ba于FPGA的光谱探测实时数据处理系统研究

万方数据
第８期
刘辉志等： 基于ＦＰＧＡ的光谱探测实时数据处理系统研究
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限制，延时长、速度慢，不能满足战场侦察、大气污染物 检测、毒气探测等光谱获取的实时性需要，因此为提高 光谱信息获取速度，研究ＦＰＧＡ硬件实时数据处理方 法具有重要意义”引。
１系统设计
１．１光谱探测系统结构 实时光谱探测系统主要分光路和电路两部分组
频谱分布¨１。
１．３干涉条纹数据整理和切趾
根据傅里叶变换光谱理论，在进行傅里叶变换之
前，由于直流部分为干涉图背景成分，不包含任何信
息，应首先去除干涉图直流成分。对于等间隔离散干
涉图可以采用下式，求出直流分量，：
１兰
，＝音＞２，（ｉ·ａｘ）
（８）
１Ｖ甬
式中：Ｊ７ｖ为数据采样点数；Ａｘ为采样间隔。
然后利用下式去除干涉条纹的直流分量，获得相
（２）
则干涉后的光强为
／（ｚ）＝４Ｉｏｃｏｓ２（丌必）＝２１０（１＋ｃｏｓ（２１ｒｖＡ））
（３）
由于只有交流部分含有有效的光谱信息，干涉图
背景成分。即直流部分不包含任何信息，可忽略不计。
由于存在非理想因素故加入校正因子，若每条光束的
光谱分布为厶（／３），则光束经过Ｍ—ｚ干涉具后输出的 干涉强度为
Ｌ（△）＝２，（”）ｔｏ（ｔ，）ｃｏｓ（２１ｒｖＡ）
Ｉｎｐｕｔ ｄａｔａ Ｃｈｉｐ ｔｙｐｅ Ｗｏｒｋ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｕｓｅ ｌｏｇｉｃ Ｕｎｉｔ Ｕｓｅ ＢＲＡＭ
１ ０２４ｐｏｉｎｔ·１６ｂ ＸＣ２ＶＰ３０
１００ ＭＨｚ
１４ ８９０
２２
３实验结果与谱线标定
３．１实验结果 为验证数据处理系统１ ０２４点基２－Ｆ胛模块实际
计算结果是否正确，在实验室里进行了验证实验。实 验中采用波长６３５ ｎｍ激光器照射干涉具，在ＣＣＤ探测 器上形成干涉条纹，把经过处理后的干涉条纹数据经 过Ｍａｔｌａｂ７．４进行二维图形分析如图４所示。理论计 算该干涉条纹的１ ０２４点基２一Ｆ丌频谱分布信息如图 ５所示。从图中可以看出，理论峰值点坐标分别为 （１１７，５０．７５），（９０９，５０．７５），其横坐标代表干涉条纹 个数，纵坐标代表能量，两峰值点是对称关系。
涉条纹。两束光的振幅表示如下：
ｈ（△）＝瓶ｏｓｉｎ（ｔｏｔ）
…
【Ａ２（△）＝√，０ｓｉｎ（ｔｏｔ＋２１ＴＶＡ）
其中：△为光程差；２ｒｒｖＡ为相位差；∥为人射光源频率；
∞为入射角与横切轴的夹角。干涉光的振幅可表示为
Ａ（Ａ）＝Ａｌ（△）＋Ａ２（△）＝√佤ｓｉｎ（ｔｏｔ）＋压ｏｓｉｎ（ｔｏｔ＋
２ＴｒｖＡ）＝２√，ｏｃｏｓ（剃）缸ｓｉｎ（ｔｏｔ＋竹以）
（４）
令Ｅ（∥）＝２Ｊ（ｔ，），０（ｔ，），则上式变为
Ｌ（△）＝Ｅ（移）ｃ０８（２１ｒｖＡ）
（５）
由于干涉信号为各频率成分干涉信号的叠加，因此在
连续光入射时，干涉结果呈现积分效应：
●∞
Ｌ（△）＝Ｉ Ｅ（口）ｃｏｓ（２７ｒｖＡ）ｄ移
（６）
Ｊ０
式中：Ｌ（△）为干涉强度随光程差变化的函数；Ｅ（＂）为
光谱强度随波数变换的分布函数。
文章编号：１６７ｌ一６３７Ｘ（２０１０）０８—００７８—０５
ＦＰＧＡ Ｂａｓｅｄ Ｒｅａｌ—Ｔｉｍｅ Ｄａｔａ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ
