面陣傅里葉變換太陽光譜儀高速采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

朱曉明，白先勇*，林佳本，段 帷，張志勇，馮志偉，鄧元勇，楊 瀟，黃 威，胡 興

1.中國科學(xué)院國家天文臺，北京 100101 2.中國科學(xué)院太陽活動重點實驗室，北京 100101 3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

引 言

太陽光譜觀測是診斷太陽大氣磁場和熱力學(xué)參數(shù)的主要手段[1-2]，光柵光譜儀和傅里葉變換光譜儀(FTS)[3]是高分辨率光譜觀測最常用的兩種分光設(shè)備。相比光柵光譜儀，F(xiàn)TS具有寬波段、高靈敏度、高光譜分辨率的優(yōu)勢，其在太陽觀測中具有自身特色[4]。早在20世紀(jì)70年代，人們就認(rèn)識到FTS在太陽觀測的價值，美國國立太陽天文臺著名的McMath-Pierce望遠(yuǎn)鏡、ATMOS衛(wèi)星、加拿大的ACE-FTS衛(wèi)星[5-6]，都采用FTS進(jìn)行過多年太陽光譜觀測，取得了眾多科學(xué)成果[4，7-16]。

限于當(dāng)時技術(shù)水平，F(xiàn)TS只能實現(xiàn)點源光譜觀測，觀測效率較低。遵循太陽觀測“點→線→面”的辯證發(fā)展規(guī)律，我們認(rèn)為FTS下一步的發(fā)展方向即從點源擴(kuò)展到線源乃至面源，以更好滿足太陽磁場和磁活動短時標(biāo)演化觀測研究需求。自2015年起，國家天文臺承擔(dān)了國家基金委重大科研儀器研制(部門推薦)項目、同時也是我國天文領(lǐng)域首個中紅外望遠(yuǎn)鏡——“用于太陽磁場精確測量的中紅外觀測系統(tǒng)”(AIMS)的研制[17]。為獲得10～13 μm高分辨率太陽光譜，AIMS采用線源(64×2)傅里葉變換光譜儀，并可以通過視場掃描實現(xiàn)二維面源觀測。

從光學(xué)設(shè)計角度，傅里葉變換光譜儀具備面源觀測視場，限制其從點源擴(kuò)展到面源視場的主要因素是探測器、視場效應(yīng)等。近年，隨著CMOS圖像傳感器技術(shù)迅猛發(fā)展，在可見光和近紅外波段，探測器面陣大小和幀頻相比傳統(tǒng)CCD探測器有了質(zhì)的提升，性能也越來越好，使得面陣傅里葉太陽光譜儀研制成為可能。

基于國家天文臺懷柔太陽觀測基地的布魯克IFS-125HR傅里葉變換光譜儀，以可見光色球譜線(Hα 656.3 nm)及其附近光球譜線為目標(biāo)波長，引入高幀頻面陣CMOS圖像傳感器，試圖搭建一套面陣傅里葉太陽光譜儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并開展面源太陽光譜探測，以驗證面陣傅里葉變換光譜儀在太陽觀測中的可行性。通過本工作，一方面可以為AIMS后續(xù)從線源擴(kuò)展到面源觀測積累經(jīng)驗；另一方面可為后續(xù)可見光和近紅外波段面源傅里葉變換太陽光譜儀研制夯實技術(shù)基礎(chǔ)。

