THz實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通道設(shè)計(jì)

趙全威，趙元黎，杜學(xué)濤，王振華

（鄭州大學(xué)物理工程學(xué)院，鄭州 450001）

1 引言

THz技術(shù)作為一種新興技術(shù)，在安全檢測(cè)方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和廣闊的應(yīng)用前景。THz輻射的光子能量極低（只有4.2毫電子伏），可以用來(lái)對(duì)人體或物品進(jìn)行無(wú)損成像；THz對(duì)于電介質(zhì)材料及塑料紙箱等包裝材料有很強(qiáng)的穿透力，能夠?qū)σ寻b的物品進(jìn)行清晰成像[1]。圖1左圖是一幅光學(xué)圖像，從圖中不能看到報(bào)紙下面隱藏著的匕首；右圖為太赫茲輻射成像，太赫茲輻射穿透服裝、報(bào)紙，將報(bào)紙遮蓋下的刀具清晰地顯示出來(lái)。

利用電光晶體和CCD可以實(shí)現(xiàn)THz實(shí)時(shí)成像，基于這種實(shí)時(shí)成像技術(shù)設(shè)計(jì)THz安全檢測(cè)系統(tǒng)，針對(duì)安檢需求一般由三部分組成：THz光學(xué)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通道和PC上位機(jī)。

圖1 普通光學(xué)成像（左）與THz輻射成像（右）

本設(shè)計(jì)研究的是THz實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通道部分。選用面陣CCD、高速A/D轉(zhuǎn)換器和復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD，實(shí)現(xiàn)了對(duì)THz圖像信息的高速采集。另外針對(duì)安檢需要本設(shè)計(jì)還選用DSP芯片對(duì)圖像信息進(jìn)行了處理，突出了檢測(cè)目標(biāo)的邊緣輪廓特征，便于下一步的自動(dòng)識(shí)別，這樣不僅減輕了PC上位機(jī)的壓力，而且能夠進(jìn)一步提高THz檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)速度。

2 數(shù)據(jù)通道設(shè)計(jì)方案

圖2為數(shù)據(jù)通道的基本結(jié)構(gòu)框圖。按功能整個(gè)設(shè)計(jì)可分為兩部分：THz圖像信息采集和數(shù)字信號(hào)圖像處理。THz圖像信息的采集包括以下幾個(gè)部分：面陣圖像傳感器CCD、相關(guān)雙采樣電路和A/D轉(zhuǎn)換電路；數(shù)字信號(hào)圖像處理部分主要是利用DSP算法模塊對(duì)數(shù)字圖像信息進(jìn)行圖像處理，包括灰度轉(zhuǎn)換、中值濾波、邊緣檢測(cè)等。另外本設(shè)計(jì)選用一塊復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD為整個(gè)系統(tǒng)提供驅(qū)動(dòng)時(shí)序和邏輯控制。

圖2 數(shù)據(jù)通道基本結(jié)構(gòu)框圖

3 THz圖像信息采集

3.1 面陣圖像傳感器CCD

本設(shè)計(jì)選用行間轉(zhuǎn)移型面陣CCD ICX098AK作為T(mén)Hz圖像信息的感光器件。圖3為ICX098AK的結(jié)構(gòu)圖。

該芯片像素陣列有692×504=348768個(gè)，成像像素有659×494=325546個(gè)，CCD在工作時(shí)水平驅(qū)動(dòng)頻率為12.27 MHz，快門(mén)速度在1/30s～1/10000s連續(xù)可調(diào)。

ICX098AK芯片正常工作需要八路驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘[2]：四路垂直轉(zhuǎn)移時(shí)鐘V1、V2A、V2B、V3，控制垂直移位寄存器中的電荷信號(hào)向水平移位寄存器移動(dòng)，其中當(dāng)V2A、V2B為+15V高電平時(shí)作為讀出轉(zhuǎn)移時(shí)鐘，將感光陣列的信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移到垂直移位寄存器中；水平轉(zhuǎn)移時(shí)鐘H1、H2，控制水平移位寄存器中的電荷信號(hào)向前遷移；復(fù)位門(mén)時(shí)鐘RG，其頻率為12.27MHz，直接決定CCD電荷信號(hào)的水平輸出頻率；以及控制曝光量的電子快門(mén)時(shí)鐘VSUB。

