阅读说明：本技术 一种椭圆弯晶谱仪数据采集与处理系统 (Data acquisition and processing system for elliptical curved crystal spectrometer ) 是由 李阿红 吴丹阳 王彬 蒙林 李海龙 殷勇 袁学松 于 2019-09-12 设计创作，主要内容包括：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。(The invention discloses a data acquisition and processing system of an elliptic curved crystal spectrometer, which comprises a CCD photoelectric conversion module, an AD application module at the analog front end, an FPGA driving and control module, a USB interface transmission module and a system power supply module; acquiring a spectral image of laser plasma X-rays through the system, realizing data communication with a PC (personal computer) through a USB (universal serial bus) interface transmission module, and displaying the transmitted data on the PC; the system can acquire image data with different frame frequencies and different resolutions in real time and at high speed, and transmit and display the acquired data in real time, and the system obtains higher signal-to-noise ratio and good visual effect of the spectral image by using wavelet transformation and median filtering algorithm; and obtaining a spectral diagram of the X-ray by using the denoised spectral image, converting the relation between the pixel and the light intensity into the relation between the wavelength and the intensity by calibrating the wavelength, further obtaining the spatial resolution of the elliptic curved crystal spectrometer, and obtaining the temperature and the rotating speed of the plasma.)

一种椭圆弯晶谱仪数据采集与处理系统

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。

优选的，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机间的数据通讯，并将传输的数据显示到PC机上。

优选的，系统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，并计算得到等离子体的温度和旋转速度。

优选的，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，具体包括：

步骤1：将含噪图像进行双密度双树复小波变换，将其进行四级分解后得到各层的子带系数；

步骤2：分别比较计算邻域窗口3*3、5*5、7*7的相关度系数θ_i(i＝1,2,3)，选取相关系数符合要求的邻域窗口作为当前待估计小波系数的窗口，并计算每个小波系数方差σ²，对于噪声方差利用鲁棒中值器估计，进而利用变系数双变量模型计算小波系数w₁；

步骤3：将去噪后的高频子带小波系数和低频子带小波系数进行逆双密度双树复小波变换，进而得到去噪后的图像。

优选的，采用DD-DTCWT对图像进行分解，根据小波系数的特点，计算二维图像邻域窗口相关度系数，并选择其中符合要求的邻域窗口作为当前待估计小波系数的窗口；根据图像小波系数的层内相关性，将图像各子带分成各个小子块，分别计算各子块的方差即：

N(k)是第k个小波系数为中心的临近局部矩形窗区域，y_i为第i个子带中的小波系数观测值(观测值代表含噪声的值)，M为矩形窗区域的尺寸；每个小波系数对应的方差σ²为：

其中k为第k个小波系数；对于噪声方差，采用鲁棒均值噪声估计方法来估计噪声方差

其中，median为中值函数，小波系数y_i的估计来自于子带H₁H₁；

优选的，使用变系数的双变量模型概率密度函数得出父子小波系数的概率密度函数图；其表达式为：

式(5)中w₂是w₁的小波父系数；m是可变参数，由w₁和w₂的联合分布直方图决定；σ为w₁所在子带的边缘标准差；

按照双变量模型推到小波系数w₁的过程得到变系数双变量模型的小波系数w₁的最大后验概率估计，即双变量联合收缩函数为：

其中()₊定义为：g为父子小波系数中的参数；y₁ y₂分别问第一第二个子带中的小波系数观测值；

优选的，经过步骤3对小波系数进行逆变换得到去噪后的图像，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，根据瑞利准则，被分辨的两条谱线的波长差为δλ，即分辨极限，则理论分辨率R为:在该式中，为相邻两条谱线的平均波长；椭圆弯晶谱仪的理论分辨率为:Δθ是衍射峰强度角分布的半高宽度，又称为角分散；利用该公式得出光谱图像的空间分辨率；

其中c≈3×10⁸m/s；e≈2.7；

然后根据理论公式(7)计算得到离子的温度T(eV)；其中λ_FWHM是拟合的CVI谱线的波长半高全宽度，λ₀是CVI谱线的中心波长，D是色散度，σ_s是换算后的CVI拟合谱线的像素宽度，μ为真空磁导率；

