基于FPGA便攜式光譜分析儀設(shè)計(jì)*

彭馨儀， 張麗娟

(1.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130000；2.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130000)

?

設(shè)計(jì)與制造

基于FPGA便攜式光譜分析儀設(shè)計(jì)*

彭馨儀1， 張麗娟2

(1.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130000；2.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130000)

為了大幅提高光譜檢測(cè)的抗干擾能力和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理能力，設(shè)計(jì)了基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)的靜態(tài)光譜分析系統(tǒng)。選用靜態(tài)干涉具取代機(jī)械掃描，從而提高系統(tǒng)的抗震動(dòng)能力，使其適用于便攜式光譜儀的設(shè)計(jì)要求。采用FPGA芯片完成干涉數(shù)據(jù)的高速處理，從而達(dá)到實(shí)時(shí)響應(yīng)的設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、硬件電路以及光譜分析算法，給出了光譜還原的理論推導(dǎo)與計(jì)算過(guò)程。實(shí)驗(yàn)采用Virtex2—pro型FPGA開(kāi)發(fā)板，對(duì)660 nm激光光譜進(jìn)行測(cè)試，頻譜計(jì)算效果與Matlab仿真數(shù)據(jù)作對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:本系統(tǒng)可以有效地將被測(cè)激光光譜分布函數(shù)解出，速度快,準(zhǔn)確度高，并具有較好的抗干擾能力，適合于便攜式光譜分析儀的應(yīng)用特點(diǎn)。

光譜分析儀； 便攜式設(shè)計(jì)； 抗干擾能力； 現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列

0 引 言

光譜分析儀已被廣泛地應(yīng)用于生活中的諸多領(lǐng)域，例如:物質(zhì)檢測(cè)、氣體濃度分析、激光成分探測(cè)等[1]。常見(jiàn)的光譜分析儀主要分為色散型和干涉型。色散型系統(tǒng)通常利用衍射效應(yīng)獲取入射光光譜信息，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠度高，但其入射光需要通過(guò)狹縫，分辨率與光通量為對(duì)立關(guān)系，故為了保證一定的分辨能力，往往使系統(tǒng)的信噪比較低，并且不適合檢測(cè)微弱信號(hào)。干涉型系統(tǒng)通過(guò)干涉獲取干涉條紋，再由傅氏變換求解光譜分布函數(shù)，其具有高光通量、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的特點(diǎn)。

早期的光譜分析儀常采用邁克爾遜干涉模塊，雖然精度很高，但對(duì)震動(dòng)非常敏感，所以，不適用于便攜式設(shè)計(jì)與應(yīng)用[2]。為了克服機(jī)械掃描的缺陷，靜態(tài)光譜分析儀問(wèn)世，通過(guò)對(duì)空域相干條紋的解析完成光譜分布數(shù)據(jù)的獲取，具有實(shí)時(shí)性、高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)[3]。對(duì)于便攜式光譜分析儀而言，為了可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性的同時(shí)獲得快速的處理速度，且保證較大的光通量，從而可以完成微弱信號(hào)的檢測(cè)，靜態(tài)干涉結(jié)構(gòu)的光譜分析儀具有更強(qiáng)的適應(yīng)性[4,5]。