1 實驗部分

1.1 面陣傅里葉變換太陽光譜儀原理

面陣傅里葉變換光譜儀能夠同時獲得觀測目標(biāo)的兩維空間信息和一維光譜信息，獲得的二維圖像中，每個像元都可以提取出一條寬波段光譜[18-19]。目前，時間調(diào)制型傅里葉光譜儀可以有效實現(xiàn)面源成像光譜觀測，圖1顯示了面陣傅里葉變換光譜儀的基本原理。望遠(yuǎn)鏡將收集到的太陽輻射經(jīng)準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直后進(jìn)入干涉儀系統(tǒng)——邁克爾遜干涉儀(主要由分束器、動鏡和定鏡組成)，經(jīng)分束器一分為二，分成振動頻率完全相同的兩束光，兩束光分別經(jīng)動鏡、定鏡反射后返回到分束器，經(jīng)分束器反射和透射后，產(chǎn)生相互干涉，并成像在第二像面。而干涉系統(tǒng)中動鏡的移動會使兩束相干光的光程差L產(chǎn)生變化，從而在探測器上將記錄一系列不同光程差的干涉像。假設(shè)準(zhǔn)直光束為單色光束，入射光源強(qiáng)度B與干涉強(qiáng)度I′關(guān)系可表示為[3]：

(1)

式(1)中，σ為波數(shù)，L為產(chǎn)生相互干涉的兩束光的光程差。由式(1)可知，像面上的干涉信號由直流分量和交流分量組成，其中與光程差相關(guān)的交流分量反映了觀測目標(biāo)的光譜特征，稱為干涉圖函數(shù)，即

(2)

對式(2)進(jìn)行余弦傅里葉變換，即可得到目標(biāo)輻射光譜圖

(3)

由式(3)及傅里葉變換理論可知，F(xiàn)TS的高分辨率取決于最大光程差L，即與動鏡的移動距離有關(guān)。理想情況下，動鏡可以移動無限遠(yuǎn)距離，但在實際工程應(yīng)用中，動鏡的移動距離不可能是無限的，干涉信號的測量與變換只能在有限光程差區(qū)間[-L，+L]上完成，因此實際復(fù)原光譜圖可表示為

(4)

同時，實際采樣過程是離散的，則式(4)可改寫為

(5)

式(5)中，I(Ln)為在Ln的光程差處獲得的干涉圖，B(σj)為在波數(shù)σj的目標(biāo)輻射實際光譜圖，N為采集次數(shù)。

圖1 面陣傅里葉變換太陽光譜儀基本原理

1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點

表1列出了面陣傅里葉變換太陽光譜儀采集系統(tǒng)原理樣機(jī)的科學(xué)指標(biāo)需求。根據(jù)面陣傅里葉變換光譜儀的儀器原理，高質(zhì)量干涉信號的獲得及后續(xù)光譜反演算法都要求對目標(biāo)輻射干涉信號進(jìn)行等光程差間隔采樣[20]。20世紀(jì)60年代，法國人柯勒斯(Connes)提出在目標(biāo)輻射光路中引入穩(wěn)頻激光器(如He-Ne激光)，將經(jīng)傅里葉變換光譜儀調(diào)制后的激光余弦干涉信號作為高精度采樣參考，來觸發(fā)探測器對目標(biāo)輻射干涉像進(jìn)行等光程差間隔采樣[21]。其中等光程差采樣間隔應(yīng)滿足

(6)

式(6)中，νmax表示被測光譜區(qū)間的最大波數(shù)，λmin表示被測光譜區(qū)間的最小波長。本文利用國家天文臺懷柔太陽觀測基地的布魯克IFS-125HR傅里葉變換光譜儀設(shè)計觀測系統(tǒng)，觀測目標(biāo)譜線為Hα寬色球線，波長λHα=656.3 nm，參考激光采用He-Ne激光，波長λHe-Ne=632 nm。因IFS-125HR動鏡最小掃描速度為5 kHz(余弦信號周期)，根據(jù)式(6)，觀測系統(tǒng)采樣間隔應(yīng)為激光參考余弦信號1/2周期，對應(yīng)探測器幀頻應(yīng)≥10 kHz。意味著面陣傅里葉變換太陽光譜儀在1 s時間內(nèi)需采集萬余幀干涉像，進(jìn)而才能反演獲得光譜圖。可見，其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有觸發(fā)頻率高、采集速度快、數(shù)據(jù)量大的特點。