ＬＩＵ Ｈｕｉｚｈｉｌ，ＺＨＡＮＧ Ｊｉｌｏｎ９１”，ＬＩ Ｘｉａ０１，ＷＡＮＧ Ｚｈｉｂｉｎｌ （１，Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｄｙｎａｍｉｃ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，Ｎｏｒｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＣｈｉｎａ，Ｔａｉｙｕａｎ ０３００５１，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｓｈａｎｘｉ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ ｆｏｒ Ｏｐｔｏ—Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，Ｔａｉｙｕａｎ ０３００５１，Ｃｈｉｎａ）
成，在实时探测中，为获取待测光谱信息，建立了Ｍ－ｚ 光学干涉装置，原理框图如图１所示。图中利用Ｍ—Ｚ 干涉具对入射光源信号进行分束后干涉，由聚焦透镜 将干涉具出射的平行光束聚焦在线阵ＣＣＤ探测器感 光单元上，形成明暗相间的干涉条纹ｍ】。每个感光单 元上的亮度被采样和量化，变换为随时间变化的周期 性电压信号，经电平转换后，将这些时间序列电信号输 入ＦＰＧＡ进行ＦＦＴｒ处理，输出的实部虚部数据进行平 方根求模运算，得到光谱信息。系统把最后的光谱信 息通过串口传输到ＰＣ机，从而实时显示探测结果。
系统采用Ｘｉｌｉｎｘ公司软件开发平台ＩＳＥｌ０．１，利用 ＩＰ核设计了１ ０２４点流水线基２－Ｆ盯算法模块，比利用 硬件描述语言编写的处理模块更加方便，逻辑综合生 成模块如图２所示。
系统消耗ＦＰＧＡ芯片ＸＣ２ＶＰ３０硬件资源如表１所
示。 表１实现１０２４点基２－Ｆｚｒ消耗ＸＣ２ＶＦ３０硬件资源
Ｔａｂｌｅ １ ＸＣ２ＶＰ３０ ｒｅｓｏｕｒｃｅ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｉｎ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ １ ０２４·ｐｏｉｎｔ ｒａｄｉｘ ２－ＦＦｒ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｐｅｃｔｒａｌ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ；ｄａｔａ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ；ＦＰＧＡ；ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｌｉｎｅ
ｅａｌｉｂｒａｔｉｏｎ
０引言
随着光谱技术的快速发展，光谱探测在战场侦察、 大气污染物检测、毒气探测等研究领域中有着越来越 重要的应用，其中普遍采用傅里叶变换光谱技术获取
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ｔｈｅ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｍｉｎｇ ｌａｓｅｒ ｉｎ ｗａｒ，ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｐｏｌｌｕｔａｎｔ ａｎｄ ｐｏｉｓｏｎ ｇａｓ，ｅｔｃ．，ａ ｄａｔａ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｆｏｕｒｉｅｒ
第１７卷第８期 ２０１０年８月
电光与控制
Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｏｐｔｉｃｓ＆Ｃｏｎｔｒｏｌ
Ｖ０１．１７ Ｎｏ．８ Ａｕｇ．２０１０
基于ＦＰＧＡ的光谱探测实时数据处理系统研究
刘辉志１， 张记龙１，一，李晓１，王志斌１ （１．中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原０３００５１；
