基于FPGA的高速光譜數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

孫秀玲,孫海峰,趙世萍

(長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院,長春 130000)

隨著光譜技術(shù)的不斷發(fā)展,采用光譜分析設(shè)備對(duì)未知光源的光譜特性檢測(cè)的應(yīng)用越來越多了,而對(duì)光譜分析設(shè)備的性能要求也越來越高了,其中包括了對(duì)干涉條紋數(shù)據(jù)的獲取以及高速處理[1-5]。光譜測(cè)試系統(tǒng)中主要分為兩大類:光柵衍射型與靜態(tài)干涉型。由于光柵衍射型存在入射狹縫所以光通量低,靜態(tài)干涉型更適用于戶外的光譜識(shí)別[6]。

為了開發(fā)設(shè)計(jì)可以高速采集處理干涉條紋的處理系統(tǒng),需要選取合適的數(shù)字處理器,FPGA作為一種硬件編程的高速處理芯片非常適用于高速光譜數(shù)據(jù)處理[7-10]。故采用FPGA完成干涉條紋的實(shí)時(shí)處理以及傅氏變換,不但速度快并且穩(wěn)定性高,具有其他處理系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)勢(shì)[11-12]。其中,采用硬件邏輯設(shè)計(jì)的方式要比Xilinx的處理速度更快,占用的資源更少[13-14]。同時(shí),在設(shè)計(jì)光譜獲取的過程中,不同位深對(duì)于系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的速度影響較為明顯,所以在本系統(tǒng)中將注重設(shè)計(jì)CCD干涉條紋采集模塊以及不同位深調(diào)制的傅氏變換處理算法。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)如圖1所示,待測(cè)光由準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后進(jìn)入干涉棱鏡,通過干涉棱鏡令初始光產(chǎn)生干涉,再通過柱面鏡將光束壓縮在線陣CCD[15]上。采用高速采集電路將干涉條紋的數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入FPGA,再由FPGA完成光譜分布的獲取。根據(jù)傅里葉光學(xué)理論,待測(cè)光通過準(zhǔn)直透鏡進(jìn)入干涉棱鏡以后被分為兩束,這兩束光經(jīng)分束鏡分束后又匯聚到了一起,由于兩束光的光程差不同,所以產(chǎn)生了靜態(tài)干涉條紋。再通過FPGA對(duì)靜態(tài)干涉條紋進(jìn)行濾波、切趾、FFT、標(biāo)定等步驟,從而會(huì)將空域信息轉(zhuǎn)換成光譜信息。其中,FPGA設(shè)計(jì)分為3個(gè)區(qū):靜態(tài)干涉條紋的采集區(qū),光譜分布的反演區(qū)和光譜分布顯示區(qū)。

圖1 實(shí)時(shí)光譜數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)

2 干涉條紋采集模塊設(shè)計(jì)及仿真

該模塊中采用10078型線陣CCD探測(cè)器,該芯片采用了10 bit的輸出位深,而FPGA的時(shí)鐘為100 MHz,CCD最高工作頻率為6 MHz。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,若CCD采用5 MHz的工作頻率,則干涉條紋采集模塊需要一個(gè)20分頻的電路結(jié)構(gòu)。本模塊采用Verilog語言完成觸發(fā)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì),完成后采用Modelsim 6.3進(jìn)行仿真分析,仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 CCD驅(qū)動(dòng)電路時(shí)序邏輯關(guān)系圖

由圖2中的仿真結(jié)果可知,該時(shí)序與CCD數(shù)據(jù)手冊(cè)中CCD驅(qū)動(dòng)控制時(shí)序圖是一致的,說明該模塊可以有效地獲取CCD的干涉條紋數(shù)據(jù)。

為了實(shí)時(shí)的獲取光譜數(shù)據(jù)信息,所以要求采集干涉條紋的速度要高于處理速度,同時(shí),采集模塊與處理模塊需要進(jìn)行速率匹配。故在傅氏變換前,要增大數(shù)據(jù)傳輸速率。本系統(tǒng)中進(jìn)入傅氏變換的1幀數(shù)據(jù)若能夠連續(xù)讀取,則轉(zhuǎn)換速率應(yīng)為0.5 MHz,并且工作于不同的兩個(gè)時(shí)鐘域。由此需要設(shè)計(jì)了一種讀寫異步的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊,其讀時(shí)鐘是1.0 MHz,寫時(shí)鐘是0.5 MHz,數(shù)據(jù)深度是1 024。

3 光譜分布的反演

3.1 理論依據(jù)

靜態(tài)干涉條紋是通過空域分布實(shí)現(xiàn)光譜信息攜帶的一種方式,與傳統(tǒng)的邁克爾遜干涉系統(tǒng)不同,其光譜分布數(shù)據(jù)同時(shí)的全部的反映在空間分布的干涉條紋上,不受時(shí)間的影響,從而使其非常適用于高速光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。首先,設(shè)序列為x(n),其傅氏變換關(guān)系為

(1)

式中:k和n=0,1,2……,N-1,(N為2的整數(shù)倍)。利用基2抽取的形式,將N點(diǎn)轉(zhuǎn)化成兩個(gè)N/2點(diǎn)的序列,這樣就能分別完成數(shù)據(jù)的變換了。按照此種方法,可以將被分解的2組序列再次分解為4組N/4點(diǎn)的序列,直至分解至最后一級(jí),即可采用蝶形運(yùn)算的方式將干涉條紋轉(zhuǎn)換成頻譜信息了。