基于公式(8)计算得到离子的环向旋转速度；V_rot是等离子体环向旋转速度，c是光速，Δλ_rot是拟合的CVI谱线的多普勒频移，λ₀是CVI谱线的中心波长。

优选的，经过MATLAB仿真当m＝sqrt(3+(J-1)*3)时，使用变系数双变量模型模拟父子小波系数的联合分布效果较佳。

优选的，CD光电转换模块，采用Sony公司的黑白面阵CCD图像传感器ICX285AL。ICX285AL是一款行间转移、方像素、百万像素科学级CCD图像传感器，具有高分辨率、高灵敏度、高信噪比、低暗电流以及优异的抗晕染特性等特点，可以使用逐行扫描及合并读出方式，最高速率28.64MHz，换算成最高帧率为15帧/秒。搭载这款传感器的成像系统可以满足大多数情况下的科学研究工作。

优选的，模拟前端的AD应用模块，采用ADI公司的12位CCD信号处理器AD9949。AD9949是一款高度集成的CCD信号处理器，支持一行超过4096个像素的CCD，适用于数码相机应用。该器件由带模数转换功能的完整模拟前端AFE和一个可编程的时序核组成，额定像素速率最高可达36MHz，而ICX285AL的像素输出频率即水平转移频率为28.64MHz，能够满足像素输出的要求。模拟前端包括黑色电平箝位、双相关采样器(CDS)、OdB至18dB可调整的像素增益放大器(PxGA)、一个6dB至42dB 10-bit分辨率的可变增益放大器(VGA)和一个36MSPS，12位ADC。Precision Timing内核允许以600ps以下的分辨率调整高速时钟。时序核除了为芯片内部提供CCD信号采样信号外，还为CCD提供驱动电流可编程的水平方向驱动时序信号和复位时钟信号。因此，无需外部H-Driver便能直接驱动CCD，提高了系统集成度，降低了系统成本。同时AD9949还输出CLPOB、PBLK和HBLK信号，其中CLPOB和PBLK复用一个管脚。CLPOB信号为AD9949正在采集的像素信号为黑像素时的指示信号，PBLK信号为AD9949是否正在采集像素的指示信号，HBLK表示AD9949处于行转移时期时的标志信号。此外，AD9949可通过三线式串行接口进行编程。

优选的，FPGA驱动及控制模块，采用Altera公司的Cyclone III系列FPGAEP3C40F484C8N芯片，其主要性能参数如下：(1)逻辑单元数量：39600；(2)脚数:484，其中332通用IO接口；(3)RAM容量：1134Kbits；(4)内嵌乘法器数量：126；(5)锁相环数：4。另外，为了防止FPGA采集图像数据过程中丢失数据，本发明采用DDR2 SDRAM缓存。传统的SRAM由于其容量小，速率慢，成本高等诸多缺陷，已不满足本系统需求。因此，选用性能更高，存储容量更大的DDR2 SDRAM存储器，为大容量数据缓存提供保障。本发明选用Micron公司型号为MT47H64M16的存储器芯片，它的单个芯片容量为8M，数据位宽为16bit，总共有8个bank，总容量大小为8M×16×8BANK＝1Gbit，即128MB。本发明主要考虑到FPGA与FX3芯片CYUSB3014之间高速并行数据传输，FPGA与DDR2数据缓存区之间的高速数据交换，预留的通用高速数据10接口，而从以上的FPGA资源分析中可以看出，EP3C40F484C8N可以很好地满足我们系统的设计。

优选的，USB接口传输模块，采用Cypress公司的EZ-USB FX3系列芯片CYUSB3014。该芯片具有高度集成的灵活特性，符合最新的USB3.0标准，并向下兼容USB2.0协议。USB3.0支持全双工通信，提供了更快的传输速率，可达5.0Gbits/s。并且在芯片内部集成一个32位ARM926EJ处理器内核，核心工作频率为200MHz，相比原有FX2-CY7C68013芯片有更强大的数据处理功能。此外，它具有一个高性能、高灵活度、可进行完全配置的并行通用可编程接口GPIF II，能够配置成8位、16位、32位数据传输中的任何一种，可与FPGA、ASIC、DSP或者任意处理器进行无缝连接。