表1 面陣傅里葉變換太陽光譜儀采集系統(tǒng)基本指標(biāo)需求

1.3 高速觸發(fā)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

面陣傅里葉變換太陽光譜儀具有高幀率、大數(shù)據(jù)量的顯著特點。因此，實現(xiàn)面陣傅里葉變換太陽光譜儀大量干涉數(shù)據(jù)的高速、連續(xù)、實時采集存儲成為其研制成功的關(guān)鍵技術(shù)之一。在1.2節(jié)對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo)科學(xué)分析的基礎(chǔ)上，我們開展了面陣傅里葉變換太陽光譜儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計。圖2顯示了面陣傅里葉變換太陽光譜儀數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計方案框架。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由過零觸發(fā)模塊、CMOS相機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、高速存儲介質(zhì)等硬件及數(shù)據(jù)采集控制軟件組成。首先過零觸發(fā)模塊對經(jīng)傅里葉變換光譜儀調(diào)制后的參考激光干涉信號進(jìn)行精確的過零點檢測，進(jìn)而產(chǎn)生脈沖觸發(fā)信號，觸發(fā)CMOS相機(jī)進(jìn)行等光程差間隔采樣，數(shù)據(jù)采集卡則將采集到的干涉圖數(shù)據(jù)，傳輸至數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)進(jìn)行實時存儲，而數(shù)據(jù)采集控制軟件則對整個采集流程進(jìn)行控制。

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案框架

1.3.1 快速過零觸發(fā)模塊

為減少動鏡掃描過程中運動速度不均勻帶來的光譜誤差，實現(xiàn)高精度等光程差采樣間隔，面陣傅里葉變換太陽光譜儀采用He-Ne穩(wěn)頻激光干涉信號作為參考信號，來觸發(fā)面陣探測器對目標(biāo)輻射進(jìn)行干涉圖采樣。圖3顯示了He-Ne激光過零觸發(fā)的工作原理。

圖3 He-Ne激光過零觸發(fā)工作原理

He-Ne激光經(jīng)傅里葉變換光譜儀調(diào)制，得到含有直流分量的余弦激光干涉信號；經(jīng)前處理，濾除直流分量，得到He-Ne激光干涉信號的交流余弦信號；然后經(jīng)電壓比較器進(jìn)行過零檢測，產(chǎn)生同頻方波信號；同時進(jìn)一步將方波信號整形為過零脈沖觸發(fā)信號，以實現(xiàn)探測器對目標(biāo)輻射干涉信號的觸發(fā)采集。而過零脈沖信號的間隔對應(yīng)于目標(biāo)輻射干涉信號的等光程差間隔，從而實現(xiàn)目標(biāo)輻射的等光程差間隔采樣。

圖4為過零檢測觸發(fā)模塊核心電路設(shè)計圖。R4和C6組成的高通濾波電路，濾除<200 Hz直流干擾信號；以LM311為主檢測芯片，對激光干涉交流信號中的過零點信號進(jìn)行檢測，獲得同頻方波信號；為滿足實驗系統(tǒng)選用的2M360MCL型號CMOS相機(jī)觸發(fā)采集需求，74LS121、74LS32對方波信號進(jìn)一步整形，產(chǎn)生5.2 V、9 mA，頻率f=10 kHz，脈寬2.7 μs的精確過零脈沖觸發(fā)信號，用于觸發(fā)探測器采集目標(biāo)輻射干涉信號。圖5顯示了示波器捕獲的模塊產(chǎn)生的實測觸發(fā)脈沖信號。其中藍(lán)色線條正弦波為經(jīng)傅里葉變換光譜儀調(diào)制后的參考激光干涉信號，黃色線條脈沖波為脈沖觸發(fā)信號，可以看到示波器監(jiān)控的觸發(fā)脈沖頻率可達(dá)10 kHz，滿足采集系統(tǒng)觸發(fā)需求。

1.3.2 CMOS相機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡及高速存儲介質(zhì)

CMOS相機(jī)采用現(xiàn)有的加拿大IO公司生產(chǎn)的2M360MCL相機(jī)，其光譜范圍為400～800 nm，像元大小5.5 μm×5.5 μm, 最大面陣大小2 050×1 088，具備自由開窗及外部觸發(fā)采集等功能。2M360MCL相機(jī)最大幀頻與開窗大小、曝光時間、單像素位數(shù)都有關(guān)。在10×8 bit數(shù)據(jù)格式，開窗20×80模式下，理論幀頻可達(dá)11 kHz左右，滿足系統(tǒng)對探測器幀頻指標(biāo)需求。