3.2 FFT模塊設(shè)計(jì)與仿真

根據(jù)采集靜態(tài)干涉條紋的要求及探測(cè)器的特性,該模塊采用1024點(diǎn)流水線形式,采用Xilinx公司Virtex2-Pro系列處理系統(tǒng),搭建了用于實(shí)時(shí)靜態(tài)干涉條紋采集與光譜分布反演的硬件結(jié)構(gòu),即圖2中的(b)區(qū)。

該模塊中采用IP核完成FFT,其變換形式基于基-2時(shí)間型。通過控制位完成對(duì)FFT中蝶形運(yùn)算位深的設(shè)置,由1024點(diǎn)單通道流水線結(jié)構(gòu)構(gòu)成,數(shù)據(jù)位選用10 bit。該FPGA的邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序仿真結(jié)果如圖3所示。

在這個(gè)運(yùn)算器件采用兩個(gè)輔助RAM實(shí)現(xiàn)對(duì)中間變量結(jié)果的存儲(chǔ),這樣可以利用RAM減小對(duì)FPGA資源的占用,從而提高系統(tǒng)的處理速度。最終,系統(tǒng)由兩個(gè)硬件乘法器、4個(gè)RAM儲(chǔ)存器實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的運(yùn)算與處理,同時(shí)保證了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速度,在80 MHz的基頻條件下,完成1024點(diǎn)FFT僅需32 μs。同時(shí),在仿真分析中已對(duì)不同位深數(shù)據(jù)的FFT分別進(jìn)行了測(cè)試,結(jié)果顯示,位深對(duì)處理速度的影響比較明顯,8 bit速度最快,10 bit速度較快,12 bit速度較慢,但8 bit反演結(jié)果的中心波長振幅較小,信噪比低,而10 bit與12 bit的光譜振幅信噪比都較高,相差不大,故為了同時(shí)保證光譜反演的準(zhǔn)確度和實(shí)時(shí)性,選用10 bit位深,在下面的實(shí)驗(yàn)中也將進(jìn)一步進(jìn)行比較分析。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及分析

為了更好地對(duì)待測(cè)光的光譜分布進(jìn)行反演,采用MATLAB對(duì)同一組干涉條紋進(jìn)行分析,從而進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)中采用850 nm半導(dǎo)體激光器作為光源,Virtex-2系列FPGA處理系統(tǒng)、干涉棱鏡等。采集得到的靜態(tài)干涉條紋如圖4(a)所示,由MATLAB對(duì)該干涉條紋進(jìn)行傅氏變換得到的實(shí)、虛部分布圖如圖4(b)所示。

圖4 干涉條紋數(shù)據(jù)及MATLAB仿真結(jié)果

再采用本系統(tǒng)模塊對(duì)相同的干涉條紋數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,并且分別采用8 bit、10 bit和12 bit位深的進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同位深條件下的數(shù)據(jù)累加結(jié)果

由圖5可以看出,隨著位深設(shè)置的增大,FFT后的峰峰值振幅也隨之增大,信噪比增強(qiáng),當(dāng)位深增大時(shí),中心波長峰峰值銳化以及半寬變窄;而3種情況下雖然波形有所變化,但是中心波長位置是不變的,說明位深增大使信號(hào)產(chǎn)生疊加效果,從而提高了信噪比,但對(duì)波長分辨率沒有影響,這里波長分辨率主要由靜態(tài)干涉棱鏡等效傾角決定;為了提高信噪比可以適當(dāng)?shù)脑龃笪簧?但是隨著位深的增大也帶來了一定的問題,位深越大系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量越大,處理速度越慢,大大影響了實(shí)時(shí)測(cè)試的能力,所以在實(shí)際選擇位深過程中我們采取較為折中的方法,在比較了8 bit、10 bit和12 bit的結(jié)果后,采用了10 bit作為硬件編程設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。最終,通過光譜標(biāo)定完成光譜分布的重建,結(jié)果如圖6所示。

圖6 655 nm激光光譜分布圖

在圖6中對(duì)于同一組干涉條紋數(shù)據(jù),圖6(a)為MATLAB的測(cè)試結(jié)果,圖6(b)為本系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果。兩種方法得到激光光譜的中心波長均是655 nm處,但光譜形態(tài)有所差異,傳統(tǒng)的MATLAB反演方法得到的結(jié)果低頻噪聲相對(duì)較大,峰值值較低;相比之下,本系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果獲得疊加效果可以使光譜峰峰值更大,提供更好的信噪比,而其他波長位置處的噪聲也明顯低于前者,僅在中心波長附近處有所增大,但也小于前者。由此可見,本系統(tǒng)的光譜反演效果優(yōu)于傳統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)方法,同時(shí)還滿足快速實(shí)時(shí)處理的設(shè)計(jì)需要,具有一定的實(shí)用意義。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于快速光譜采集與處理的結(jié)構(gòu),同時(shí)完成了與其相配套的高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),該系統(tǒng)由FPGA控制實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)靜態(tài)干涉條紋的高速處理,采用了硬件編程的方式完成累加與蝶形運(yùn)算,最終通過光譜標(biāo)定實(shí)現(xiàn)光譜分布的重現(xiàn)。采用Moswlaim完成了采集與光譜復(fù)現(xiàn)的仿真分析,還與MATLAB軟件光譜重建進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果顯示,該系統(tǒng)可以更好地完成光譜分布的重建,同時(shí),其運(yùn)算速度快,適用于高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

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