基于CCD與DSP的太赫茲實時成像系統(tǒng)

馮艷平 甄亞 宋璐

【摘要】針對目前對THZ成像快速低噪的要求設(shè)計了一套以DSP為核心的THz實時成像系統(tǒng)，它采用電光晶體EO和CCD實現(xiàn)實時成像采集， 使用CPLD進行圖像數(shù)據(jù)的緩沖和采集控制邏輯，選擇TI公司的TMS320DM642作為核心器件對圖像信息進行處理。THz波具有獨特的低能性和穿透性，所以THz成像技術(shù)在無損檢測、安全檢查、醫(yī)學(xué)成像及食品生產(chǎn)質(zhì)量監(jiān)控等領(lǐng)域?qū)⒂泻艽蟮膽?yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】THz成像;CCD;DSP;CPLD

引言

太赫茲（THz）輻射是從0.1到10電磁輻射（1THz所對應(yīng)的波長為0.3毫米）。太赫茲成像技術(shù)是太赫茲科學(xué)與技術(shù)中最具應(yīng)用前景的發(fā)展方向之一。成像技術(shù)的進一步發(fā)展需求高功率，便攜式，可調(diào)諧的輻射源。寬頻譜，高靈敏度，低噪聲的探測器和快速，高效的數(shù)據(jù)處理方法 [1]。目前，成像還是一項新興的技術(shù)，在國內(nèi)更是剛剛起步，因此對成像系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進行全面研究，對深入探索和有效利用這一前沿技術(shù)具有指導(dǎo)意義。

本課題采用面陣CCD采集THz作為輻射源的成像信息，選擇TI公司的TMS320VC642作為核心器件，采用近年來發(fā)展起來的數(shù)字圖像處理技術(shù)，設(shè)計了從圖像采集到圖像輸出的THz實時成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)試圖將光、電技術(shù)更好的結(jié)合起來，具有高效快速的特點。

1.系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。THz光源照到樣品上，經(jīng)光電晶體轉(zhuǎn)換后，映射到CCD圖像傳感器的光敏陣列上，通過CCD內(nèi)部將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，當時序發(fā)生器對其施加特定的時序脈沖時，每個像素的電荷信號將被依次移出CCD并經(jīng)濾波放大等預(yù)處理后變成電壓幅度不等的模擬信號，A/D單元將CCD輸出的PAL制式的信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，由CPLD+DSP實時采集，并依據(jù)需要對采集的圖像進行實時處理。

圖1 系統(tǒng)框架原理圖

由于CCD不能捕捉到THz信號，為此必須加一塊電光晶體，使信號進行頻率下轉(zhuǎn)換[2]。整個系統(tǒng)的工作過程是這樣的：探測光脈沖經(jīng)過光柵對色散后在頻域展寬，利用電光晶體將THz波形編碼到展寬的光脈沖上，就可在CCD上一次性探測到THz的波形。

2.系統(tǒng)硬件組成及實現(xiàn)

2.1 圖像采集模塊

本模塊采用CCD攝像頭作為圖像采集設(shè)備。CCD（Charged Coupled Device，電荷耦合器件）是一種光電轉(zhuǎn)換器件，由一系列排列的很緊密的MOS電容器組成。突出特點是以電荷為信號，實現(xiàn)電荷的存儲及轉(zhuǎn)移[3]。由于CCD輸出的是模擬信號，不能被DSP直接處理，所以需將復(fù)合模擬信號通過SAA7113H解碼之后將數(shù)字視頻信號送給DM642進行圖像處理。SAA7111是支持雙通道視頻輸入含有反混疊濾波器，AD轉(zhuǎn)換器，自動增益控制，和時鐘產(chǎn)生，能夠?qū)Ω鞣N視頻標準進行解碼如（PAL BGHI，PAL M，PAL N，combination PAL N，NTSC M，NTSC-Japan，NTSC N and SECAM），同時，還具備亮度，對比度，飽和度控制。支持4路模擬視頻輸入，其內(nèi)部有模擬源選擇器，可以自動探測50Hz，60Hz場頻信號。

2.2 圖像處理模塊

基于DSP的圖像處理模塊是本系統(tǒng)的核心單

元[4]，該單元主要包括核心處理芯片TMS320DM642，存儲器，CPLD以及它們之間的接口。TMS320DM642是在TMS320C6000 DSP平臺上的高性能定點DSP，DM642在主頻720MHz下處理速度達到5760MIPS，具有64個32位字長的通用寄存器和8個獨立的功能單元——兩個結(jié)果為32位的乘法器和6個ALUs，DM642每周期能夠提供4個16位MACs，每秒可提供2880百萬個MACs，或者8個8位MACs，每秒5760MMACs。DM642使用兩級緩存，有一個強大的多變的外圍設(shè)置。DM642具有3個可配置視頻端口（VP0，VP1，VP2）。這些視頻端口給公共視頻編解碼設(shè)備提供了直接接口。TMS320DM642的I2C0口使得DSP很容易得控制外圍器件和與主機的通信。DM642具有一整套開發(fā)工具，包括：新的C編譯器，可以簡化編程和時間的代碼優(yōu)化器和具有執(zhí)行代碼可見性的Windows 調(diào)試器接口。