數(shù)據(jù)采集卡采用Teledyne Dalsa公司的X64 Xcelera-CL PX4采集卡，該采集卡配備128M板載緩存，使用雙通道Camera Link進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，最大采集速度達(dá)680 MB·s-1，可有效兼容2M360MCLCMOS相機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集傳輸。

根據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)需求，探測器采集幀率≥10 kHz，每秒將采集萬余張干涉圖，意味著系統(tǒng)需對高達(dá)>400 MB·s-1的數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)、實時存儲。基于采集系統(tǒng)對存儲速度、容量的需求，結(jié)合經(jīng)濟(jì)成本考慮，采用磁盤陣列(RAID)技術(shù)，將2塊500 GB固態(tài)硬盤(SSD)組成磁盤陣列，作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)高速存儲介質(zhì)。為充分發(fā)揮SSD存儲性能, 在RAID級別上采用RAID 0。利用CystalDiskMark軟件對該存儲硬件方案進(jìn)行連續(xù)讀寫速度測試，連續(xù)寫入速度可達(dá)762 MB·s-1。

圖4 過零檢測觸發(fā)模塊核心電路設(shè)計圖

圖5 實測脈沖觸發(fā)信號

1.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件

針對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)高速、連續(xù)、實時采集存儲特點，在采集系統(tǒng)軟件設(shè)計上，采用環(huán)形緩沖區(qū)、多線程等技術(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、存儲、控制、監(jiān)視等一系列功能。同時在程序架構(gòu)設(shè)計上，運用模塊化設(shè)計思想，使采集軟件具有一定的通用性和擴(kuò)展能力，以滿足后續(xù)在類似硬件條件下，兼容更大面陣探測器。圖6顯示了數(shù)據(jù)采集流程。

圖7顯示了設(shè)計完成的數(shù)據(jù)采集控制軟件操作界面，軟件包括圖像顯示區(qū)、相機(jī)控制區(qū)、采集設(shè)置區(qū)、采集控制區(qū)及信息顯示區(qū)?？蓪崿F(xiàn)串口通訊、相機(jī)控制、緩沖區(qū)配置、圖像顯示、系統(tǒng)信息顯示、采集控制、數(shù)據(jù)存儲等各項功能。

圖6 數(shù)據(jù)采集流程圖

2 結(jié)果與討論

首先利用實驗室光源開展了系統(tǒng)集成和測試。圖8顯示了面陣傅里葉變換太陽光譜儀實驗整體方案。以布魯克IFS-125HR傅里葉變換光譜儀為主實驗平臺，將CMOS相機(jī)置于IFS-125HR樣品倉中；參考激光經(jīng)IFS-125HR調(diào)制，產(chǎn)生激光干涉信號；過零觸發(fā)模塊對獲得的激光干涉信號進(jìn)行快速精確識別，并產(chǎn)生脈沖觸發(fā)信號，觸發(fā)CMOS相機(jī)對目標(biāo)輻射干涉信號進(jìn)行等光程差間隔采樣，同時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將獲得的目標(biāo)輻射干涉信號數(shù)據(jù)實時存儲于觀測系統(tǒng)計算機(jī)中。

圖7 數(shù)據(jù)采集控制軟件操作界面

圖8 面陣傅里葉變換太陽光譜儀實驗系統(tǒng)示意圖(IFS125儀器圖來至其說明手冊)