优选的，关于固件程序的设计，由于本系统采用USB3.0来完成数据的采集工作，故使用Cypress公司为用户提供的FX3开发包(SDK)，其中包含有开发USB3.0固件的开发工具和开发示例等，这就为开发USB功能设备提供了便利。通过使用FX3开发包中的固件框架，可以缩短USB设备固件程序的开发周期。

优选的，USB驱动程序设计，USB驱动程序是连接USB主机应用程序和USB固件程序的桥梁。本文选用USB芯片厂商为其USB芯片提供的通用设备驱动程序CYUSB3.SYS，它不仅能够驱动USB2.0和USB3.0设备，而且能够处理上位机发送过来的USB命令。本发明采用基于WDF框架的cypress通用驱动程序cyusb3.sys和cyusb3.inf，通过修改相关信息就可以开发自己的USB设备驱动程序，这样可以大大提升USB设备驱动的开发效率。

优选的，应用程序不仅能够控制硬件部分完成采集的工作，而且还能对采集的光谱图像进行处理。该部分通过使用改进的小波变换算法，提高了光谱图像的信噪比，为获取X射线的谱线图进而得到椭圆弯晶谱仪的空间分辨率奠定了基础。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

为提高采样速度和分辨率，本发明选取Sony公司的黑白面阵CCD图像传感器ICX285AL作为数据采集的主要模块，该模块具有高分辨率、高灵敏度、高信噪比、低暗电流以及优异的抗晕染特性，较其他同类器件有很大的优势；模拟前端的AD应用模块，采用ADI公司的12位CCD信号处理器AD9949，系统集成度较高，可有效降低成本；

为提高检测精度和抗干扰能力，本发明使用小波变换算法来处理硬件工作产生的噪声，可大幅度提高采集数据的准确度。

为提高检测精度和抗干扰能力，本发明采用小波变换的方法来处理硬件系统工作过程中带来的噪声。本申请中采用一种去噪性能优良、具有良好的自适应性的双密度双树复小波变换与变系数双变量模型自选邻域窗口算法相结合的去噪方法作详细的论述。该方法，充分利用了DD-DTDCWT的平移不变性，抗混叠性，良好的方向性等优点，同时还考虑了层内和层间的相关性，很好地解决了保留图像细节信息和平滑效果的矛盾。经过仿真，可以看出该方法不仅具有较高的峰值信噪比，而且视觉效果也得到了一定的改善。

此外，本发明还可实现实时处理数据和大容量数据缓存的功能。USB接口传输模块，选用USB芯片厂商为其USB芯片提供的通用设备驱动程序CYUSB3.SYS，不仅能够驱动USB2.0和USB3.0设备，而且能够处理上位机发送过来的USB命令，实现数据的实时处理；FPGA驱动及控制模块，采用Altera公司的Cyclone III系列FPGA EP3C40F484C8N芯片，在此选用性能更高、存储容量更大的DDR2 SDRAM存储器，为大容量数据缓存提供保障，相比传统的SRAM有很大优势。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1为一种图像采集与传输装置的原理框图；

图2为AD9949与其它芯片间的信号链关系；

图3为一种图像采集与传输装置的CCD驱动电路原理图；

图4为一种图像采集与传输装置的AD采样电路原理图；

图5为FPGA和EZ-USB FX3之间的互联框图；

图6为DDR2 SDRAM与FPGA的连接框图；

图7为USB3.0接口电路原理图；

图8为一种该系统软件设计的总体功能框图；

图9为一种USB固件框架程序流程图；

图10为一种单帧采集流程图；

图11为一种小波去噪流程图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明所述的椭圆弯晶谱仪数据采集与处理系统，其硬件部分具体实施方式，对照附图再说明如下。