系統(tǒng)的核心控制部分由CPLD芯片實現(xiàn)。CPLD和DM642板之間有握手信號（同步通訊時采用的一種同步傳輸方式）即發(fā)送機每次發(fā)送半個字節(jié)（低4位）的數(shù)據(jù)，而另外半個字節(jié)（高4位）則用來傳送信息。當RAM存完一幀后，由CPLD發(fā)出信號，通知DSP從RAM中取數(shù)據(jù);讀數(shù)據(jù)點同步信號（采樣點中斷信號）由CPLD產(chǎn)生，可依據(jù)需要而定;在視頻采樣的間隙，DSP利用其高性能資源，進行數(shù)據(jù)處理，并將數(shù)據(jù)輸出;為了避免由于從DM642的數(shù)據(jù)接口讀數(shù)據(jù)周期過長造成流水線阻塞不能和視頻數(shù)據(jù)流電信號同步，需要對視頻解碼器的數(shù)字視頻圖像輸出數(shù)據(jù)進行緩沖，將存下來的數(shù)據(jù)按照DM642板的數(shù)據(jù)接口對讀數(shù)據(jù)頻率進行采樣，采集數(shù)據(jù)的過程可以按照中斷方式實現(xiàn)[5]。

3.軟件設(shè)計

本部分主要介紹一下以DSP數(shù)字信號處理器為核心的數(shù)據(jù)處理程序，由DSP決定是否啟動CCD工作，啟動CCD工作以后，CCD對圖像信息進行采集然后對采集的圖像信息進行預(yù)處理送到DSP中對其進行處理分析，最后把處理結(jié)果傳給上位機。

如圖2所示是DSP數(shù)字信號處理器為核心的數(shù)據(jù)處理程序流程圖，C語言構(gòu)成程序的主框架。由于測得的光信號的數(shù)字化信號往往帶有電路噪聲等隨機誤差，為了使這些數(shù)據(jù)能更好地反映實際情況，必須對它們進行一定的預(yù)處理，這樣才能作為數(shù)據(jù)處理軟件進一步計算的數(shù)據(jù)。復(fù)位脈沖ΦR每到來一次CCD傳感器將輸出一個光積分信號，DSP處理器片內(nèi)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC對該信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理。光敏單元信號的輸出及模數(shù)轉(zhuǎn)換器處理在時間上須同步。DSP處理器定時器的比較匹配信號可作為的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的啟動信號源，只要通過軟件設(shè)置ADC的控制寄存器相應(yīng)的控制位，置定時器的比較匹配信號啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換，即可達到光積分信號及模數(shù)轉(zhuǎn)換器同步的目的。

圖2 程序流程圖

4.結(jié)論

本文提出的太赫茲成像實時采集處理系統(tǒng)，以DSP（TMS320DM642）為核心處理器，面陣CCD實現(xiàn)圖像的采集，系統(tǒng)AD轉(zhuǎn)換部分由SAA7111實現(xiàn)，控制部分由CPLD實現(xiàn)，DSP響應(yīng)中斷實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移、存儲和處理。采用CPLD+DSP實現(xiàn)視頻信號數(shù)據(jù)采集和處理，能提高系統(tǒng)性能，同時具有適應(yīng)性與靈活性強，設(shè)計、調(diào)試方便等優(yōu)點，對于太赫茲成像的實際應(yīng)用如安全檢查，醫(yī)學(xué)成像等具有一定的意義。

參考文獻

[1]趙國忠.太赫茲光譜和成像應(yīng)用及展望.現(xiàn)代科學(xué)儀器[J].2006（2）：36-40.

[2]Sun F G，Jiang Z and Zhang X-C 1999 Analysis of terahertz pulse measurement with a chirped beam Appl.Phys.Lett.73 2233-5.

[3]蔡文貴.CCD技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，1992.

[4]李旻，趙群飛等.面向高分辨率面陣CCD的新型信號采集系統(tǒng)設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2005（2）.

[5]PETERS W H，RANSON W F.Digital Imaging Technique in Experimental Stress Analysis[J].Opt Eng，1982，21（3）：427-431.

作者簡介：馮艷平（1983—），女，碩士，助理講師，研究方向：THz成像技術(shù)及圖像處理。