實驗室測試中光源采用IFS125-HR內(nèi)部鎢燈光源，為進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)信噪比，同時選出科學(xué)需求的目標(biāo)譜線，在CMOS相機(jī)前放置窄帶濾光片(中心波長656 nm，帶寬20 nm)。CMOS相機(jī)觸發(fā)模式采用外部脈沖上升沿高電平觸發(fā)，探測器開窗80×20像素大小。在采集過程中模擬、數(shù)字增益分別設(shè)為X1及1，因內(nèi)部鎢燈光源光強(qiáng)相對較強(qiáng)，而探測器數(shù)據(jù)位數(shù)較低，為避免采集數(shù)據(jù)過飽和，綜合測試，將曝光時間設(shè)定為31 μs。

Hα譜線中心波長656.3 nm，對應(yīng)波數(shù)單位為15 236 cm-1。表1要求Hα光譜分辨率需優(yōu)于0.1 nm，對應(yīng)2.3 cm-1。假設(shè)干涉圖處理時采用三角切趾，需要的最大掃描光程差為0.9/2.3=0.39 cm。觀測時，傅里葉光譜儀最大光程差設(shè)為0.9 cm，實際采集從-0.9 cm到0.9 cm，對應(yīng)光譜分辨率0.043 nm/656.3 nm。按照326 nm采集間隔，需要采集幀數(shù)為55 214幀，探測器幀頻10 kHz，單次采集時間為5.5 s，優(yōu)于科學(xué)指標(biāo)40 s時間分辨率。為提高信噪比，我們采用多次測量疊加方式，共測量284次。

圖9(a)顯示了鎢燈光源下，在零光程差處，探測器獲得的80×20大小二維圖像。為避免因動鏡正反方向運動帶來的數(shù)據(jù)反向，對第偶數(shù)次掃描干涉數(shù)據(jù)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，將翻轉(zhuǎn)后的掃描干涉數(shù)據(jù)以零光程差處為基準(zhǔn)進(jìn)行對齊。圖9(b)顯示了單次掃描過程中，單個像元在零光程差附近的干涉圖；圖9(c—f)分別為圖9(a)四角處像元干涉圖(像元坐標(biāo)分別為(0，0)，(0，79)，(19，0)和(19，79)，其中圖像左上角像元為坐標(biāo)0點)。

圖9 實驗系統(tǒng)獲得的鎢燈光源二維圖像和干涉圖

由于實際應(yīng)用時，儀器光路、電路元器件以及不均勻采樣等因素的影響，會導(dǎo)致干涉圖產(chǎn)生相位偏差。即

(7)

(8)

(9)

圖10(a—d)分別顯示了圖9(c—f)干涉圖經(jīng)去除直流分量、傅里葉變換、相位校正后的光譜圖。可以看到，試驗系統(tǒng)成功采集到656 nm附近的連續(xù)譜，證明實驗系統(tǒng)設(shè)計及各項功能有效、可靠。

圖10 圖9(c—f)反演獲得的656 nm附近單像素連續(xù)光譜圖

外場實驗中，利用懷柔太陽觀測基地60 cm望遠(yuǎn)鏡及為FTIR設(shè)計的專用引光光路，將太陽光引入IFS-125HR。為提高信噪比及獲得656 nm附近目標(biāo)光譜，仍然選用窄帶濾光片(中心波長656 nm，帶寬40 nm)，曝光時間設(shè)為42 μs。數(shù)據(jù)采集過程與實驗室鎢燈光源測試條件一致。圖11(a)為獲得的零光程差處80×20像素二維觀測圖像。圖11(b)顯示了經(jīng)翻轉(zhuǎn)、對齊處理后，獲得的單像元在零光程差附近的干涉圖；圖11(c—f)分別為圖11(a)四角處像元的干涉圖(像元坐標(biāo)分別為(0 0)，(0 79)，(19 0)和(19 79)，其中左上角像元為坐標(biāo)0點)。