圖3 ICX098AK的結(jié)構(gòu)圖

本設(shè)計(jì)選用CPLD芯片EPM7128SLC作為驅(qū)動(dòng)時(shí)序發(fā)生器，利用VHDL語(yǔ)言軟件編程完成了對(duì)于ICX098AK的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。并在QuartusⅡ軟件設(shè)計(jì)環(huán)境下進(jìn)行了時(shí)序仿真。圖4為ICX098AK驅(qū)動(dòng)時(shí)序仿真圖。

圖4 ICX098AK驅(qū)動(dòng)時(shí)序仿真圖

3.2 相關(guān)雙采樣技術(shù)

CCD輸出信號(hào)的噪聲包括固有噪聲和復(fù)位噪聲。固有噪聲與CCD制造工藝有關(guān)，不做考慮；復(fù)位噪聲的產(chǎn)生，是因?yàn)镃CD信號(hào)輸出采用選通電荷積分器結(jié)構(gòu)，工作過(guò)程中需要用到一個(gè)保持電容，由于復(fù)位開(kāi)關(guān)熱噪聲的影響，常使保持電容偏離參考電平，這段偏離量就是復(fù)位噪聲[3]。

相關(guān)雙采樣技術(shù)（CDS）采用兩級(jí)高速采樣保持器（S/H）：預(yù)采樣采樣保持器（S/H1）對(duì)浮置柵電平部分采樣，數(shù)據(jù)采樣保持器（S/H2）對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行采樣。兩次采樣后經(jīng)差分放大器相減，就消除了復(fù)位噪聲，得到真正的CCD視頻信號(hào)。

本設(shè)計(jì)選用SONY公司生產(chǎn)的CXA2006Q作為采樣保持器。這是一款專(zhuān)用集成采樣保持芯片，能夠有效去除CCD輸出信號(hào)中的復(fù)位噪聲，具有非常好的輸入信號(hào)箝位和CDS輸入偏移校正性能，同時(shí)為A/D轉(zhuǎn)換器提供了精確的參考電平。

3.3 A/D轉(zhuǎn)換電路

圖5 TLC5510 引腳配置

芯片采用TLC5510，采用CMOS工藝制造的8位高阻抗并行A/D芯片，最大可提供20Mbps的采樣率，可廣泛應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

CLK是A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)鐘信號(hào)，OE為輸出使能端，CLK和OE均由CPLD提供產(chǎn)生。轉(zhuǎn)換頻率為12.27MHz，轉(zhuǎn)換分辨率為8位。D[1:8]為A/D轉(zhuǎn)換輸出數(shù)據(jù)端口。在本設(shè)計(jì)中，D[1:8]與CPLD的輸入數(shù)據(jù)端IN-DATA[0:7]對(duì)應(yīng)相連，先將A/D轉(zhuǎn)換輸出數(shù)據(jù)送往CPLD內(nèi)做延時(shí)處理，然后數(shù)據(jù)通過(guò)CPLD傳輸?shù)絊RAM中，這樣可以做到一個(gè)地址對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)，不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)亂放、錯(cuò)放的問(wèn)題。CPLD的輸出端OUT DATA[0:7]與SRAM的數(shù)據(jù)線(xiàn)D[0:7]對(duì)應(yīng)相接，CPLD的輸出端ADDR[18:0]與SRAM的地址線(xiàn)A[18:0]對(duì)應(yīng)相連，CPLD為其提供選通信號(hào)和讀寫(xiě)控制信號(hào)。

4 DSP圖像處理

DSP芯片選用TI公司生產(chǎn)的TMS320VC5416。為了提取圖像中危險(xiǎn)武器如刀、槍的邊緣輪廓信息，本設(shè)計(jì)依托CCS軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，編寫(xiě)了算法處理程序，利用DSP進(jìn)行硬件仿真，比較選擇了最佳的圖像處理算法[4]。