如图1所示：本系统包括CCD光电转换模块、模拟前端的AD应用模块、FPGA驱动及控制模块和USB接口传输模块。

如图2所示：AD9949是整个图像信号处理及采样电路的核心，AD9949通过配置寄存器完成2个部分的功能，一是水平移位时序(H_φ1，H_φ2)和复位时钟(φRG)的驱动，二是对模拟信号的相关双采样，再经过箝位，增益等操作，最后转变为数字信号输出。AD9949内置用于H1至H4和RG的水平驱动器，因此这些时钟可以直接连接到CCD。CCD输出信号被转化为数字化像素信息，并送至数字信号处理器芯片进行后期处理。为了操作CCD，数字信号处理器需要通过三线式串行接口将CCD时序参数写入AD9949。AD9949根据系统主时钟CLI产生CCD水平、垂直和内部AFE时钟。CLI可以由数字图像处理器或外部晶振提供。来自数字图像处理器的一个同步脉冲提供外部同步信号，复位内部寄存器，并且重新同步VD和HD输出。

如图3所示：为使ICX285AL正常工作，需要提供5路垂直驱动信号(V_φ1，V_φ2A，V_φ2B，V_φ3，V_φ4)、2路水平驱动信号(H_φ1，H_φ2)、1路衬底信号(φSUB)和1路复位栅时钟信号(φRG)，合计共9路时序信号。由于ICX285AL的时序控制信号的驱动电压不为标准的TTL电平，需要利用配套的时序驱动电压转换芯片将原本为TTL电平的V_φ1，V_φ2A，V_φ2B，V_φ3，V_φ4和φSUB信号转变成具有-7V/0V/+15V三个等级的电平信号。

垂直方向时序驱动器采用SONY公司的CXD3400N。这款芯片包含七个驱动通道，分别是四个三电平驱动通道和三个双电平驱动通道。支持高帧频读取模式，适合驱动高像素CCD。因此FPGA需要通过外接电平转换芯片CXD3400N将TTL信号转换成3个电压等级以完成对CCD的驱动，因此要求FPGA提供的驱动时序是CXD3400N的输入信号，这些信号包括：XSGT、XV3、XV1、XSG1B、XSG1A、XV4、XV2。水平移位时序(H_φ1，H_φ2)和复位时钟(φRG)的驱动由AD9949提供。

如图4所示：CCD输出信号经过0.1μF的耦合电容接到AD9949的CCDIN模拟信号输入引脚。D0-D11为12位的量化输出，采样数据总线与FPGA的I/O口相连，将像素的灰度数字信号送给FPGA。SCK、SDI、SL组成的串行通信接口与FPGA相连，由FPGA来完成AD9949特殊功能寄存器的设置。ADC参考电压由内部电源提供，引脚REFT和REFB需接旁路电容。时序核为芯片内部及外部提供驱动时序，其基准时钟为系统时钟，通过CLI引脚输入。HD、VD是FPGA为其提供的同步时钟。H1、H2及RG直接驱动CCD。

如图5所示：该模块的设计难点在于软件实现方面，硬件上只需要把GPIF II接口配置Slave FIFO工作模式，将数据总线线、控制总线和地址总线与外部主控制器FPGA进行连接即可。EZ-USB FX3工作在从机模式下，主时钟PCLK由FPGA提供；SLCS，SLWR，SLRD，SLOE分别为片选信号，读写允许信号，使能信号；FLAGA，FLAGB为EZ-USB FX3端口缓存空满标志位；A[1...0]为通道选择信号，本设计选用0通道；DATA[31...0]为所要传输32位的数据流，数据会在其他信号有效、PCLK上升沿时写入EZ-USB FX3或读入FPGA。