對(duì)于便攜式光譜分析儀而言，光學(xué)干涉部分可以實(shí)時(shí)地完成入射激光的干涉處理，但為了保證系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)地顯示輸出光譜分析的測(cè)試結(jié)果，還需要為其設(shè)計(jì)高速的運(yùn)算處理電路。根據(jù)光譜獲取機(jī)理，CCD獲取的干涉條紋需經(jīng)過(guò)快速傅里葉變換(fast Fourier transform,FFT)和光譜校正等步驟才能獲得光譜分布函數(shù)。而目前FFT數(shù)據(jù)處理主要采用專用集成電路(ASIC)[6]、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)[7]以及現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)完成[8]。ASIC開(kāi)發(fā)費(fèi)高昂，周期長(zhǎng)；DSP算法簡(jiǎn)單靈活，但處理速度慢，不適合在便攜式系統(tǒng)中；相比之下，F(xiàn)PGA具有開(kāi)發(fā)容易、價(jià)格適中，其速度快，適合小型化集成產(chǎn)品，故本文提出了基于FPGA的便攜式光譜分析儀硬件設(shè)計(jì)方案。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)便攜式光譜分析儀的設(shè)計(jì)要求，采用靜態(tài)干涉具保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應(yīng)用FPGA高速處理芯片保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，由此,本文提出了基于FPGA的靜態(tài)光譜分析儀設(shè)計(jì)方案，結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由光學(xué)天線、靜態(tài)干涉具、柱面鏡、CCD、FPGA及顯示電路構(gòu)成。其中，靜態(tài)干涉具為標(biāo)準(zhǔn)的傅里葉變換干涉模塊，通過(guò)雙光束干涉產(chǎn)生干涉條紋，形成空間調(diào)制，從而取代傳統(tǒng)機(jī)械掃描的時(shí)間調(diào)制，大幅提高系統(tǒng)的抗震動(dòng)能力。由靜態(tài)干涉具出射的相干光經(jīng)柱面鏡成像在線陣CCD上，從而構(gòu)成一維的干涉條紋信息，并通過(guò)CCD將干涉條紋數(shù)據(jù)采集傳輸給FPGA。選用Xilinx公司的Virtx—Ⅱ型FPGA開(kāi)發(fā)板對(duì)干涉數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波去噪、FFT、光譜校正等，最終完成光譜分析并顯示。

圖1 基于FPGA的便攜式光譜分析儀原理示意圖

2 干涉條紋處理與光譜復(fù)原算法

依據(jù)傅里葉變換光譜技術(shù)可知，由CCD采集的干涉條紋的光強(qiáng)分布[9]有

(1)

經(jīng)傅氏變換有

(2)

其中，x為干涉具任意點(diǎn)x的位置，ν為波數(shù)。式(2)表示光源的光譜分布函數(shù)。在獲取光譜分布前要對(duì)干涉條紋進(jìn)行采樣、濾波切趾、光譜標(biāo)定等處理。

2.1 數(shù)據(jù)采樣

回波數(shù)據(jù)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，完成數(shù)據(jù)的離散化，采用相等間隔的δx進(jìn)行采樣，依據(jù)奈奎斯特定理，使光程差間隔滿足

δx≤1/2νmax.

(3)

又因?yàn)楣庾V干涉條紋不是無(wú)限多的，所以，系統(tǒng)采樣過(guò)程還需要滿足

(4)

上式構(gòu)成光譜探測(cè)的主要條件。

2.2 切趾處理

由于在傅里葉變換函數(shù)中，采用的是無(wú)窮大范圍，所以實(shí)際干涉條紋點(diǎn)是不能滿足的，在具體完成光譜復(fù)原時(shí)需要檢測(cè)有限元內(nèi)的極大光程差xmax，故式(2)的實(shí)際表達(dá)形式為

(5)

其中，切趾函數(shù)為T(mén)(x)，將干涉條紋數(shù)據(jù)限定在(-xmax，xmax)內(nèi)，通過(guò)卷積的方式可以將原有光譜數(shù)據(jù)表示為

B(ν1)=B(ν)*t(ν).

(6)

其中，B(ν)為原始光譜，t(ν)為切趾函數(shù)T(x)的逆傅立葉變換，其表達(dá)式有

t(ν)=FT-1[T(x)]=2xmsinc2πνxm.

(7)

由于sinc函數(shù)在傅氏變換后存在旁瓣，影響光譜還原效果，故通過(guò)漸變權(quán)重函數(shù)完成權(quán)值分配，從而達(dá)到降低旁瓣影響的目的，使切趾函數(shù)處理后的光譜分布盡可能地與原光譜信息一致。

2.3 光譜標(biāo)定與波長(zhǎng)復(fù)原

因?yàn)槊總€(gè)干涉具材料、特性、傾角等的不同，所以，經(jīng)傅氏變換后得到的頻譜信息還需要完成光譜標(biāo)定才能形成可讀的空間分布信息。理論上要求對(duì)每個(gè)光譜分布點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，但實(shí)際測(cè)試過(guò)程中常常依據(jù)系統(tǒng)的線性時(shí)不變特性，只對(duì)特定光譜范圍內(nèi)的波長(zhǎng)進(jìn)行標(biāo)定。由實(shí)驗(yàn)得到的偏差值去校正光譜分布函數(shù)。