２。山西省光电信息与仪器工程技术研究中心，太原０３００５１）
待测光谱信息¨以】。傅里叶变换光谱技术是通过把干 涉条纹的图像信息转换成离散的数字量，然后再进行 傅里叶变换从而得到相应的光谱信息。因此，光电转 换是傅里叶变换光谱技术的重要环节，数字信号处理 方法是得到光谱信息的必需手段。光谱信号的数字化 和后期数字信号处理在整个光谱探测系统中占有重要 地位。光谱信号采集的好坏直接影响到最终的光谱分 辨率，光谱的探测时间主要由数字信号处理系统决 定¨】。目前实现傅里叶变换主要有软件和硬件两种方 法，由于用软件进行傅里叶变换受到指令周期本身的
从上式可见干涉图与光谱图之间有着傅里叶变换
的关系，因此通过计算Ｌ（△）的傅里叶变换可从干涉
图中得到目标的光谱分布Ｅ（秽）：
，蕾
Ｅ（移）＝ｌ，（△）ＣＯＳ（２，ＴｒｖＡ）ｄＡ
（７）
Ｊ０
这就是傅里叶变换光谱原理。采集得到的干涉条
纹数据经过整理，将线阵探测器像元序号的横坐标看
成时间，进行快速傅里叶变换处理就可得到入射光的
图２ ＦＰＧＡ设计生成的ＦＦｒ模块 Ｆｉｇ．２ ＦＦＴ ｍｏｄｕｌｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂｙ ＦＰＧＡ ２．３ １ ０２４点基２－ＦＦＴ功能仿真 利用ＶｅｒｉｌｏｇＨＤＬ语言编写Ｔｅｓｔｂｅｎｃｈ测试程序，在 Ｍｏｄｅｌｓｉｍ６．３ｆ仿真软件对模块进行功能仿真。芯片时 钟频率为１００ ＭＨｚ时，系统复位后，当耐为高电平时 数据开始进入存储系统；在约５．２炉时，ｂｕｓｙ为高电 平，开始从存储系统中读取数据送人蝶形单元，进行运 算；在约２１．６“ｓ时，ｄｖ变为高电平，蝶形运算完毕，同 时输出第一点ＦＦＴｒ数据，直到ｄｏｎｅ变为高电平时， １ ０２４点Ｆ盯数据全部输完，系统共耗时约３２炉，波形 仿真结果如图３所示。
明，ＦＰＧＡ实际计算ｌ ０２４点基２．ｎ叩频谱分布信息与Ｍａｔｌａｂ理论计算结果相同。当芯片工作在１００ ＭＨｚ时，完成
ｌ ０２４点１６位基２．ＦＦＴ数据处理约需３２妒，满足光谱探测实时数据处理要求。
关键词：光谱探测；快速傅里叶变换；数据处理；ＦＰＧＡ；谱线标定
中图分类号：Ｖ２７１．４；ＴＮ２４７
文献标志码：Ａ
２．１ ＦＰＧＡ芯片 根据ＣＣＤ探测器的像元数个数和精度，本文确定
ＦＰＧＡ进行Ｆ胛数据处理的点数为１ ０２４点与控制
第１７卷
理和节省ＦＰＧＡ芯片逻辑资源压缩成本考虑，系统采 用流水线基２．ＦＦｖｒ算法处理。综上特点，系统选用的 ＦＰＧＡ板卡为Ｘｉｌｉｎｘ公司Ｖｉｒｔｅｘ２．Ｐｒｏ。该板卡主芯片 ＸＣ２ＶＰ３０，支持ＣａｍｅｒａＬｉｎｋ接口标准，可以与ＣＣＤ探 测器接口直接对接，其资源情况如下：有３０ ８１６逻辑单 元，１３６个１８位的乘法器，２ ４４８ ｋｂ的Ｂｌｏｃｋ ＲＡＭ和两 个ＰｏｗｅｒＰＣ。 ２．２ １ ０２４点基２－ＦＦＴ模块设计
ｃｈｉｐ ｏｐｅｒａｔｅｓ ａｔ １００ ＭＨｚ，ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｏｆ １ ０２４一ｐｏｉｎｔ １６ ｂ ｄａｔａ ｏｆ ｒａｄｉｘ ２一Ｆ丌ｗｉｌｌ ｃｏｎｓｕｍｅ ３２斗ｓ，ａｎｄ
ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｍｅｅｔｓ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｄａｔａ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｉｎ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ．
收稿日期：２００９—０７—２２
修回日期：２００９—０８—２６
基金项目：科技部国际合作重点项目（２００６ＤＦＢ７２５１０）；国家自然科