圖11 實驗系統(tǒng)獲得的太陽二維圖像和干涉圖

為進(jìn)一步提高成像光譜圖信噪比，對經(jīng)去除直流分量、傅里葉變換、相位校正后獲得的光譜數(shù)據(jù)，分別在空間上(4×4像素)、時間上(271次掃描)進(jìn)行積分。圖12(a—d)分別顯示了圖11(a)四角處像元干涉圖在空間、時間上積分，并進(jìn)行歸一化處理后獲得的太陽光譜圖。我們發(fā)現(xiàn)反演得到的Ha色球譜線波數(shù)位置與理論值(15 236 cm-1)存在一定偏差。為評價采集太陽光譜效果，我們采用交叉定標(biāo)方式，將得到的太陽光譜與美國國立太陽天文臺NSO的FTS(卷積為本文儀器分辨率)的標(biāo)準(zhǔn)光譜進(jìn)行了比較。圖12(a)紅線為歸一化處理后的NSO太陽光譜，將NSO的太陽光譜與我們[圖12(a)藍(lán)線]觀測到太陽光譜經(jīng)對齊、歸一化處理后，進(jìn)行比較。圖中可見，我們成功觀測到面源Ha譜線及周圍弱光球線(光譜信噪比稍低)。

圖12 圖11(c—f)反演獲得的656 nm附近單像素連續(xù)光譜圖及與NSO太陽光譜對比

3 結(jié) 論

隨著探測器技術(shù)迅速發(fā)展，在可見光波段，目前我們已經(jīng)可以獲得高幀頻、大面陣探測器，使得面源傅里葉變換太陽光譜儀的研制具備了可行性。本文從面陣傅里葉變換太陽光譜儀需求出發(fā)，針對其高幀頻、大數(shù)據(jù)量特點，設(shè)計了一套數(shù)據(jù)采集軟硬件系統(tǒng)，實現(xiàn)了對面陣傅里葉變換太陽光譜儀的10 kHz高速觸發(fā)，萬幀/秒快速采集，0.5 GB·s-1大數(shù)據(jù)量存儲功能，并以國家天文臺懷柔太陽觀測基地現(xiàn)有點源傅里葉變換光譜儀為實驗平臺，搭建了可見光實驗驗證系統(tǒng)。以鎢燈和太陽為光源，開展等光程差采樣，獲得了面陣干涉圖，成功反演得到面源實驗室寬帶光譜以及656 nm附近太陽光譜圖(包含Ha譜線及周圍弱光球線)，結(jié)果與相同分辨率國際標(biāo)準(zhǔn)光譜基本一致，驗證了面陣傅里葉變換光譜儀在太陽觀測中的可行性。

限于當(dāng)前實驗條件，我們僅獲得了80×20小面陣寬波段成像光譜圖(IFS-125HR樣品倉光斑大小約80×20像素，所以文中只顯示了80×20面陣大小的干涉圖)。需要指出的是，本文設(shè)計的參考激光過零檢測觸發(fā)系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集軟硬件系統(tǒng)方案可用于更大面陣探測器(如10 kHz幀頻，面陣大小800×600)。因穩(wěn)頻激光器可以實現(xiàn)精確光程差控制，傅里葉光譜儀具備高波長定標(biāo)精度的優(yōu)點。但在圖12中，我們也發(fā)現(xiàn)直接反演Ha色球譜線波數(shù)位置與理論值(15 236 cm-1)存在偏差。傅里葉變換光譜儀光學(xué)、機(jī)械、電子學(xué)等系統(tǒng)都會導(dǎo)致等光程差間隔采樣點偏差，采樣點偏差與光譜測量相對誤差近似線性關(guān)系，隨著采樣點偏差增大反演光譜相對誤差也將增大，而試驗系統(tǒng)基于布魯克IFS-125HR現(xiàn)有光機(jī)電系統(tǒng)，并未針對面源觀測進(jìn)行優(yōu)化，因此，未來還需在過零觸發(fā)模塊觸發(fā)精度上進(jìn)行進(jìn)一步綜合分析研究并改進(jìn)提高。此外，IFS-125HR焦距也未跟望遠(yuǎn)鏡衍射極限進(jìn)行匹配，探測器像素空間分辨率偏高(0.045″)，IFS-125動鏡控制最小速度為5 kHz，單幀干涉圖采集過程中曝光時間較短，導(dǎo)致單次掃描數(shù)據(jù)信噪比較低，這些方面未來仍需改進(jìn)提升。