在被測(cè)范圍內(nèi)，單位長(zhǎng)度內(nèi)對(duì)應(yīng)的波數(shù)表示為λ-1，單位長(zhǎng)度內(nèi)對(duì)應(yīng)的干涉條紋數(shù)表示為x，其比例關(guān)系表示為C(λ/x)，則系統(tǒng)滿足

(8)

式中 λ為表示波長(zhǎng)，x表示條紋數(shù)。被測(cè)區(qū)域內(nèi)任意波長(zhǎng)可表示為

(9)

最終，式(9)由FPGA運(yùn)算輸出。

3 FPGA硬件設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)仿真

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，采用1024點(diǎn)基2-FFT算法，選用Xilinx公司Virtex2—proXC2VP40芯片，構(gòu)成干涉條紋數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，原理如圖2所示。系統(tǒng)分A,B,C三個(gè)區(qū)，其中,A區(qū)負(fù)責(zé)完成干涉條紋的采集，DriverControl完成對(duì)CCD探測(cè)器的驅(qū)動(dòng)，使CCD采集的干涉條紋信號(hào)進(jìn)入雙口RAM中。B區(qū)對(duì)干涉數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，完成FFT算法，采用雙通道數(shù)據(jù)處理模式，提高處理速度，保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性；經(jīng)傅氏變換后的數(shù)據(jù)信息完成相位校正，最終實(shí)現(xiàn)光譜標(biāo)定。C區(qū)將已處理完畢的光譜分布數(shù)據(jù)用于顯示，實(shí)現(xiàn)快速測(cè)試的可視化。

圖2 光譜分析數(shù)據(jù)處理的FPGA設(shè)計(jì)框圖

3.1 CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序仿真

本系統(tǒng)中的CCD選用日本HAMAMASTU公司的S1070型線陣CCD。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要，通過(guò)FPGA對(duì)CCD探測(cè)器編寫(xiě)了驅(qū)動(dòng)程序，功能仿真測(cè)試結(jié)果如圖3所示。仿真結(jié)果顯示:系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)時(shí)序邏輯關(guān)系與器件數(shù)據(jù)手冊(cè)中時(shí)序一致，證明驅(qū)動(dòng)程序正確，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)CCD探測(cè)數(shù)據(jù)的快速采集與傳輸。

圖3 CCD驅(qū)動(dòng)測(cè)試仿真圖

3.2 FFT模塊設(shè)置

系統(tǒng)干涉條紋數(shù)據(jù)的FFT處理通過(guò)基2-FFT模塊完成，調(diào)用 公司的IP核實(shí)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)IP核各參數(shù)的有效設(shè)置，得到FPGA的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 邏輯設(shè)計(jì)與仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果可知，時(shí)序邏輯關(guān)系正確，可以快速完成干涉條紋的FFT處理，驗(yàn)證了邏輯設(shè)計(jì)的可行性。

4 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試激光波長(zhǎng)為660nm,干涉系統(tǒng)為靜態(tài)干涉具模塊，材料為BK9；處理系統(tǒng)為Virtex2—Pro型FPGA開(kāi)發(fā)板。實(shí)驗(yàn)針對(duì)波長(zhǎng)660nm激光產(chǎn)生的干涉條紋進(jìn)行分析。分別由本系統(tǒng)的FPGA程序和Matlab標(biāo)準(zhǔn)程序分別對(duì)干涉條紋進(jìn)行FFT數(shù)據(jù)處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 FPGA與Matlab仿真結(jié)果對(duì)比圖

由仿真結(jié)果可知，其峰峰值位置均在115nm處，表明兩種方法得到的特征波長(zhǎng)位置相同，而峰峰值略有不同，但峰峰值本身為相對(duì)參考值，故其相對(duì)誤差在檢測(cè)范圍內(nèi)即滿足檢測(cè)要求。依據(jù)此頻譜數(shù)據(jù)完成對(duì)入射激光的光譜分析，經(jīng)相位補(bǔ)償和光譜校正后有光譜分布函數(shù)如圖6所示。