如图6所示：DDR2 SDRAM作为外部大容量缓存，其数据总线、地址总线和控制总线均直接与FPGA进行连接。

如图7所示：系统采用USB3.0标准微型B接口，USB接口是最方便和常用的接口，拔插为人工操作难免和人体接触，与人体接触时可能产生8KV，甚至15KV的瞬间ESD，但芯片承受过压的极限值是2KV，如此高的ESD电压远远超出了这一范围，这样就可能对器件造成一些物理破坏和瞬态干扰等。为了避免这些外界因素影响数据的传输，本系统接口电路设计了专门的ESD防护器件对USB接口进行隔离保护。本系统选用Semtech公司的RCLAMP0524J芯片作为USB3.0接口的外部ESD保护器件。对于高速发送信号和接受信号差分对USB30_SSTXM、USB30_SSTXP、USB30_SSRXM、USB30_SSRXP将其连接到防静电芯片RCLAMP0524J。

本发明所述的椭圆弯晶谱仪数据采集与处理系统，其软件部分具体实施方式，对照附图再说明如下。

如图8所示：该系统软件部分在程序设计方面，采用Microsoft Visual C++作为程序设计工具，生成MFC模块，包括固件程序、驱动程序和应用程序的设计，主要完成图像采集和图像处理的功能。

为了满足图像单帧采集、多帧采集和传输速率的要求，本发明选用USB3.0作为图像采集的接口。图9为固件框架程序设计的流程图，在进入main()函数之前，固件首先会初始化一些必要的硬件，这样做的目的是为了实时操作系统(RTOS)的运行和进一步的初始化创造良好的环境。固件程序入口函数CyU3PFirmwareEntry()不能被用户调用，其主要功能包括初始化MMU、caches、SYS、FIQ、IRQ和SVC模式的堆栈，初始化完成后就跳转到CyU3PToolChainInit()(工具链初始化函数)。工具链初始化函数主要实现将函数指针指向主函数和刷新BSS区域。当进入main()函数后，主函数中调用了CyUSPDevicelnit()和CyU3PKernelEntry()这两个函数。设备初始化函数用来建立系统时钟和初始化VIC，USB3.0内核入口函数主要实现嵌入式实时操作系统初始化和建立操作系统定时器，紧接着跳转到应用程序定义函数，在该函数中调用了创建线程函数，其用来创建和启动具体的线程，线程创建函数创建了一个名叫线程入口函数的用户应用线程。当成功创建线程后，程序就跳转到线程入口函数，首先调用串口初始化函数，在其中进行串口初始化及配置，用于打印调试信息，便于固件程序的开发和调试；其次调用应用程序初始化函数，在该函数中配置GPIF II端口、启动USB设备模式驱动、注册USBsetup和USBevent回调函数、设置USB枚举描述符等；最后通过调用CyU3PConnectState()函数来完成实现USB设备和USB主机的连接。

针对USB驱动程序的设计，主要通过修改cyusb3.inf文件来完成以下三个任务：

(1)修改USB3.0设备ID信息。Windows操作系统通过比较固件程序配置描述符中VID和PID与驱动程序INF文件中的相关内容，来确定是否加载此驱动程序。

在固件程序编写时，我们默认的VID为04B4，PID是00F3，所以打开cyusb3.inf文件将所有字段“VID_XXXX”与“PID_XXXX”替代为“VID_04B4”和“PID_00F3”。

(2)修改驱动程序字符串。INF文件中的[Strings]节定义了本系统USB 3.0设备的名称、制造者、设备描述符等字符串相关信息。如果不修改这些信息，当设备被成功识别后会被默认为Cypress标志。

(3)需修改驱动GUID信息。对于Windows操作系统，GUID(Globally UniqueIdentifier)全球唯一标示符是主机程序获取的接口。在本系统中，通过VC++6.0编程环境中的GUIDGEN.EXE软件来创建新的GUID。

最后将驱动程序文件“cyusb3.sys”复制到系统盘\System32\drivers目录下，将“cyusb3.inf”复制Windows目录下，最后将“WdfCoInstall01009.dll”文件复制到System32文件中。

当USB设备接入计算机后，计算机发现新设备后立即调用添加新设备向导，向导根据USB设备的唯一标识VID和PID扫描所有已经装入系统的INF文件，为USB设备加载驱动程序；倘若计算机中没有与USB设备对应的INF文件则提示用户手动选择与设备驱动程序匹配的INF文件，依据INF文件为设备安装驱动程序，安装驱动程序后计算机为USB设备分配各种资源，启动USB设备后用户便能够对USB设备进行正常的操作。

