基于DSP的多光谱数据处理系统设计与实现

基于DSP的多光谱数据处理系统设计与实现
张小燕
【摘要】为了实现对多光谱数据同时且高速的数据处理,设计了一种基于DSP的多光谱数据处理系统及其校正算法.系统由激光光源、干涉棱镜、线阵CCD、基于TMS-6415型DSP的处理电路等构成.实验对638 nm、655 nm和660 nm 3组激光进行光谱分析,首先对干涉条纹快速采集并滤波,然后通过Mertz法实现3组光谱的相位校正,从而保证3组激光光谱分析的精度.实验结果与Q8344A型光谱仪的测试数据进行对比,中心波长测试结果误差为±0.3 nm,光谱分布与标准谱基本一致且其信噪比更高.由此可见,系统可同时完成多光谱数据的快速反演,具有一定应用价值.
【期刊名称】《红外技术》
【年(卷),期】2018(040)006
【总页数】6页(P545-550)
【关键词】光谱处理系统;DSP;多光谱区分;相位标定
【作者】张小燕
【作者单位】北京工业职业技术学院电气与信息工程学院,北京100042
【正文语种】中文
【中图分类】TN911
随着光谱技术的不断发展，其已在航空航天、化学化工、光学分析等众多领域中广泛应用[1]，而不同领域对于光谱分析能力的要求也越来越高，例如需要更高的光
谱分辨率、更快的数据处理速度、多光谱同时处理能力等[2-5]。

而对于多光谱同
时处理能力的应用要求最为广泛，因为在很多测试领域中均存在需要分析的光谱特征是非单一光谱特性的问题，所以，需要系统具备同时输出多个特征光谱分布的能力，即具备分别完成不同特征光谱相位标定，避免光谱混叠的能力。

对于光谱分析设备而言，大致可为光栅衍射型、双光束干涉型、多光束干涉型等[6-9]，由于本文主要针对拟应用于户外工作条件下的光谱数据快速处理，所以主
要针对具备高光通量、高稳定性的干涉系统，例如迈克尔逊干涉仪、傅里叶变换干涉仪等[10]。

在本系统中采用的是傅里叶变换干涉型，因为该种静态结构形式光通量大、稳定性好；由于该系统处理数据量较小，同时与旧系统需要进行数据匹配，故处理器采用了DSP6415，其干涉条纹由CCD采集，从而反演得到其光谱分布。

但由于静态干涉棱镜的尺寸结构是固定的，所以对于不同波长的相位误差略有差异，此差异会影响反演后光谱分布的形态，造成信噪比降低。

为了提高多光谱分布数据的反演精度，本文设计了一种同时为多光谱反演提供有效相位校正的算法，该算法是基于Mertz法[11-13]实现的，在相位标定之前先完成不同周期特征数据的分离再通过不同的相位调制参数对多个光谱特征进行校正，最后，结合DSP实现了高
速的光谱数据输出。

系统整体结构如图1所示，通过光学接收模块将入射光采集到系统光学通道中，
经准直系统将光路进行准直从而保证干涉效果。

当准直后的光信号进入静态傅里叶干涉具后，入射光被分束镜分为两束能量相等的光，再分别透射和反射至出射面，由于其中一个反射面存在一定的倾角所以两束光存在光程差，故在CCD上能够形成干涉条纹。

将线阵CCD中的干涉条纹采集到DSP后，经过DSP进行光谱数据分析，分析主
要分为：相位校正和光谱反演。

首先，由于静态傅里叶干涉具的尺寸及倾角都是固定的，所以对于不同中心波长的入射光而言其产生的相位误差不尽相同，在进行光
谱还原的过程中采用分离校正的形式才能更好地保证光谱信息准确性；其次，当完成相位调制后，采用傅氏变换将空间干涉条纹转换为频域信息从而形成光谱分布数据，最终，DSP的光谱数据通过USB传输至电脑，然后由电脑中自主编制的光谱软件完成光谱分布的显示。

干涉条纹采集与处理模块是该技术的核心部分，干涉条纹的采集、滤波、分离与光谱数据重建均需要在片上实现，TMS-6415DSP控制系统如图2所示。

因为线阵CCD对应的Camera-Link接口信号为LVDS信号，与DSP不能直接通讯，所以，将加入DS90CR286完成电平转换，然后再与DSP的EMIF数据总线
通讯，此时，DMA将源地址定义为外部存储地址。

CCD采集的数据暂存在SDRAM中，最终通过DSP内核实现数据的处理。

此设计不用增加FIFO结构实
现数据缓冲，也不需要附加额外的时间，就能实现数据的高速采集，结构简单，实时性高，接口形式如图3所示。

光谱获取是整个处理过程中最重要的步骤。

通过频谱复原可以将干涉条纹信号转换为光谱分布信息。

对于本系统而言，干涉图对应的光强分布有：
式中：v表示波数；x表示位置。

其傅氏变换后得到光源功率谱分布有：
以上变换就是将虚部为0的复数完成的傅氏变换，符合采集数据无虚数的要求。

经采样后，干涉条纹信息成为了实序列数据，将此离散数据进行快速傅里叶变换（FFT）后，可以得到相应的光谱分布信息，当此时的光谱分布由于存在相位位置和零光程差偏移所以还需要进行相位校正和中心波长标定等处理。

设相位误差为q(s)，则不同中心波长对应的相位误差可设为q1(s), q2(s), …, qx(s)，则包含相位误差的干涉条纹信号可表示为：
其对应的谱信息可表示为：
由此可见，在式(4)中真的光谱数据与式(2)中的光谱数据表达形式基本相似，差异在多了一个相位项，而该相位项是虚函数，所以并不对光谱信息造成影响，仅仅改
变了相位，所以下面仅需要对不同条件下的相位误差进行校正即可。