圖6 660 nm激光光譜分布圖

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，基于FPGA的便攜式光譜系統(tǒng)可以有效地將被測(cè)激光的光譜分布信息反演。激光中心波長(zhǎng)顯示正確，峰值信噪比高，符合設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的便攜式光譜分析儀，采用靜態(tài)干涉系統(tǒng)和高速FPGA處理芯片相結(jié)合，完成了其硬件設(shè)計(jì)與軟件算法。針對(duì)660 nm激光進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Matlab仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比可知，系統(tǒng)測(cè)試速度快,準(zhǔn)確度高，且具有很強(qiáng)的抗震動(dòng)能力。驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性，滿足了便攜式光譜儀的設(shè)計(jì)要求。

[1] 李 旭,蒲昱初,徐火生.基于IPCore的FFT處理器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].艦船電子工程,2007,2(1):121-123.

[2] 林 凌,任 釗,李 剛.靜態(tài)傅里葉變換光譜儀的機(jī)理及干涉條紋的校正[J].光譜學(xué)與光譜分析,2008,128(19):2067-2072.

[3] Zhang L J,Yang J H,Su W.Research on blind deconvolution algorithm of multiframe turbulence-degraded images[J].Journal of Information and Computational Science,2013,10(12):3625-3633.

[4] 郭威彤,宋海聲,楊鴻武,等.一種便攜式室內(nèi)空氣質(zhì)量快速檢測(cè)儀設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng),2015,4(2):97-99.

[5] 張文娟,張 兵,張 霞.干涉成像光譜儀切趾函數(shù)對(duì)復(fù)原光譜的影響分析[J].紅外與毫米波學(xué)報(bào),2008,27(3):227-232.

[6] 王林泉,皮亦鳴,陳曉寧,等.基于FPGA的超高速FFT硬件實(shí)現(xiàn)[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2005,34(2):152-155.

[7] 李 巖,徐金甫.基于新型FPGA的FFT設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2007,43(14):102-104.

[8] Chao-Hsiung Hung,Hsueh-Ming Hang.A reduced-complexity image coding scheme using decision-directed wavelet-based contourlet transform[J].J Vis Commun Image R,2012,23(1):1128-1143.

[9] 田二明，張記龍，李 曉.激光告警系統(tǒng)中小型靜態(tài)傅立葉變換光譜儀的研究[J].光譜學(xué)與光譜分析,2009，29(3)：853-857.

彭馨儀 (1979- )，女，碩士，講師，研究方向?yàn)檐浖こ膛c人工智能。

Design of portable spectrum analyzer based on FPGA*

PENG Xin-yi1, ZHANG Li-juan2

(1.School of Applied Technology,Changchun University of Technology,Changchun 130000,China; 2.School of Computer Science & Engineering，Changchun University of Technology,Changchun 130000，China)

In order to significantly improve anti-jamming capability and real-time data processing capability for spectrum detection,static spectroscopy system is designed based on FPGA.Static interferometer is chosen to replace the mechanical scanning,so anti-jamming capability of system is improved,to make it suitable for design requirements of portable spectrometer.FPGA chip is used in the system to complete high-speed data processing for interference fringe,so as to achieve design requirements of real-time response.System architecture,hardware circuit,and spectrum analysis algorithm are designed.Theoretical derivation and calculation of the spectrum reduction are given.Experiments use FPGA development board,which is the type of Virtex2—Pro,to test for 660nm laser spectroscopy.The calculated effect of spectrum is compared with simulation data by Matlab.Experimental results show that the system can effectively solve the spectrum distribution function of measured laser.It’s the advantages of high anti-jamming ability,the high speed and the high precision in the system.It is suitable for application characteristics of portable spectrum analyzer.

spectrum analyzer; portable design; anti-jamming capability; FPGA

2015—06—25

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(60637010)

10.13873/J.1000—9787(2015)09—0058—03

TN 247

A

1000—9787(2015)09—0058—03