由于多帧采集可以看成是单帧采集的多次重复，因此本文根据图10来说明单帧采集的过程。用户选择好采集的方式后，软件回到待机方式下等待用户发出采集命令。当用户按下采集按钮后，程序根据用户设置的信息发送一连串的命令给下位机，控制相机进行一系列的动作。命令发送完毕后，软件就通过USB接口将图像数据取得并按序进行存放以便组成图像。这一系列的过程完成后相机回到待机状态，等待用户下一次采集命令的发出。

当完成一次采集命令后，该软件可以对采集后的图像进行处理，本发明主要使用小波变换和中值滤波算法完成图像的去噪处理。下面以小波变换为例说明本发明的去噪过程。

参照图11，本发明使用双密度双树复小波变换与变系数双变量模型自选邻域窗口算法相结合的方法对采集后的图像进行处理。具体实现步骤如下：

(1)将含噪图像进行双密度双树复小波变换，将其进行四级分解后得到各层的子带系数；

(2)分别比较计算邻域窗口3*3、5*5、7*7的相关度系数θ_i(i＝1,2,3)，选取相关系数较大的邻域窗口作为当前待估计小波系数的窗口，并计算每个小波系数方差σ²，对于噪声方差可利用鲁棒中值器估计，进而利用变系数双变量模型计算小波系数w₁；

(3)将去噪后的高频子带小波系数和低频子带小波系数进行逆双密度双树复小波变换，进而得到去噪后的图像。

所述步骤(2)中，由于小波系数具有局部性和邻域相关性，为了考虑小波的这个特点，实现根据图像特征自适应地去噪，尽可能的保留图像的细节信息，本发明采用DD-DTCWT对图像进行分解，根据小波系数的特点，计算二维图像邻域窗口相关度系数，并选择其中较大的邻域窗口作为当前待估计小波系数的窗口。根据图像小波系数的层内相关性，将图像各子带分成各个小子块，分别计算各子块的方差即：

N(k)是当前系数，y_i(k)为中心的正方形窗口，M为窗口中系数的个数。那么每个小波系数对应的方差σ²为：

其中k为第k个小波系数。对于噪声方差，采用鲁棒均值噪声估计方法来估计为：

通过实验发现利用

得出父子小波系数的概率密度函数图，同一图像的不同子带的父子小波系数的概率密度分布是不同的；不同图像的相同子带的父子小波系数的概率密度分布也是不同的，故使用相同的双变量模型描述其分布是不准确的，为了准确的描述不同子带的父子系数的概率密度分布的特点，本文使用变系数的双变量模型概率密度函数。其表达式为：

式m是随父子系数变化的参数，其余参数意义与(4)式相同。经过matlab仿真发现当m＝sqrt(3+(J-1)*3)时使用变系数双变量模型能较好地模拟父子小波系数的联合分布。按照双变量模型推到小波系数w₁的过程可得变系数双变量模型的小波系数w₁的最大后验概率估计：

再经过步骤(3)对小波系数进行逆变换得到去噪后的图像，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，根据瑞利准则，可以被分辨的两条谱线的波长差为δλ，即分辨极限，则理论分辨率R为:在该式中，为相邻两条谱线的平均波长。椭圆弯晶谱仪的理论分辨率主要取决于分光晶体本身的分辨率，椭圆弯晶谱仪的理论分辨率为:Δθ是衍射峰强度角分布的半高宽度，又称为角分散。利用该公式可得出光谱图像的空间分辨率。

然后根据理论公式：

计算得到离子的温度T(eV)。其中λ_FWHM是拟合的CVI谱线的波长半高全宽度，λ₀是CVI谱线的中心波长，D是色散度，σ_s是换算后的CVI拟合谱线的像素宽度，μ为真空磁导率。

同样由理论公式：

可以计算得到离子的环向旋转速度。V_rot是等离子体环向旋转速度，c是光速，Δλ_rot是拟合的CVI谱线的多普勒频移，λ₀是CVI谱线的中心波长。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。