圖6中左邊為普通光學(xué)圖像，右邊為T(mén)Hz圖像，圖中顯示此人身上藏有槍支兩支。右圖的分辨率為256×256，長(zhǎng)度為8位，大小為64kB。仿真方法如下：首先使用VC將圖6（右）以二進(jìn)制格式讀入到計(jì)算機(jī)內(nèi)存，然后將內(nèi)存中的二進(jìn)制文件按文本格式保存，形成TXT文件。采用CCS 3.1開(kāi)發(fā)平臺(tái)的Data/Load功能，將該TXT文件加載到DSP外擴(kuò)SRAM。在VC5416處理器上運(yùn)行算法，再采用CCS 3.1開(kāi)發(fā)平臺(tái)的Data/Load功能，從DSP存儲(chǔ)區(qū)中導(dǎo)出圖像數(shù)據(jù)，使用VC將導(dǎo)出的圖像數(shù)據(jù)以文本方式讀入到計(jì)算機(jī)中，并轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制文件在PC機(jī)上顯示[5]。

圖6 普通光學(xué)圖像（左）與THz輻射成像（右）

把THz圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖像后，再進(jìn)行平滑效果處理。圖7為圖像平滑效果圖。均值濾波采用4鄰域的濾波方法，中值濾波分別采用了模版大小為3×3和5×5的處理方法。均值濾波產(chǎn)生的模糊較多，中值濾波可以有效清除噪聲，很好地保持圖像良好的邊緣特性；另外，中值濾波實(shí)際運(yùn)算過(guò)程中不需要圖像的統(tǒng)計(jì)特性，運(yùn)算簡(jiǎn)單、快速。經(jīng)比較選擇窗口大小為3×3的中值濾波方法。

圖7 圖像平滑效果圖

本課題采用直方圖分析方法求得圖像分割的最佳閾值，將圖像分為背景和目標(biāo)兩部分。該方法不僅直觀(guān)性強(qiáng)、程序簡(jiǎn)單，對(duì)于本節(jié)所涉及到的圖像分割的效果也較理想。圖8為閾值分割效果圖。

圖9是幾種經(jīng)典邊緣檢測(cè)算子提取結(jié)果圖。從圖中可以直觀(guān)地看出，Robert算子和Soble算子及Prewitt算子的邊緣圖中檢測(cè)出的邊緣數(shù)少、欠完整，且受噪聲干擾較大；LOG算子和Canny算子的邊緣圖中的邊緣連續(xù)性很好，完整性也較好。相比之下，Canny算子邊緣較粗，噪聲點(diǎn)較多； LOG算子的邊緣圖中邊緣連續(xù)性很好，完整性也較好，邊緣圖中的邊緣線(xiàn)劃很細(xì)，景物細(xì)節(jié)表現(xiàn)得也比較清晰，輪廓邊緣提取得很完備。所以最終選取LOG算子來(lái)進(jìn)行邊緣檢測(cè)的處理。

圖8 閾值分割效果圖

圖9 經(jīng)典邊緣檢測(cè)算子提取結(jié)果圖

5 結(jié)論

選用面陣CCD、高速A/D轉(zhuǎn)換器，可編程邏輯器件CPLD作為驅(qū)動(dòng)時(shí)序發(fā)生器，采用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行硬件編程，實(shí)現(xiàn)了THz圖像信息的高速采集，滿(mǎn)足了實(shí)時(shí)性的要求。另外通過(guò)硬件仿真的方法比較選擇了最佳圖像處理算法，提取了目標(biāo)圖像的邊緣輪廓信息，減輕了PC上位機(jī)的壓力，提高了檢測(cè)速度。以上研究成果對(duì)于THz技術(shù)在安全檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用具有一定意義。

[1] 姚建銓?zhuān)?洋，張百鋼，等. THz輻射的研究和應(yīng)用新進(jìn)展[J]. Journal of Optoelectronics Lase ,2000,16（4）.

[2] 王慶有. CCD應(yīng)用技術(shù)[M]. 天津：天津大學(xué)出版社，2000. 30-40.

[3] 孔淵，王世勇，崔洪洲. 基于CPLD的高速面陣CCD驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)[J]. 半導(dǎo)體光電，2003，24（5）：363-366.

[4] 汪春梅. TMS320C5000系列DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)實(shí)例[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[5] 四維科技等. Visual C++/MATLAB圖像處理與識(shí)別使用案例精選[M]. 北京：人民郵電出版社，2004.