Mertz法常被用于频谱的相位校正，其比较适合线性的相位误差，而不同中心波长激光的误差偏移量在一定范围内是符合线性特性的。

并且该种算法简单，采用DSP高速实现是可行的。

但由于该算法采用零光程点替换真实光程点，所以在静态傅里叶变换干涉系统中容易造成光谱变形，故在本系统中对其进行了优化，即采用包含了零光程差中心的干涉条纹实现相位误差校正，这样正误差与负误差可以基本抵消，提高光谱反演精度，其步骤有：
①循环检测干涉条纹数据中的最大值点；
②以最大值点位置为中点，对两边数据值进行NUFFT运算，获得实部Re(s)和虚部Im(s)，则其相位误差可表示为：
③在整个的干涉数据中进行插值补零，得到新数据组后，通过干涉条纹间距判断零光程差位置，以此位置选取两侧等长度干涉条纹段，从而再次获得修正后的相位误差q1(s)。

则最后校正后的频谱为：
由此可见，采用该算法主要针对由于零点偏移造成的相位误差，而这与不同中心波长位置不同所造成的相位误差的机理是一致的。

同时，该算法仅需完成两次FFT、插值及乘法运算，所以速度很快，大大保证了系统的实时性。

实验采用TMS-6415型DSP作为核心处理芯片，通过自己搭建基于DSP的最小工作系统完成对光谱数据的获取（TMS-6415DSP的主要技术指标包括：主频500MHz，高速缓存1024kB，数据处理过程中调用了DSP/BIOS中API函数完成中断数据的管理），探测器采用Atmel公司AViiVA-M2型CCD，其光谱响应范围为250～1100nm，像元数为1024，像元尺寸为14mm×14mm。

测试激光分别采用中心波长为638nm、655nm和660nm的半导体激光器，实验结果与Q8344A型光谱仪的测试结果进行对比。

实验测试系统如图4所示。

CCD采集到的干涉条纹中存在噪声，其中包括背景光噪声与热噪声，背景光噪声
主要指太阳光，而热噪声主要是CCD探测器内部发热产生，其中背景光噪声的强度远大于热噪声，所以主要针对背景光噪声进行滤波处理。

背景光噪声一般是缓变信号，因为太阳光在CCD采集时间内基本上是相对稳定的，所以也可以看作是对数据中的直流噪声进行消除；同时，干涉信号中还会混叠一定的散斑噪声，而相比干涉信号而言，散斑噪声属于高频信号，故采用低通滤波器可以实现有效滤波，在本系统中，采用移动均值滤波法实现（其中如果采用简单的FIR滤波也能实现，但是如果采用移动均值滤波可以完成对新数据的处理，提高系统的稳定性），对信号中的每个像元k进行处理，选取它的邻域Qk，设Qk中有
N个像元，求平均后取代原有像元的灰度值，如果出现像元数据更新以最近一次
的数据取代最早一次的数据。

原始干涉条纹信号如图5(a)所示，采集至DSP后数
据如图5(b)所示，滤波后数据如图5(c)所示。

为了实现激光干涉条纹的多光谱同时数据处理，实验采用了3个不同中心波长半
导体激光器同时入射系统，在CCD上得到的是混叠后的干涉条纹图像，在DSP
处理中完成对不同周期特性的数据提取，然后分别进行相位校正处理，最终，将多光谱分布数据显示。

基于此条件下的混叠干涉条纹如图6(a)，未分离校正条件下
得到的光谱分布如图6(b)，图6(b)表示空间干涉条纹通过傅氏变化转换成的光谱
分布关系，说明系统可以有效地完成光谱数据的复原。

由于不同光波长对应的信息是不同的，所以，通过不同频率的采样就能实现不同波长光信号的数据分离和提取。

经分离校正后重新显示的多光谱数据分布如图7(a)，用Q8344A型光谱仪对同一组干涉条纹的测试结果如图7(b)，进而实现对本系统
多光谱数据测试性能的对比分析。

由图7(a)和图6(b)的对比可以明显看出，未经分离数据处理及相位校正的光谱分
布数据旁瓣突出，使3个中心波长的信噪比大大降低，而校正后的光谱随绝对振
幅值有所降低，但是其3个中心波长主峰十分明显，信噪比得到了大幅改善。

与
Q8344A型光谱仪的测试数据可知，系统的中心波长测试精度如表1所示。

由表1可知，采用本算法进行分离处理并通过Mertz法完成相位标定后的测试数据具有很高的信噪比，其中心波长测试精度优于±0.3nm。

并且当多个不同中心波长入射系统时，采用先分离再相位校正最后分别标定的方式可以完全实现对多光谱数据同时处理的设计要求，并在TMS-6415型DSP芯片上实现了在片处理，同时处理4路数据信号，每组数据的采样点数是2048点，符合多光谱数据实时处理的设计要求。

本文针对光谱分析系统中可能出现多光谱数据同时处理的问题，设计了一种基于DSP的多光谱数据处理系统，其中包括高速数据采集硬件电路的设计，相位校正算法设计以及多光谱反演等。

系统通过实验完成了对中心波长为638nm、655nm 和660nm三组激光的同时光谱分析，实验结果显示，本系统可以实现高速采集与识别，同时在本算法的校正下，中心波长的位置误差小于±0.3nm，且具有较高的信噪比，具有一定应用价值。

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