化光强自相关函数估计的精确度脚- 3 l 】，从而得到更加准确 的粒径分布。标准归一化在旱期动态光散射颗粒测量技术中被广泛采用，但所褥归 一化电场相关蘧数估计往往在大延时部分偏差较大影响实验结果，在采焉多通道时 延相关器的动态光散射颗粒测量系统中大延时舞一他电场自相关函数估计偏差闯题 尤为突出。1 9 8 7 年k l a u ss c h 西t z e l 引入“对称归一化 方法后有效地改善了此问题 【3 2 删】。该归一化方法硬件上需为每个相关通道附加监视通道，当所测相关函数曲线 衰减线宽较大时大延时通道数目增加，其所需附加的监视通道资源将会大大增加相 关器成本。然而，当采样周期较小时没有必要为每个相关通道附加监视通道资源。 因此，提出一种“简化对称归化方法，以较少舱监视通道资源获 ! 寻与对称烟一 纯近似的精确度，从燕提高相关器的性徐比。 3 1 归一化光强自相关函数 归一化光强自相关函数定义为 ) = 黟 1 ) 对于满足高麓分布的光场，归一化散射光强自穗关函数和归一优散射电场爨相 关函数之间满足s i e g c r t 关系式g 2 ( f ) = l + 声沁( f ) 1 2 ，其中b 为散射光场的相干度， g 1 0 ) 为归一化散射电场自相关函数。 对于单分散、无限稀释的悬浮液，有 妒( f ) | 2 e x p ( 一i f ( 3 龙) 多分敖颗粒系的散射光电场强度则为单指数曲线烟权之和或分布积分 | g ( 1 ) ( f ) | = 互 g ( r ) e x p ( - r f ) d r ( 3 ，3 ) 光子相关颗粒测量中根据归一化光强自相关函数测量曲线得到颗粒系平移扩散 系数，进而获得颗粒粒径信息。 出寒理玉大学硕j 论文撩关函数躲一纯方法研究及j 在辋笑器中鹣灾瑰 i i l l l l l l i 一一i l l ! , ! l l i l l , l , l , l , l , l , l , l , l , l , l l ll l l l l , l , l , l , l , l l l ij , i l l i l l l1 1 1 , , i l li i , l l l , i i l l l 嬲! 黑鼍 3 2 标准归一化法 早期的p c s 颗粒测量系统中，光强自相关函数的归一化采用标准归一化方法， 光强自相关函数的标准归一化估计 1 、鼬 m g 女 2 m n j n j 一量 j = i t 去 掰 麓) 2 j = i 其中n j 为第j f 个采样周期内的光子脉冲计数值，m 为总的采样次数。 记相关器第j 通道采样值 _ 2 ( 1 + 名) 其中- - 为平均光子计数值。令 = 2 ，反= 2 ( 3 - 4 ) 可改写为 m m tm 1 1 豌潮= ( 1 + 击善t + 古否t t + 玄善哆i t ) ( 1 + 百 t ) 吨 ，= l ，+ 面1 警。瓦1 。繇m + 面l 蔷m 嗨七 姜静谚 j = i ，= f 一七+ l 光强自相关函数标准归一化估计期望值为 一g i 1 5 一m + 七 m 痰客理工大学硬，论文摆笑溺数髓一讫方法研究及j 在捐关器中麓实现 嬲皇麓! ! 曼曼鼍曼曼曼曼! 曼! 量